充氣錨桿在軟土中的力學(xué)特性試驗(yàn)研究

1、充氣錨桿在軟土中的力學(xué)特性試驗(yàn)研究曹佳文1，彭振斌1，彭文祥1，何忠明2，吳啟紅3（1.中南大學(xué)地球科學(xué)與信息物理學(xué)院湖南長沙410083；2.長沙理工大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院湖南長沙410004；3.成都大學(xué)城鄉(xiāng)建設(shè)學(xué)院四川成都610106）摘要：充氣錨桿是一種新型擴(kuò)大頭錨桿，抗拔試驗(yàn)有利于了解充氣錨桿的變形與承載特性。分別采用清水與水泥漿作為膨脹介質(zhì)，根據(jù)充氣壓力與膨脹體積關(guān)系，分析橡膠膜膨脹體在軟土中的變形特性，得到充氣錨桿膨脹體近似呈圓柱狀。在此基礎(chǔ)上通過改變膨脹體徑向應(yīng)變的大小進(jìn)行一系列抗拔試驗(yàn)，得出充氣錨桿極限承載力隨徑向應(yīng)變的增加而增大，但極限位移也增大。針對(duì)充氣錨桿單以橡膠膜承擔(dān)荷

2、載時(shí)抗拉強(qiáng)度較小及位移過大，分別設(shè)計(jì)鋼絲加強(qiáng)及灌漿固結(jié)兩種改進(jìn)方法，進(jìn)行抗拔試驗(yàn)對(duì)比分析，研究結(jié)果表明：鋼絲加強(qiáng)型充氣錨桿將承擔(dān)在橡膠膜上的荷載轉(zhuǎn)移到鋼絲上，彌補(bǔ)了橡膠膜抗拉性能較差的不足，灌漿固結(jié)型充氣錨桿結(jié)合了充氣錨桿與普通注漿錨桿的優(yōu)點(diǎn)，顯著減小了極限位移。該兩種改進(jìn)方法為充氣錨桿的實(shí)際應(yīng)用作了有益的探討。關(guān)鍵詞：充氣錨桿；力學(xué)特性；膨脹體；抗拔試驗(yàn)；位移中圖分類號(hào)：TU47文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：作者簡介：曹佳文（1979-）,男，湖南永興人，博士研究生，注冊(cè)土木工程師（巖土），主要從事巖土工程研究；E-mail：。Experimentalstudyonmechanicalcharac

3、teristicofinflatableanchorsinsoftclayCAOJia-wen1,PENGZhen-bin1,PENGWen-xiang1,HEZhong-ming2,WUQi-hong1(1.SchoolofGeoscienceandEnvironmentEngineering,CentralSouthUniversity,Changsha,Hunan,410083,China;2.SchoolofTrafficandTransportationEngineering,ChangshaUniversityofScience&Technology;Changsha,Hunan,

4、410004,China3.SchoolofUrban&RuralConstruction,ChengduUniversity;Chengdu,Sichuan,610106,China)Abstract:Inflatableanchorisanewtypeofunder-reamedanchor.Thepullouttestofinflatableanchorshasbeencarriedouttoanalyzeitsdeformationandbearingmechanism.Keywords:inflatableanchor;tensiletest;limitload;membrane;d

5、isplacement0引言我國軟土地層分布廣泛，且多為經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)，基坑工程朝深、大、周邊環(huán)境復(fù)雜方向發(fā)展。軟土地區(qū)基坑支護(hù)中，普通錨桿常常不能達(dá)到預(yù)想的錨固效果1。端頭擴(kuò)大型錨桿以承載力高而得到了廣泛應(yīng)用，是這些年來錨固工程的熱點(diǎn)之一。端頭擴(kuò)大型錨桿的發(fā)展一方面體現(xiàn)在擴(kuò)大頭施工工藝上23，另一方面體現(xiàn)在擴(kuò)大頭類型上46。充氣錨桿是一種全新概念的錨桿，源于海洋工程中，為在海底施工作業(yè)和機(jī)器（機(jī)器人）提供抗浮錨固力，國外研究剛剛起步。澳大利亞Dundee大學(xué)土木工程系TimNewson博士等于2000年進(jìn)行了充氣錨桿的簡單室內(nèi)試驗(yàn)7，分析了影響充氣錨桿抗拔承載力的主要因素，并通過與螺旋錨桿的對(duì)

