1、 收稿日期 基金项目国家自然科学基金项目“膨胀控制摩擦型锚杆的研制及其锚固原理研究”（）；岩土力学与工程国家重点实验室开放基金课题“锚固力可调控的膨胀扩体全回收锚杆锚固机理与工程应用研究”（）。第一作者肖桃李（），男，博士，教授，现主要从事岩土稳定性研究和教学工作，。通信作者杜晨晨（），男，硕士生，现主要从事基坑支护设计与稳定性研究工作，。肖桃李，杜晨晨，高淼，等 充气膨胀控制型锚杆的承载性能研究 长江大学学报（自然科学版），（）：，（），（）：充气膨胀控制型锚杆的承载性能研究肖桃李，杜晨晨，高淼，武超毅 中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室，湖北 武汉 长江大学城市建设学
2、院，湖北 荆州 上海建工一建集团有限公司，上海 湖北望新建设有限公司，湖北 荆州 摘要为深入、系统地研究充气膨胀控制型锚杆的承载性能，考虑充气压力、挤土管片厚度及挤土管片外表面粗糙度的影响，制作了组充气膨胀控制型锚杆和组传统注浆锚杆，在相同的地质土层中进行了锚杆拉拔试验。依据试验加载现象和试验数据对这组充气膨胀控制型锚杆的承载性能进行了深入、系统的分析，通过绘制荷载位移曲线对比分析了不同试验组充气锚杆的承载能力。结果表明，充气压力、挤土管片厚度及挤土管片外表面粗糙度的增加均可提高充气膨胀控制型锚杆的承载性能。对比传统注浆锚杆，充气膨胀控制型锚杆的承载能力和抵抗变形能力更强，具有重要的工程应用价
3、值。进一步基于圆孔扩张理论推导出充气膨胀控制型锚杆的承载力计算理论公式，极限承载力理论值与试验值较为符合，为该型号锚杆的工程设计及运用提供了理论依据。关键词充气膨胀控制型锚杆；承载性能；变形；圆孔扩张理论 中图分类号 文献标志码 文章编号 （），（），：，：；长江大学学报（自然科学版）年 第 卷 第期 （），DOI:10.16772/ki.1673-1409.2023.01.004充气锚杆起源于海洋工程，为海底施工作业和机器提供抗浮锚固力。等于 年进行了充气锚杆的简单室内试验，通过与传统螺旋锚杆的对比，得出相同条件下充气锚杆的极限抗拔承载力是螺旋锚杆的倍。试验发现充气锚杆的抗拔承载力主要与充气
4、压力大小、橡胶膜厚度、橡胶膜外表面的粗糙度、砂的密实度、软土的液限指数、锚杆长度、充气扩大头的体积、锚杆埋置深度等因素有关；等基于前人的试验数据，通过 有限元软件对充气锚杆进行了数值模拟，发现锚杆长度是影响锚杆抗拔承载力的最主要因素，提出了充气锚杆的有效长度问题。曹佳文、彭文祥等对充气锚杆进行了一系列室内足尺试验，试验结果表明：充气锚杆橡胶膜膨胀近似圆柱状，锚杆的极限位移主要来自橡胶膜的弹塑性变形；充气锚杆的极限抗拔承载力约是单锚片螺旋锚的 倍，双锚片螺旋锚的 倍，极限侧阻力约为一般注浆扩大头锚杆的倍。鉴于仅由橡胶膜承受荷载时，充气锚杆存在橡胶膜抗拉强度小及位移过大的问题，曹佳文等又分别提出了
5、钢丝加强和灌浆固结两种改进方法，显著减小了充气锚杆的极限位移。赵天杨等通过现场试验以及 数值模拟相结合的方法，研究了钢筋抗浮锚杆承载特性，结果表明利用 软件模拟钢筋抗浮锚杆的承载特性是可行的。杨学祥等，针对橡胶膜充气易胀破失效的缺陷，设计出一种带端挡板的充气膨胀控制锚杆，并进行了一系列足尺试验，结果表明：带端挡板的充气膨胀控制锚杆的极限承载力显著提高，充气压力最大可达到 ，此时锚杆的极限承载力为 ，较之曹佳文等所设计的充气锚杆，提高了约 倍。曾庆义等 对扩大头锚杆的力学机制进行了研究，推导出了扩大头锚杆的抗拔力计算公式；分析了扩大头埋深、土体内聚力、内摩擦角等因素对抗拔力的影响。陈昌富等 研究
6、了考虑土体变形与界面剪切耦合作用的锚杆拉拔响应，明确了锚固体在拉拔过程中荷载变形曲线和沿杆体长度方向的轴力分布规律。周济芳 进行了锚杆拉拔过程中力学特性试验，根据试验结果阐述了界面切向和法向力学特性的演化过程。井德胜等 基于二次多项式回归分析对抗浮锚杆荷载位移特性及极限承载力进行了预测并通过实际监测数据对比分析，发现当锚杆杆体位移量小于 时，锚杆极限承载力预测精度较高。陈秋南等 基于莫尔库仑模型和 圆孔扩张理论法，分别对圆柱体、球体、组合体、椭球体假设下的串囊式充气锚杆的扩大段进行计算分析，并将计算结果与试验得到的实测值进行对比；通过拟合试验数据，并引入与端阻力和侧阻力有关的两个系数对承载力公
