扩孔型锚杆受力与计算分析

摘要：随着城市空间的急速扩张，国内城市轨道交通及市政工程深基坑飞速发展，传统的钢支撑、摩擦型锚杆的支、锚技术越来越不能满足日益苛刻的设计、施工边界条件。扩孔型锚杆作为承栽力高、占用空间小的一种支、锚技术越来越多的应用与基坑工程及山体边坡防护中。文章阐述了扩孔行锚杆设计、计算原理、设计要点等事项。

关键词：扩孔型锚杆；锚杆设计；扩大头锚杆

中图分类号：TU323　文献标识码：A　文章编号：1009-2374(2011)07-0021-02

锚杆作为一种常规支锚结构，抗拔力是其在基坑工程或防护工程中最为主要的经济技术参数，也是设计、施工最为关心的参数。提高锚杆的抗拔承载力水平具有十分显著的技术经济价值。研究资料及大量工程实验表明，普通(摩擦型)锚杆的承载力在锚杆达到一定长度后增长缓慢，单纯增加锚杆长度并不能有效的提高其抗拔承载力，普通(摩擦型)锚杆锚固体内杆体的轴向力及锚固体表面的粘结摩阻应力传递长度一般均不大于10～15m。超过此长度后锚杆对轴向力的传递效率急速下降。为了提高锚杆的承载能力，满足日益苛刻的设计、施工边界条件，工程技术人员研究并提出了扩孔型锚杆等基于传统摩擦型锚杆基础上的异型锚杆。其中扩孔型锚杆可在有限长度的锚固体实施范围内显著的提高锚杆的承载力。

一、扩大头锚杆作用机理

(一)　扩大头锚杆的受力组成

普通锚杆的承载力为锚杆锚固段锚固体与岩、土体的摩阻力，设计中仅考虑岩、土体与锚固段锚固体的摩阻力；而扩孔型锚杆的承载力主要由三部分组成：

(1)锚固段与土体的摩阻力。

(2)扩孔段与土体的摩阻力。

(3)扩孔端部的端承力。

扩孔型锚杆承载力提高主要由扩孔段锚固体直径增大引起的摩阻力增大，及扩孔端头与土体接触的端承力组成，其受力机理与扩孔桩、挤扩桩相近。

(二)　扩孔型锚杆的破坏形式

(1)杆体破坏：扩孔型锚杆较普通锚杆可抵抗的拉拔力有很大提高。若采用钢绞线或钢筋fyk*AS、fptk*AS小于岩、土体提供的摩擦力+端承力，则出现钢绞线断裂或钢筋达到屈服。

(2)杆体与锚固体剥离破坏：当孔直径较大时，杆体与锚固体间握裹力小于扩孔段锚固体与土体摩擦力与端承力的合，则会出现锚固体在与锚杆连接根部开裂，杆体将从扩大头中被拔出。工程实际中杆体与锚固体、扩孔段间的握裹力为限制扩孔型锚杆承载力进一步提高的一个主要限制性因素。

(3)扩孔端头土体变形：假设锚杆杆体强度和杆体与扩锚固段(扩孔段)的包裹力足够大，将出现扩孔受压端头周围土体压缩变形，从而导致基坑发生变形。

(三)　扩孔锚杆的破坏机理

上述三种破坏形式中前两种与普通锚杆相同，此处仅讨论第三种破坏形式的受力机理。

(1)锚杆所受拉力较小，锚固段和扩孔段侧壁受摩阻力，扩孔端头受静止土压力。其受力形式与普通锚杆近似。

(2)当静摩阻达到峰值以后，锚杆拉力继续增大，锚杆向外移动，扩孔端头压力增大，影响范围内土体开始产生局部塑性区。锚杆的受力变形性能由锚固段及扩孔段的摩阻与扩孔端头土体压缩性能共同决定。

