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耳安
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1 # 端部扩大型锚杆荷载传递机理的分析研究 ** 崔向东, 贺武斌 ( 太原理工大学建筑与土木工程学院, 太原 324) 5 摘要 : 通过对论文以山西省太原市某基坑工程, 该工程在开挖时采用端部扩大型锚杆进行支护, 端部扩大型锚杆的锚固段与普通锚杆的锚固段不同, 在受力过程中, 主要由锚杆顶部逐渐向端部传递, 在抗拔力较小时, 锚杆的力学性能主要体现在普通锚固段, 当抗拔力增大时, 就会传递大扩大头锚固段, 本文运用 MIDAS/GTS 软件模拟与现场选取 6 根端部扩大型锚杆 1 进行抗拔试验的比较分析, 总结出锚固段受拉力作用的应力分布侧摩阻力及端阻力的变化规律关键词 :MIDAS/GTS; 开挖深度 ; 侧摩阻力 ; 抗拔试验中图分类号 :TU end of the expansion type anchor load transfer mechanism CUI Xiangdong, HE Wubin (School of Architecture and Civil Engineering,Taiyuan Universiry of Technology Taiyuan 324) Abstract: Articles for a foundation pit project in Taiyuan, Shanxi rovince, the project end expansion type anchor excavation support, the end expansion anchor anchoring segment with ordinary bolt anchoring section, by force process, mainly by the bolt at the top gradually pass to the end, smaller pullout resistance, the mechanical properties of the anchor is mainly reflected in the general anchorage segment, when the pullout force increases, it will pass a large expansion of the head anchoring section In this paper MIDAS / GTS software simulation and field to select six end expansion anchor for comparative analysis of the ULIFT trial, summed up the the anchoring segment Rally role stress distribution side friction and end resistance variation. ey words: MIDAS/GTS; Excavation depth; Lateral friction ; Uplift test; 引言 [1] 端部扩大型锚杆具有抗拔力高, 端头位移小及可靠度高等优点, 在许多工程实际中应用广泛, 由于锚杆的荷载传递机理非常复杂, 人们对其荷载传递机理的认识在不断的深入, [2] 张季如唐保付在锚杆荷载传递机理分析的双曲线模型分析出锚杆的摩阻力由锚固端向尾 [3] 端衰减, 呈现不均匀分布 ; 徐波, 吴智敏通过 Mindlin 位移解建立锚杆荷载传递的微分方 [4] 程, 得出锚杆轴力沿埋深方向的分布曲线图 ; 郑卫锋, 邵龙潭基于凯尔文问题的位移解推导出在深基坑支护中预应力锚杆锚固段剪应力沿锚固段成对数螺旋曲线型分布 ; 尤春安 [5] 战玉宝等利用无限体内部一点受集中力作用的位移解导出内部锚固段受拉力作用的应力分布规律, 并详细分析了表面锚固型于内部锚固型锚杆之间的最大剪应力的关系 ; 陈宇佳贺武斌进行现场试验的方法得出扩大头锚杆的锚固机理 [6], 并对端部扩大型锚杆的端阻力进行了分析 ; 文章在通过模拟与现场抗拔试验, 对端部扩大型锚杆的力学性能及端部扩大型锚杆与周围土体的作用机理进行分析, 导出锚固段受拉力作用的应力分布和侧摩阻力的变化规律为扩大头锚杆锚固技术提供了理论基础基金项目 : 山西省科技攻关项目 (213217) 作者简介 : 崔向东 (1988-), 男, 在读研究生, 主要从事基础工程研究通信联系人 : 贺武斌 (1974-), 男, 副教授, 主要从事基础工程研究. hewubin@tyut.edu.cn - 1 -