6、比試驗(yàn)，得出相當(dāng)條件下充氣錨桿的極限抗拔承載力是螺旋錨桿的4倍；T.A.Newson博士等于2003年進(jìn)行了充氣錨桿在近海岸軟土中的試驗(yàn)研究8，得出超孔隙水的消失可以使錨桿承載力提高30%；2007年加拿大西安大略大學(xué)地質(zhì)研究中心S.Hinchberger博士和Y.Lang博士利用TimNewson博士的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)充氣錨桿用Plaxis有限元程序進(jìn)行數(shù)值分析9-10，得出充氣壓力與錨桿長度是影響充氣錨桿承載力的最主要因素，并進(jìn)一步提出了錨桿的有效長度問題；國內(nèi)彭文祥11-12對(duì)充氣錨桿的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié)，并通過建立充氣錨桿的數(shù)值模擬單元，探討了錨桿充氣長度和充氣壓力對(duì)于錨固力的影響。充氣錨

7、桿的實(shí)質(zhì)是一種端頭擴(kuò)大型錨桿。已有的研究主要以空氣為膨脹介質(zhì)，重點(diǎn)分析充氣壓力等因素對(duì)極限承載力的影響，對(duì)壓力作用下的膨脹體積及基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（No.50878212）；收稿日期：其力學(xué)特性研究較少?？諝馊菀讐嚎s，難以估算膨脹體積的大小及形狀，而擴(kuò)大頭錨桿的力學(xué)機(jī)制主要體現(xiàn)在體積與承載力的關(guān)系上。因此，本文從試驗(yàn)著手以水作為膨脹介質(zhì)，通過實(shí)測(cè)膨脹體積大小與形狀，分析充氣錨桿的變形特征，從膨脹體積與承載力關(guān)系基礎(chǔ)上研究充氣錨桿在軟土中的力學(xué)特性，并針對(duì)充氣錨桿橡膠膜彈性變形大、承載力低的不足，采用鋼絲加強(qiáng)與灌漿固結(jié)兩種方法，探討了充氣錨桿實(shí)際應(yīng)用的發(fā)展方向。充氣錨桿的結(jié)構(gòu)與特性充

8、氣錨桿是針對(duì)軟土在壓力作用下可產(chǎn)生擠壓變形的特性而研發(fā)的。簡單地說，充氣錨桿就是在錨桿端部外套高強(qiáng)度、高氣密性橡膠膜，桿體采用鋼管，橡膠膜套在鋼管外部，上下兩端用鋼環(huán)緊固在鋼管上，在包橡膠段的鋼管段鉆適量小孔以供充氣，將錨桿安置在軟土中后，從鋼管口對(duì)其進(jìn)行高壓充氣，錨桿端部橡膠膜在高壓氣體下膨脹，擠壓周圍土體形成一個(gè)圓柱或腰鼓狀的擴(kuò)大頭，充當(dāng)錨固段的作用，如圖12所示。圖1充氣錨桿示意圖Fig.1Schematicdiagramofinflatableanchor圖2充氣錨桿實(shí)物圖Fig.2Aninflatableanchor與其它類型錨桿相比，充氣錨桿有它自身的一些特點(diǎn)7811，主要表現(xiàn)在：

9、可廣泛應(yīng)用于軟土工程地質(zhì)條件中，能提供較大的抗拔力；施工簡便，快捷,易操作；用材簡單，并可回收利用，能大大節(jié)約工程成本；錨桿施工完畢可立即提供全部錨固，不必像象其它注漿錨桿那樣需要等達(dá)到強(qiáng)度，大大節(jié)約了施工工期；無廢液、廢氣、無噪音、施工環(huán)保；可在水下施工，為海洋、港口水下作業(yè)機(jī)器提供抗浮錨固力。試驗(yàn)設(shè)計(jì)試驗(yàn)內(nèi)容本試驗(yàn)內(nèi)容主要包括三部分：一是膨脹變形體的大小及形狀的測(cè)定，二是膨脹體積與承載特性關(guān)系，三是充氣錨桿的改進(jìn)對(duì)比試驗(yàn)。試驗(yàn)場(chǎng)地土層特性試驗(yàn)在中南大學(xué)西側(cè)左家垅菜地一廢棄?mèng)~塘邊進(jìn)行，場(chǎng)地內(nèi)為軟塑狀粘粉質(zhì)土，厚約1.21.5m。實(shí)測(cè)土層的物理力學(xué)性質(zhì)如下：含水率58.1%，密度1.61g/c