7、式进行修正，得到了抗拔承载力的经验公式。上述研究主要基于室内试验或原位试验、极限分析法或极限平衡法计算、有限元软件模拟等方式对充气锚杆承载性能进行分析。由于锚杆长度、锚杆埋置深度等因素受实际环境的约束较大，而充气锚杆的挤土管片特性相对容易控制，因此本文对充气管片厚度、外表面粗糙度对充气锚杆的承载力进行系统研究，并参考已有对充气锚杆的受力机理、承载力计算等相关方面的研究，推导充气膨胀控制型锚杆承载力计算的理论公式，对充气膨胀控制型锚杆的工程设计及运用提供理论依据。模型试验设计 充气锚杆模型设计图充气膨胀控制型锚杆结构示意图 充气膨胀控制型锚杆通过其锚固段外表面的钢管片挤压土体产生锚固力从而达到锚
8、固效果，在支护工程结束后，通过气压控制装置进行泄压，从而将锚杆完全回收再利用。充气膨胀控制型锚杆的结构主要分为：钢管片挤土装置、橡胶气囊膨胀装置、拉筋传力结构、气压控制装置、充气管线装置，其结构形式如图所示。其中膨胀装置为橡胶气囊，挤土装置为块钢管片。改变普通充气锚杆中由橡胶气囊直接与锚孔孔壁接触的结构方式；橡胶气囊只第 卷 第期肖桃李 等：充气膨胀控制型锚杆的承载性能研究提供膨胀作用，由挤土管片与锚孔孔壁接触，从而改变充气锚杆的传力途径，可显著减小普通充气锚杆的极限位移，解决橡胶气囊抗拉能力较小的问题。加载装置及加载方式试验在长江大学东校区某拟建工程的空地上进行，其土层分布为，场地表层为 厚
9、的素填土，其下为 厚的粉质黏土。充气膨胀控制型锚杆的极限抗拔承载力与埋入深度和气囊长度密切相关，应考虑临界埋入深度的影响；且试验场地表层上部 厚的素填土，结构松散，压缩性大，力学性质不稳定，不宜作为膨胀锚杆的锚固端土层。基于以上两点考虑，试验时的锚杆锚固端位于粉质黏土层，锚固端长度为 ，埋入深度为 。充气压力采用计算机控制加压系统，拉拔试验采用 型专用锚杆抗拔仪，锚杆位移量测工具为千分表，反力架为 槽钢双拼焊接而成。为消除加载过程中土层的压缩变形对位移测量的影响，以预先浇注的混凝土块作为双拼槽钢反力架基础。试验模型剖面图和试验现场加载装置实物图如图、图所示。图试验模型剖面图图试验现场加载图 表
10、土层物理力学参数表 土层编号土层名称天然重度（）内聚力 内摩擦角（）压缩模量 承载力特征值 杂填土 粉质黏土 试验方案试验时，先进行橡胶气囊的充气，调节气压调节器，将橡胶气囊内的压强调至试验标定气压，关闭阀门后静置 ，若气压表读数无变化，则开始进行充气膨胀控制型锚杆的拉拔试验。加载开始时，记录试验开始时间，百分表的初始读数、频率测读仪的初始频率。拉拔力的加载方式采用等量加载法，即拉拔力从开始逐级增加，每次加载量为 ，中间间隔 后，再进行下一次加载，应变采样频率为 。每一级循环加载稳定后，分别手动记录锚杆拉拔仪读数、频率测读仪读数、百分表读数，应变数据由应变软件自动录入。当出现以下情况时，可判定
11、充气膨胀控制型锚杆的承载力达到极限值：长江大学学报（自然科学版）年月表试验方案分组 试验分组充气压力 挤土管片厚度挤土管片特性 表面光滑 表面光滑 表面光滑 表面光滑 表面光滑 表面光滑 外表面粘贴 粗砂 外表面粘贴 粗砂 外表面粘贴 粗砂 表面光滑 表面光滑 表面光滑 外表面加工锯齿螺纹 外表面加工锯齿螺纹 外表面加工锯齿螺纹）锚杆拉拔仪施加拉拔力不收敛；）单次加载后，百分表读数偏大，即单次位移变化量明显大于上一次加载位移变化值；）橡胶气囊出现漏气或破裂现象。当充气膨胀控制型锚杆的承载力达到极限值时，仍按照原有加载方式持续加载次，记录锚杆拉拔仪压力表上数值回落稳定后的拉拔力，参照土和岩石的应