2 1 端部扩大型锚杆的受力分析端部扩大型锚杆的抗拔承载力有三部分组成, 普通锚固段侧摩阻力提供的抗拔力扩大锚固段及端阻力提供的抗拔力, 文章详细的对扩大头锚固段侧摩阻力及端阻力的分布规 45 5 律进行分析设扩大头锚固段的侧摩阻力提供的抗拔力为 W, 通过相关规范查得各个参数的值, 根据以下理论推导公式, 在锚杆已知深度为 Z 的情况下可以求出扩大头锚杆的侧摩阻力所提供 [7] 的抗拔力大小 ks Z tan1 exp (1.1) su s W DL (1.2) 扩大头锚固段侧壁与土层间的摩阻力强度 (ka); 土的侧压力系数 ; 55 土的重度 (kn/m 3 ); k 与土的类别与密度有关的系数 ; Z 所计算该点的深度 (m); s u 桩侧阻力充分发挥的临界位移 (m); D 扩大头锚固段的直径 (mm); 6 L 扩大头锚固段的长度 (m); 表示的是侧摩阻力, 侧摩阻力的变化与土的侧压力系数土的重度等参数有关, 由式 (1.2) 可知, 其抗拔力的大小与侧摩阻力是呈线性关系, 同时也与锚固段的直径以及长 [8] 度有关针对扩大锚固段端阻力的理论分析要综合考虑锚杆的埋深粘聚力, 内摩擦角 65 等各个影响因素, 假设端部扩大型锚杆提供的承载力为 T, 则得出 : D2 D (1.3) 4 T 1 7 式中 : D h 2c p 1 1 sin1.3.5 ~.95 tan 45 tan D 土体作用于扩大头截面上的端压力 (N); 一扩大头前段土体的静止土压力系数 ; p 2 p (1.4) - 2 -

3 反映锚杆发生位移是与周围土体发生挤胀效应的侧压力系数 ; 扩大头前的被动土压力系数 ; 75 扩大头上部覆土的容重 (kn/m 3 ); h 扩大头上部覆土的厚度 (m); c 为扩孔端头土体的黏聚力 (ka); 以上各个参数可以根据相关规范查得, 将查取数值带入各个公式, 并求出侧摩阻力及端阻力 8 2 现场原位试验及分析 2.1 工程概况该工程整体三层地下室, 高度 13 米, 场地总面积 65m 2, 基坑开挖深度为地表 15.3m, 由于深度及场地面积较大, 故基坑的稳定性对周边建筑物及邻近市区道路的影响较大, 根据建筑基坑支护技术规程 (JGJI-99), 该工程基坑侧壁安全等级为 Ⅰ 级选取锚杆结构参数现场原位试验共选 6 根端部扩大头锚杆,MG1~MG6 的设计长度为 27m, 自由端为 17m, 锚固段为 1m, 其中扩大头的长度为 6m, 锚杆钻孔径 25mm, 扩大头直径 8mm, 钢绞线采用 6 75 规格, 锚杆的结构图如下 9 图 1 端部扩大头型锚杆结构图 Fig.1 End expanding head type bolt diagram 1 锚具 ;2 承压板 ;3 台座 ;4 支挡结构 ;5 钻孔 ;6 塑料套管 ;7 预应力筋 ; 8 锚固体 ;9 扩大头 ;L1 自由段长 ;L2 锚固段长度 2.3 MG1~MG6 试验要求 95 根据锚杆杆体钢筋所能承受的极限荷载并考虑该场地地质土层情况确定锚杆的极限荷 [9] 载, 依据相关规范在试验前选取三根相同的锚杆进行基本试验, 得到最大试验荷载, 确定出现场原位试验中 MG1~MG6 的初始荷载值 kn, 荷载按照土层锚杆设计和施工规范进行循环加载 - 3 -

4 Q(kN) Q(kN) 中国科技论文在线 2.4 试验结果分析 1 根据结果绘制出在循环加卸荷载下各个实测锚杆荷载位移曲线荷载弹性位移曲线塑性位移曲线图, 由于 MG1~MG6 曲线图相近, 下面仅列出 MG2 的各个曲线图 S(mm) 第一循环第二循环第三循环第四循环第五循环第六循环 Fig2 图 2 MG2 循环加载 Q-S 曲线图 MG2 cyclic loading graph of the Q-S 15 塑性位移弹性位移 S(mm) 图 3 MG2 循环加载 Q-Se Q-Sp 曲线图 Fig.3 MG2 cyclic loading a graph of the Q-Se, Q-Sp 由图 2 可以推出, 当荷载由 25 kn 逐渐增加到 1 kn 时, 锚头位移变化相对较小且呈线性变化, 荷载每增加 kn, 锚头位移变化在 5mm 左右, 此时 Q-Se Q-Sp 曲线中弹 11 性位移呈线性增加, 当荷载为 1 kn, 位移 5mm 左右, 塑性位移基本上没有变化, 由于此阶段锚头位移变化很小, 说明在此阶段主要起主要作用的是普通段的侧摩阻力 ; 当荷载由 1 kn 增加到 1 kn, 扩大头锚杆位移急剧增加, 由 3mm 升至 6mm, 塑性位移增加 15mm, 扩大头锚杆向前发生较大位移, 扩大头端阻力逐渐增大, 扩大头就会使前端的土体收到挤压, 此时主要力学性能的主要有扩大段的侧摩阻力决定, 在第六个循环加载结束后, 115 端头的位移由 7cm 增至 9.5cm, 塑性位移趋于稳定 ; 在最后一个阶段, 随着荷载的增加扩大头位移增加 15mm 扩大头继续挤压其上部的土体, 使其变得逐渐密实, 进而改变了周围土体塑性区的范围及应力状态, 此时端阻力起主要作用 - 4 -