10、m3,比重2.69,孔隙比1.642,飽和度95,液限35.3%,塑限21.1%，粘聚力17.5kPa，內(nèi)摩擦角10.1。試驗(yàn)裝置圖3為試驗(yàn)裝置圖。試驗(yàn)用到的主要儀器設(shè)備有：用于測(cè)定抗拔力的WTP301S形拉壓稱重傳感器與PY500智能數(shù)字壓力表，用于測(cè)量位移的JMDL-2100智能數(shù)碼位移計(jì)及采集位移數(shù)據(jù)的JMZX-3001綜合測(cè)試儀，用于測(cè)量充水體積的特制有機(jī)玻璃量筒，以及其他諸如試驗(yàn)架、高壓氣筒、加載滑輪組、砂袋等輔助設(shè)備。圖3試驗(yàn)裝置圖Fig.3Modeltestset-up抗拔試驗(yàn)的規(guī)定1）試驗(yàn)基本條件：埋深60cm，橡膠膜（錨固段）長度30cm，厚度2mm,外直徑29mm。2）錨桿

11、采用直接插入方式到預(yù)定埋置深度，在等待約15min后開始加壓充水膨脹，膨脹至預(yù)定體積靜止約15min后開始加載。3）加載方式采用定時(shí)分級(jí)加載法，約每隔3min加載一次，每級(jí)荷載約為極限荷載的1/101/15，加載后每隔1min讀數(shù)一次。4）破壞標(biāo)準(zhǔn)：錨桿被拔出；橡膠膜爆破；一級(jí)荷載作用下的錨頭位移增量達(dá)到或超過前一級(jí)荷載作用下錨頭位移增量的2倍。壓力、體積與變形分析壓力與體積關(guān)系曲線通過高壓管將裝滿清水的量筒底部與錨桿相連，當(dāng)錨桿管徑內(nèi)注滿清水后關(guān)閉錨桿上端閥門，記錄量筒內(nèi)的初時(shí)水位，然后量筒上端連接氣壓源，量筒內(nèi)清水在氣壓作用下進(jìn)入錨桿內(nèi)使得橡膠膜膨脹。采用分級(jí)加壓方式，記錄各級(jí)壓力下量筒內(nèi)

12、水位下降值即可求得橡膠膜膨脹體積，其關(guān)系曲線如圖4所示：圖4壓力與體積曲線Fig.4TypicalPressure/Volumecurve由上圖可知，當(dāng)充水體積的超過某一值時(shí)，隨著體積的進(jìn)一步增大，充水壓力增幅迅速減小并趨向于一恒定值，即土體存在極限壓力值，如本試驗(yàn)的極限壓力值約為0.125MPa。3.2膨脹體變形測(cè)試為分析充氣錨桿膨脹體在土體內(nèi)的變形形狀，試驗(yàn)設(shè)計(jì)了水泥漿凝固法進(jìn)行測(cè)定。按照?qǐng)A柱體等體積原則，分別進(jìn)行了徑向應(yīng)變100%與200%的兩次注漿試驗(yàn)，加入早強(qiáng)劑，當(dāng)三天強(qiáng)度達(dá)到75%后拔出，固結(jié)體形狀如下圖5照片所示：圖5：膨脹體圖Fig.5Expanderbodyphotograp

13、h從圖中可以看出，徑向應(yīng)變約100%的膨脹體形狀為標(biāo)準(zhǔn)圓柱體，徑向應(yīng)變按200%的膨脹體形狀呈近似圓柱狀，中下部徑向應(yīng)變約150%，上部應(yīng)變接近250%，其原因是膨脹的體積過大，超過了橡膠膜的彈性范圍而呈不等徑圓柱狀變形。由此可推斷，變形體的形狀與橡膠膜的徑向應(yīng)變有關(guān)，當(dāng)徑向應(yīng)變?cè)诩s150%之內(nèi)時(shí)，膨脹體可呈標(biāo)準(zhǔn)的圓柱體，而當(dāng)體積過大時(shí)，膨脹體形狀受橡膠膜性質(zhì)影響呈上部略大中下部略小的不等徑圓柱體。3.3變形理論分析通過以上分析充氣壓力與體積的關(guān)系可知，充氣錨桿在充氣壓力作用下的膨脹過程為近似圓柱體狀，因此可以應(yīng)用圓孔擴(kuò)張理論13進(jìn)行分析。圓孔擴(kuò)張理論引入到巖土工程領(lǐng)域始于60年代，并在隨后的