(3)当扩孔端头影响范围内土体完成塑性变形后，锚杆将明显向外移动，与此同时完成塑形变形土体土体，在锚杆扩孔段压力下开始压缩，当压力进一步加大则此部分土体进入塑形变形阶段，当此部分土体完成塑形变形后，锚杆位移趋于稳定。假设锚杆外侧防护结构刚度无限大，扩孔端头的土体将继续重复土体压缩一锚固力增大一土体塑形变形(锚杆位移增大)一土体完成塑形变形(锚杆位移趋于稳定)。锚杆抗拔承载力将周期性增大。

二、扩大头锚杆承载力的计算

(一)　扩大头的基本力学模型

(二)　端压力的影响因素

目前国内还没有对端压力扩孔端头正应力。形成较为系统的理论计算依据，各种研究均形成了相对独立的计算公式。根据工程实际及实验数据，及国内相关研究其主要影响因素可归纳为以下三个参数：

(1)扩孔埋深h。在其它条件相同时，端压力σ与扩大头埋深h成正比，扩大头埋深越大，σ越大，锚杆的抗拔力越大。

(2)粘聚力c、内摩擦角。φc、φ作为岩、土体最主要的物理力学指标，其对锚杆扩孔端正应力有很大影响。

端压力。与土体粘聚力c成正比。尤其是c值很高的介质如岩石，其c值一般可达粘性土的100倍以上，因此在岩石中一个较小的扩大头即可获得很高的抗拔力。

φ是影响端压力的最主要因素之一。根据国内工程实验及研究成果表明随着φ的增大o值加大幅度明显加大，尤其是在φ值大于30°时，这种表现形式越来越明显。

简单归纳岩土体越密实、强度越大，其所能提供的压应力越大，即锚杆的抗拔力越大。

三、扩孔型锚杆的设计要点

(一)　根据结构功能设计要求，确定单根锚杆的设计抗拔力

根据地层特征、工程特征、单根锚杆承载力数值等因素综合确定扩孔段、锚固段长度、埋置深度以取得所需要的抗拔力。由于抗拔力的大小除扩大头本身的几何尺寸以外，还与扩孔段埋深和土体的密实状态有关，因此，当工程条件允许时应进行现场原位基本试验。

(二)　扩孔段的埋深

扩孔段的最小纵向埋深应不小于7～12D(D为扩孔直径)。因为在锚杆长度一定的条件下，由锚固段及扩孔段与土体摩擦提供的抗拔力为定值，如果纵向埋深过小，扩孔段影响范围内土体不能充分压缩挤密，由此提供的端承力将受到很大影响，抗拔力亦随之受到影响。

(三)　扩大头直径与长度

扩孔段直径取决于土质、设备能力和拟采用的施工工法三个主要因素。根据目前施工工艺及施工水平，一般可采用0.6～2.0m。扩孔段的最小长度由锚杆杆体与扩孔段之间的握裹力确定(其为工程实际中限制扩孔型锚杆承载力的主要因素)。增加扩孔段长度、提高锚杆杆体与扩扩孔段之间的握裹力能显著提高弹性状态下的抗拔力水平。

四、扩孔型锚杆适用条件

扩孔型锚杆使用范围广泛，对于可以采用普通锚杆的工程均可采用。除此之外还适用于下列情况：

(1)　土质条件差、深度大、临近有建筑物，对变形要求高的基坑工程，普通锚杆设置困难，或根据承载力要求锚杆设置过长、过密等情况。

(2)　锚杆所需承载力很大，普通锚杆在加密、加长后仍无法满足的工程。

五、结论

随着我国基础建设的大规模进行，锚杆支护作为一种经济有效的支护方式将会得到更广泛的应用，而扩孔型锚杆凭其独特的性能优势，也将会在越来越多的实际工程中发挥它的积极作用。扩大头锚杆具有使用条件广，受周围情况影响小，施工方便、影响小，有较高安全性等好处，可获得较好的社会效益和经济效益。