12、力应变曲线上过峰值后大致稳定的最终强度，称之为充气膨胀控制型锚杆的残余强度。残余强度的试验分析对开展充气膨胀控制型锚杆的延性性能研究具有重要意义。试验结束后，分别将锚杆拉拔仪液压缸内的油压和橡胶气囊内的气压放卸，将锚杆从锚孔内取出后拆卸清理，待下次试验备用。为研究充气膨胀控制型锚杆的承载性能，设置不同试验参数，其中锚杆试验所在土层均为粉质黏土，挤土管片长度均为。试验方案的具体分组如表所示。试验结果与分析 挤土管片厚度对充气膨胀控制型锚杆承载性能的影响、组锚杆的挤土管片表面均为光滑状态，挤土管片的厚度分别为、，组锚杆的拉拔试验数据如图所示。图、组锚杆荷载位移曲线 ，根据 锚 杆 的 荷 载位 移
13、 曲 线，提 取、组锚杆的关键力学参数，如表所示。由图和表可知，不同充气压力条件下 组锚杆的峰值强度和残余强度均大于、组锚杆的对应强度。以充气压力取 时为例，当挤土管片的厚度由 增大到 再增大到 时，充气锚杆的峰值强度分别为 、，增幅分别为 和 ，呈现非线性缓慢增长的规律；充气锚杆的残余强度分别为 、，增幅分别为 和 ，同样为非线性缓慢增长，表明随着挤土管片厚度的增加，充气膨胀控制型锚杆的峰值强度和残余强度均增大，但增长速率逐渐变小。当挤 土管片的厚度由 增大到 再增大到 时，充气膨胀控制型锚杆的屈服位移和极限位移均呈现出先增大后减小的规律，但上升、下降幅度较小，均在 以下，可认为挤土管片厚度
14、的变化对锚杆的屈服位移和极限位移无明显影响。从能量的角度分析因，厚度较薄的挤土管片在充气压力下，部分能量消耗用于其塑性变形，而厚度较厚的挤土管片，其抵抗塑性变形的能力强于前者，塑性变形较小，因此其能量消耗较少，所以充气膨胀控制型锚杆的峰值强度和残余强度较大。第 卷 第期肖桃李 等：充气膨胀控制型锚杆的承载性能研究表、组锚杆拉拔试验结果 ，试验分组充气压力 峰值强度 残余强度 屈服位移极限位移 挤土管片表面特性对充气膨胀控制型锚杆承载性能的影响、组锚杆的挤土管片厚度均为，前者挤土管片表面为光滑状态，后者挤土管片外表面粘贴 粗砂。、组锚杆的挤土管片厚度均为 ，前者挤土管片表面为光滑状态，后者挤土管
15、片外表面加工为锯齿螺纹。组锚杆的拉拔试验数据如图、图所示。根据锚杆的荷载位移曲线，提取、组锚杆的关键力学参数，如表所示。图、组锚杆荷载位移曲线图、组锚杆荷载位移曲线 表、组锚杆拉拔试验结果 ，试验分组充气压力 峰值强度 残余强度 屈服位移极限位移 长江大学学报（自然科学版）年月由图、图和表可知，不同充气压力条件下，组锚杆的峰值强度和残余强度均大于 组锚杆的对应强度；组锚杆的峰值强度和残余强度均大于 组锚杆的对应强度。以充气压力取 时为例，当挤土管片外表面粘贴 粗砂后，充气膨胀控制型锚杆的峰值强度由 增加到 ，增幅为 ，残余强度由 增加到 ，增幅为 ，两者增幅基本一致。当挤 土管 片外表面加 工
16、 锯齿 螺纹 后，充气膨 胀控 制 型 锚 杆 的 峰 值 强 度 由 增 加 到 ，增幅为 ，残余强度由 增加到 ，增幅为 ，两者增幅亦基本一致。由于增大挤土管片外表面粗糙程度后，锚杆与接触土体的侧摩阻力相应增大，进而提高充气膨胀控制型锚杆的承载能力。基于以上分析，充气膨胀控制型锚杆的峰值强度和残余强度随挤土管片外表面粗糙程度增大而增加，且两种强度的增长幅度基本相同。在挤土管片外表面加工锯齿螺纹的方式相较于在挤土管片外表面粘贴粗砂的方式对充气膨胀控制型锚杆的强度提升效果更加明显，但差距不大，仅为 。而对于后者，充气膨胀控制型锚杆的屈服位移和极限位移相较于对照组充气膨胀控制型锚杆，呈下降趋势；而且前者的工艺更加复杂，从而增加施工成本。因此综合分析挤土管片外表面两种加工方式，粘贴粗砂更具安全性和经济性，更加适合在实际施工作业中进行推广。充气膨胀控制型锚杆与传统注浆锚杆承载性能的对比分析图传统注浆锚杆荷载位移曲线 为了对充气膨胀控制型锚杆的承载性能进行客观直接的研究分析，设计组传统注浆锚杆进行拉拔试验，将传统注浆锚杆的强度与充气膨胀控制型锚杆进行对比。本试验中传统注浆锚杆的长度为 ，其中锚