14、幾十年得到了廣泛的應(yīng)用，如用來分析樁的承載力14，旁壓試驗(yàn)15，靜力觸探16等。應(yīng)用圓孔擴(kuò)張理論，根據(jù)土體的物理力學(xué)性質(zhì)，可以分析膨脹初期階段的充氣壓力與膨脹體積關(guān)系，分析膨脹體周圍土體的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，可以預(yù)測(cè)極限充氣壓力的大小，估算充氣錨桿極限承載力的大小等。體積與承載特性分析抗拔試驗(yàn)Qs曲線按照?qǐng)A柱體等體積原則，分別進(jìn)行了徑向應(yīng)變?yōu)?（不充水）、50%、100%、150%、200%充水膨脹抗拔試驗(yàn)，其成果如圖6、表2：圖6不同徑向應(yīng)變的荷載/位移曲線Fig.6Load/displacementcurvesforchangesinradialstrain表2極限荷載與位移Table2.Ult

15、imateloadsanddistance試驗(yàn)充水體積徑向應(yīng)變極限荷載最大位移序號(hào)cm3%Q/kNs/mm1000.1112.072220.4500.31921.633546.71000.41451.174990.81500.55068.3951530.12000.667*81.64*注：表中“*”為在徑向應(yīng)變200%的抗拔試驗(yàn)中，因橡膠膜的突然拉斷而失效，其極限值取前一級(jí)加載值與位移值。承載特性分析通過分析以上圖表可得：1）從荷載極限值看，隨著徑向應(yīng)變（充水體積）的增加，錨桿極限承載力增大；相對(duì)未充水錨桿承載力，各徑向應(yīng)變下的單位充水體積所產(chǎn)生的荷載增量分別為0.94N/cm3、0.55N/

16、cm3、0.44N/cm3、0.36N/cm3，增幅呈下降趨勢(shì)；2）從曲線表觀形態(tài)上看，荷載-位移曲線呈拋物線形，隨著荷載的均勻加載，位移呈逐步增大趨勢(shì)；3）隨著徑向應(yīng)變的增加，錨桿達(dá)到極限承載力時(shí)所對(duì)應(yīng)位移也增大，其平均值為55.64mm,充氣錨桿的極限位移值較大；4）充氣錨桿荷載全部由橡膠膜承擔(dān)，橡膠膜抗拉力學(xué)強(qiáng)度有限，在較大荷載下易被拉斷而失效。充氣錨桿改進(jìn)試驗(yàn)研究針對(duì)橡膠膜不能承載較大荷載及位移過大的不足，分別采用綱絲加強(qiáng)法及灌漿固結(jié)法對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)試驗(yàn)，探討其力學(xué)特性。5.1鋼絲加強(qiáng)型充氣錨桿力學(xué)特性分析試驗(yàn)設(shè)計(jì)8根00.5mm的鋼絲均勻綁扎在橡膠膜外表，鋼絲長度根據(jù)膨脹體積計(jì)算確定，

17、如圖7所示：膨脹前膨脹后（空氣中）圖7鋼絲加強(qiáng)型充氣錨桿Fig.7Inflatableanchorwithwire考慮到較大的體積產(chǎn)生的承載力與位移都較大，試驗(yàn)選擇徑向應(yīng)變率200%與150%加鋼絲后進(jìn)行抗拔試驗(yàn)，并與不加鋼絲時(shí)行對(duì)比，成果如圖8、表3所示，其中A組為徑向應(yīng)變?yōu)?00%，B組為徑向應(yīng)變?yōu)?50%。圖8鋼絲加強(qiáng)型錨桿荷載/位移曲線Fig.8Load/displacementcurvesofinflatableanchorwithwire表3極限荷載與位移Table3.Ultimateloadsanddistance試驗(yàn)序號(hào)徑向應(yīng)變%極限荷載Q/kN最大位移s/mm備注61500.

18、68052.27加鋼絲72000.79868.19加鋼絲從以上圖可知：1）對(duì)照A1與A2、B1與B2曲線，鋼絲加強(qiáng)后的抗拔曲線存在較為明顯的拐點(diǎn)，說明在加載初期，橡膠膜仍存在一定的自由變形，當(dāng)位移達(dá)到一定值后鋼絲“兜”緊了橡膠膜，荷載轉(zhuǎn)為鋼絲承擔(dān)。因此，在充氣錨桿實(shí)際應(yīng)用中，通過設(shè)計(jì)高強(qiáng)鋼絲來承擔(dān)錨桿的荷載是可行的，高強(qiáng)鋼絲的數(shù)量及總橫截面積根據(jù)實(shí)際需要的承載力確定；2）通過鋼絲加強(qiáng)后，相同位移條件下充氣錨桿承載力提高19.4%29.0%，相同荷載條件下位移值減少了21.6%42.8%；3）高強(qiáng)鋼絲亦存在一定的柔性，在達(dá)到極限承載力之前仍然存在較大的位移，實(shí)際應(yīng)用中可以通過預(yù)張拉來減少工后位移