5 3 数值模型分析 3.1 模型建立 12 根据岩土工程勘察报告以及基坑开挖深度可知, 端部扩大型锚杆深度范围内的地层力学参数及下面 MG2 的结构参数如下表 1 土层物理力学性质土层厚度 /m Tab.1 Soil physical and mechanical properties 埋深 /m 重度 /kn/m 3 内摩擦角 / 黏聚力人工填土粉质粘土粉土细中砂粉土细砂粉质粘土 /ka MG2 结构参数 3 27kN / m, C 4ka, 25 4 E 2.51 Ma,.2 13 参照表 1 中土层的物理力学及下面 MG2 的结构参数, 建立与现场等同的锚杆以及周围土层的模型, 为了便于模型分析收敛, 将水泥注浆体钢筋与土体转化成理想弹塑性体 [1], 其模拟结果与实际会存在一些差别, 按照现场原位试验加载方式在扩大型锚杆的顶部逐级加施加集中力, 下为 MG2 与土体模型网格划分图 135 图 4 MG2 与土体模型网格划分图 Fig.4 The MG2 soil model meshing Figure 3.2 结果分析在探讨锚杆的轴向力以及侧摩阻力分布主要选取 9 kn 225 kn 45 kn 675 kn 四 - 5 -

6 侧摩阻应力 (ka) 轴向力 (kn) 中国科技论文在线种荷载 [11], 从前问的现场原位试验可知, 当荷载达到 1 kn 左右时, 锚杆已处于塑性阶 14 段, 因此在四种荷载作用下锚杆处于弹性和弹塑性阶段, 经过 MIDAS/GTS 分析计算, 并按照前述的理论公式计算得出 MG2 在四种荷载作用下轴力以及侧摩阻力分布图如下 kN 225kN 45kN 675kN 锚固段长度 (m) 图 5 扩大头锚杆的轴力分布图 Fig5 The expanding head bolt axial force distributio kN 225kN 45kN 675kN 锚固段长度 (m) 图 6 扩大头锚杆的侧摩阻力分布图 Fig.6 The expanding head bolt side friction maps 由图 5 看出, 轴力沿锚固段逐渐减小, 抗拔力为 9 kn 225 kn 时, 锚固段最长为 3.9m, 结合图 6 得出, 此时轴力侧摩阻力主要体现在普通锚固段, 抗拔力为 45 kn 675 kn 时, 轴力扩展到扩大段, 此时扩大段的侧摩阻力开始逐渐增加, 即图 6 中出现拐点, 此时侧摩阻力逐渐呈线性增加, 直至侧摩阻力布满整个扩大段 4 结论本文过现场原位试验以及数值模拟对锚固段受拉力作用的应力分布侧摩阻力及端阻力的变化规律进行探讨, 扩大头锚杆与普通锚杆不同, 其锚固段分为普通锚固段和扩大锚 [12] 155 固段 (1) MG1~MG6 现场试验中得出, 扩大段在荷载逐渐增大过程中对其端部的土体形成挤密作用, 有力于扩大头端阻力发挥 (2) 由于锚杆的轴力沿锚固段逐渐减小, 可见增加锚固段长度来提高承载力是有限的 - 6 -

