充氣錨桿力學(xué)特性試驗(yàn)研究與數(shù)值模擬分析.pdf

1、充氣錨桿是一種全新結(jié)構(gòu)的錨桿,是利用軟土在外力作用下能夠產(chǎn)生較大變形的特點(diǎn)研發(fā)的,即采用氣體或液體注入套扎在鋼管上的密封橡膠膜,通過膨脹擠壓周邊土體,形成擴(kuò)大頭充當(dāng)錨固段。充氣錨桿具有用材簡(jiǎn)單、可回收利用、施工簡(jiǎn)便等特點(diǎn),在軟土地區(qū)錨固工程中有廣闊的應(yīng)用前景。該類新型錨桿的研究在國(guó)外還剛起步,我國(guó)還沒有開始,其承載機(jī)理及設(shè)計(jì)理論與一般錨桿存在明顯差異,對(duì)其進(jìn)行深入研究,具有重要的工程意義和理論價(jià)值。
　　首先,從模型試驗(yàn)出發(fā),通過

2、研究充氣錨桿的結(jié)構(gòu)性能要求,建立了一套完整的充氣錨桿模型與試驗(yàn)裝置模型,并分別在砂土中與飽和軟黏土中進(jìn)行了充氣膨脹試驗(yàn)與抗拔試驗(yàn)。針對(duì)充氣錨桿的變形特征,分別采用了位移計(jì)實(shí)測(cè)與注漿固結(jié)兩種方法對(duì)其進(jìn)行測(cè)定,結(jié)果表明充氣錨桿膨脹體在砂土及軟黏土中呈上部略大,下部略小的近似圓柱狀體,因此可以應(yīng)用圓孔擴(kuò)張理論計(jì)算充氣壓力與膨脹體積的關(guān)系,預(yù)測(cè)極限充氣壓力。抗拔試驗(yàn)結(jié)果表明,充氣錨桿承載力的主要影響因素有充氣壓力、膨脹體積、土體密度、埋置深度、

3、橡膠膜長(zhǎng)度與厚度、橡膠膜粗糙度等。對(duì)砂性土,最顯著的影響因素為充氣壓力及土體密實(shí)度,成一定倍數(shù)增長(zhǎng)關(guān)系,其次是橡膠膜長(zhǎng)度,成線性增長(zhǎng)關(guān)系,橡膠膜粗糙度對(duì)錨桿承載力的提高有較大影響,埋置深度對(duì)錨桿承載力的提高不顯著,而橡膠膜厚度對(duì)承載力的影響實(shí)質(zhì)是充氣壓力的影響;軟黏土中,當(dāng)充氣壓力較小時(shí),壓力對(duì)承載力的影響較大,當(dāng)充氣壓力大于土體極限擴(kuò)孔壓力后,膨脹體直徑成為控制承載力的主要因素。
　　然后,在回顧與總結(jié)經(jīng)典擴(kuò)孔理論基礎(chǔ)之上,采用

4、修正劍橋模型,對(duì)彈性區(qū)采用小變形理論,塑性區(qū)采用大變形理論,并將有效應(yīng)力路徑進(jìn)入屈服后簡(jiǎn)化呈線性關(guān)系,推導(dǎo)了飽和黏性土不排水條件下圓孔擴(kuò)張問題的應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)、塑性區(qū)半徑和孔擴(kuò)張壓力的計(jì)算公式。在此基礎(chǔ)上,分析了充氣錨桿膨脹力學(xué)特征,給出了充氣膨脹對(duì)周邊土體產(chǎn)生的應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)和極限充氣膨脹壓力的理論計(jì)算公式,并通過典型算例,分析了充氣膨脹作用下土體的應(yīng)力與位移變化規(guī)律。采用FLAC3D數(shù)值軟件,基于修正劍橋模型本構(gòu)關(guān)系,建立了充氣膨脹

5、數(shù)值模型,模擬了飽和軟黏土在擴(kuò)孔壓力作用下的變形與力學(xué)特性,其結(jié)果與理論分析一致,驗(yàn)證了理論分析的正確性。在理論分析與數(shù)值模擬基礎(chǔ)之上,探討了土的超固結(jié)比、內(nèi)摩擦角以及剪切模量等因素對(duì)充氣錨桿極限擴(kuò)孔壓力的影響程度,得出土體的應(yīng)力歷史對(duì)孔擴(kuò)張壓力影響最顯著,隨著超固結(jié)比的增大,土體的極限擴(kuò)孔壓力迅速增大。
　　在模型試驗(yàn)基礎(chǔ)上,分析了充氣錨桿抗拔過程中的受力特征與破壞形式,詳細(xì)分析了錨桿荷載一位移曲線變化特征,將充氣錨桿受力過程劃

6、分為四個(gè)階段,建立了充氣錨桿抗拔承載力簡(jiǎn)化計(jì)算公式,將理論公式計(jì)算值與試驗(yàn)成果進(jìn)行比較,驗(yàn)證了承載力計(jì)算公式的實(shí)用性;采用數(shù)值模擬方法,對(duì)比分析了土體在充氣抗拔前后土體的應(yīng)力變化規(guī)律,詳細(xì)研究了錨固段橡膠膜的變形特征及錨桿剪切應(yīng)力分布與荷載傳遞機(jī)理;通過數(shù)值模擬抗拔曲線與試驗(yàn)抗拔曲線的對(duì)比,說(shuō)明了數(shù)值分析能夠較好地反映充氣的抗拔力學(xué)特征;探討了在飽和軟黏土中孔隙水壓力消散等因素對(duì)極限承載力的影響。
　　最后,針對(duì)充氣錨桿存在極限位