19、。灌漿固結(jié)型充氣錨桿力學(xué)特性分析在前述的對(duì)充氣錨桿注入水泥漿膨脹測(cè)定變形試驗(yàn)中，仍對(duì)其按常規(guī)進(jìn)行了抗拔試驗(yàn)，并與充水膨脹試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比，成果圖9、表4如下：圖9灌漿固結(jié)型充氣錨桿荷載/位移曲線Fig.9Load/displacementcurvesofinflatableanchorwithgrouting表4極限荷載與位移Table4.Ultimateloadsanddistance試驗(yàn)序號(hào)徑向應(yīng)變%極限荷載Q/kN最大位移s/mm備注81000.4914.18灌漿固結(jié)92000.8534.70灌漿固結(jié)由以上圖表可知：1）對(duì)充氣錨桿膨脹體進(jìn)行灌漿固結(jié)后的抗拔極限位移值極小，可以有效解決充氣錨桿

20、位移過大問題；該種類型錨桿結(jié)合了充氣錨桿與普通注漿錨桿的優(yōu)點(diǎn)，能有效控制擴(kuò)大頭體積與形狀，能較為精確地估算錨桿承載力，是充氣錨桿實(shí)際應(yīng)用的發(fā)展方向之一。2）對(duì)充氣錨桿膨脹體進(jìn)行灌漿固結(jié)后的極限承載力提高了約18.6%27.9%，原因是在飽和軟土中，抗拔試驗(yàn)是在充水膨脹15min后開始，此時(shí)因膨脹產(chǎn)生的超靜孔隙水壓力尚未消散，而灌漿固結(jié)抗拔試驗(yàn)是在三天之后進(jìn)行，超靜孔隙水壓力基本消散，周邊土體亦發(fā)生了固結(jié)作用，提高了力學(xué)強(qiáng)度，故錨桿的極限承載力得到了提高，這一結(jié)果與文8提到的超孔隙水消失可以使錨桿承載力提高30%相接近。5結(jié)論與建議通過對(duì)充氣錨桿的試驗(yàn)研究，可得到如下結(jié)論：1）充氣錨桿在軟土中的

21、膨脹變形呈近似圓柱狀，可以應(yīng)用圓孔擴(kuò)張理論分析充氣錨桿充氣壓力與膨脹體積關(guān)系，分析膨脹體周圍土體的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，預(yù)測(cè)極限充氣壓力的大小；2）充氣錨桿隨著膨脹體積增加，極限承載力增大，極限位移也增大，單位體積增量所產(chǎn)生的荷載增幅呈下降趨勢(shì)；3）通過高強(qiáng)鋼絲加強(qiáng)充氣錨固橡膠膜能夠彌補(bǔ)橡膠膜抗拉性能較差的不足，尤其是在大比例充氣錨桿中可設(shè)計(jì)高強(qiáng)鋼絲來承載充氣錨桿的荷載，大大提高充氣錨桿的應(yīng)用范圍；4）通過對(duì)充氣錨桿進(jìn)行灌漿固結(jié)可以有效控制充氣錨桿的位移，灌漿固結(jié)型錨桿結(jié)合了充氣錨桿與普通注漿錨桿的優(yōu)點(diǎn)，能有效控制擴(kuò)大頭體積與形狀，能較為精確地估算錨桿承載力，是充氣錨桿實(shí)際應(yīng)用的發(fā)展方向之一。充氣錨桿

22、作為一種新型錨桿，其力學(xué)特性與承載機(jī)理與一般錨桿顯著不同，本文對(duì)其力學(xué)特性及其應(yīng)用發(fā)展方向進(jìn)行了有益探討，但還有待進(jìn)一步的試驗(yàn)與應(yīng)用研究。參考文獻(xiàn)：蘇自約.巖土錨固技術(shù)的新發(fā)展與工程實(shí)踐M.人民交通出版社.2008.曾慶義，李愛國.高噸位土層錨桿擴(kuò)大頭技術(shù)的工程應(yīng)用J巖土工程界,2004.8胡建林,張培文.擴(kuò)體型錨桿的研制及其抗拔試驗(yàn)研究J.巖土力學(xué).2009,6:1615-1619.HUJian-lin,ZHANGPei-wen.DevelopmentofunderreamedanchorandexperimentalstudyofupliftresistanceJ.RockandSoilM

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