7 (3) 文章分析了扩大头锚杆的轴力沿锚固段的分布规律, 通过静力平衡条件可对扩头锚 16 杆的剪应力沿锚固段的规律进行探讨 (4) 通过模拟进一步验证了扩大头锚杆的普通与扩大锚固段侧摩阻力端阻力的应力分布规律, 为扩大头锚杆的应用提供了理论基础 [ 参考文献 ] (References) [1] 张乐文, 汪稔. 岩土锚固理论研究之现状 [J]. 岩土力学,22,23(5): Z L W,W N. Geotechnical Anchorage theoretical study of the status quo [J].Rock and Soil Mechanics,22,23 (5) : JI X G, DENG Y Y, WANG. Characters of atmosphere pressure, pure oxygen fixed bed gasification of seven kinds coal[j]. Clean Coal Technology, 24, 25(4): [2] 张季如, 唐保付. 锚杆荷载传递机理分析的双曲函数模型 [J]. 岩土工程学报,22,24(2);188~192. Zhang J R,Tang B F. Bolt load transfer mechanism of the hyperbolic function analysis model [J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 22, 24(2): JI X G, DENG Y Y, WANG. Characters of atmosphere pressure, pure oxygen fixed bed gasification of seven kinds coal[j]. Clean Coal Technology, 24, 25(4): [3] 徐波, 吴智敏. 混凝土中锚杆荷载传递机理的理论分析 [J]. 哈尔滨工业大学学报,24,38(3):418~422. Xu B,Wu Z M. The concrete anchor load transfer mechanism of theoretical analysis [J].Journal of Harbin Institute of Technology, 24,38(3); [4] 郑卫锋, 邵龙潭. 深基坑预应力锚杆锚固段应力分布规律与应用 [J]. 辽宁工程技术大学学报,28,27(6);862~865. Z W F,S L T. The deep foundation restressed Bolt Stress distribution law and application [J]. Liaoning University of Engineering Science, 28,27 ( 6) : JI X G, DENG Y Y, WANG. Characters of atmosphere pressure, pure oxygen fixed bed gasification of seven kinds coal[j]. Clean Coal Technology, 24, 25(4): [5] 尤春安, 战玉宝. 预应力锚索锚固段的应力分布规律及分析 [J]. 岩石力学与工程学报,25,24(6);935~928. Y C N, Z Y B. restressed cables stress distribution and analysis [J]. Rock Mechanics and Engineering, 25,24 (6): JI X G, DENG Y Y, WANG. Characters of atmosphere pressure, pure oxygen fixed bed gasification of seven kinds coal[j]. Clean Coal Technology, 24, 25(4): [6] 陈宇佳. 端部扩大型锚杆受力机理的现场试验研究 [D]. 太原 : 太原理工大学, 211. Chen Y J.The end of the expansion type anchor field trials of the fundamental mechanism of [D]. Taiyuan:Taiyuan University of Technology,211. [7] 丁秀丽, 盛谦, 韩军. 预应力锚索锚固机理的数值模拟试验研究 [J]. 岩石力学与工程学报,22,21(7);98~ 988. D X L,S Q,H J. Numerical Simulation Study of restressed Anchor Ropes [J].Rock Mechanics and Engineering, 22,21 (7): [8] 陈维华, 季树凯. 预应力土层锚杆加固河堤岸试验研究 [J]. 水利水电工程设计,28,27(3); Chen W H,Ji S. Experimental study of prestressed soil anchor reinforcement of river embankment [J] Water Resources and Hydropower Engineering, 28,27 (3): [9] 程良奎, 于来喜.CECS 土层锚杆设计和施工规范 [S]. 北京 : 冶金部建筑研究总院,199. Chen L,Yu L X. CECS The soil anchor design and construction specifications [S] Beijing : Building Research Institute of the Ministry of Metallurgical Industry, 199. [1] 张发明, 赵维炳. 预应力锚索锚固荷载的变化规律及预测模型 [J]. 岩石力学与工程学报,24,23(1);39~43. Zhang F M, Zhao W B. restressed Anchor Ropes load variation and prediction model[j].rock Mechanics and Engineering,24,23(1); [11] 徐前卫, 尤春安. 预应力锚索的三维数值模拟及应用 [J]. 岩石力学与工程学报,24,23(2);4941~4945. JI X G, DENG Y Y, WANG. Characters of atmosphere pressure, pure oxygen fixed bed gasification of seven kinds coal[j]. Clean Coal Technology, 24, 25(4): [12] 程良奎. 岩土锚固 [M]. 北京 : 建筑工业出版社,22, Cheng L. Geotechnical Anchorage [M].Building Industry ress,22,

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m K K K K m Fig. 2 The plan layout of K K segment p 410151 K7 + 914 - K7 + 984 12 5. 3 Midas DOI 10. 7617 /j. issn. 1000-8993. 2013. 09. 020 THE ANALYSIS OF THE DESIGN AND CONSTRUCTION SECURITY OF DEEP FOUNDATION IN PURUI TUNNEL OPEN-CUT SEGMENT Yang Ping