韩锋 李怀明 凌峰 袁奇 丁莹
徐州工程学院 221018
摘要：因为普通锚杆锚固段长度存在长度效应，锚固长度增加到临界长度后，承载力的增长效应就不明显了，大型工程中采用扩体锚固技术可以缩短锚固长度并能承受更大的轴力，一定程度上比传统锚杆更安全和环保，应用数字照相变形测量技术对扩体锚杆的竖直拉拔进行一系列室内模型试验得到的变形场数字图像分析结果。本文依据最小势能原理的变分法分析了扩体锚杆的轴向力和横向剪切分别换算的结构面抗减强度大小规律。
关键词：扩体锚杆；应力分布；数字照相
1引言
国外扩体锚杆技术始于20世纪70年代，我国关于扩体锚杆的工程应用相关报道始于2世纪初，扩体锚杆技术是未来锚杆技术的主要走向之一，有着比传统锚杆更安全、经济高效与环保的性能，应用领域更为广泛。对扩体锚杆的力学研究变得更为迫切。
中国京冶工程技术有限公司自2008年开始研究扩体锚杆技术方面，开发了有多重防腐功能的承压型囊式扩体锚杆，其后西见集团开发了一体化双囊式扩体锚杆和骨架囊式扩体锚杆，本文以囊式扩体锚杆为原型，研究其浅埋与深埋两种形式下的承载性能。
2 数字照相变形量测技术（1）
数字照相变形量测技术原理是利用数码相机、CCD摄像机、视频显微仪及其他照相设备等作为图像采集手段，获得观测目标的数字图像，然后，利用数字图像处理与分析方法，对观测目标进行变形分析或特征识别的一种现代量测新技术。它在材料变形及其破坏演变过程的全程观测与宏、细观力学特性研究方面都具有突出的优越性。
产品创新性：
1、软件小巧，功能强大，易学易用
2、具有网格分析与散点分析功能，网格分析用于应变场等全域变形场分析，而散点功能则用于用户指定的测点快速分析。
3、对岩土材料的变形模式专业分析功能。
4、复杂模型边界的灵活处理功能，可导入由ANSYS有限元软件生成的网格，来作为隧道、边坡等含复杂内外边界的模型。
5、具有岩石、混凝土及相似材料等裂隙特征明显的材料变形分析功能。
6、因图像噪声等原因产生的图像分析结果误差的检查与快速校正功能。
7、具有矢量图、等值线和云图等数据后处理及图文数据批量提取功能
3 试验设备
数码单反相机、电子位移传感器、锚杆拉拔台车、锚杆模型、分层试验砂箱。扩体锚固段长度采用80mm，直径取40，50，60mm的钢制半圆柱体模型。
4 模型试验
4.1模型制备
试验介质采用分层组装式试验砂箱，砂箱的一个侧面用1000mm×1000mm×10mm（宽×高×厚）的透明钢化平板玻璃砂箱组装部分是由5cm的等边角钢框拼装成。角钢框架的拼接可以调整扩体锚杆的埋深。试验中，砂箱的最大尺寸为：1000mm×800mm×1000mm（长×宽×高）。
4.2试验步骤
（1）在扩体锚杆半模型的平面部分涂上凡士林以减少其与玻璃介质表面的摩阻力，然后将锚杆半模型的平面部分紧贴玻璃内表面的竖直中线处。
（2）每层模拟地基土设置一条由黑色中砂形成的变形观测线。
（3）在透明玻璃外侧画四条等距水平线，在锚杆提升过程中作对照，方便变形量测分析。
（4）定位好锚杆拉拔试验台车并安装好锚杆拉力计和电子位移计，将拉力计与位移计调零。
（5）将数码相机放置在玻璃正前方，调整好相机高度和与砂箱的间距。
（6）开始试验，记录拉力计与位移计的数值并拍摄图像。
（7）应用图像处理软件对图像进行处理分析。
4.3扩体锚杆轴向力和横向剪切力（2）
结构面在剪切荷载的作用下会产生剪切位移和法向位移，同时锚固构体中的锚杆产生轴力增加和横向剪切力，在此情况下锚杆会产生轴向和垂直两个方向的位移，锚杆会发生类似“S”的变形。设结构面剪切位移为，法向位移为，锚杆倾角为a。
） 
式中： ， 为结式中： 为杆屈服应力； 为扩体锚杆屈服时轴向力； 为扩体锚杆屈服时横向剪切力； 为扩体锚杆屈服时最大弯矩； 为体锚杆结构面面积。
5.试验结果及分析
扩体锚杆在工程应用中应深埋，相比于普通锚杆，同样长度锚固段，扩体锚杆在拉拔过程中对土体破坏面相对要小，本文除了研究了浅埋、深埋扩体锚杆拉拔过程中承载变形特征和各阶段对应的破坏面形态与位移场特征，还研究了扩体锚杆在剪切荷载作用下的剪切位移和法向位移。根据荷载-位移曲线图可以发现当扩体锚杆达到极限承载力之后均会出现小幅度升高的性态；根据相机照片可以发现当随着扩体锚杆的拉拔提升，锚周土体位移影响范围逐渐扩展，当达到极限承载力之后，这一范围内的土体被挤密压实，封闭破坏体不再进一步增大。
6结论
垂直拉拔试验和剪切数值计算可以发现锚周土体剪切带呈竖直狭长的带状，当扩体锚杆达到极限承载力后，破坏体外土体不再发生剪切应变，但破坏体内一部分土体会发生剪应变急剧增大。锚杆的锚固段存在塑性变形区和弹性变形区，剪应力在弹性变形区与塑性变形区的交界处达到最大值。随剪应力不断增大，剪应力峰值转移向弹性区深部。扩体锚杆的最大应力处不在锚端，而在近锚端处。工程应用中，为预制和施工方便可以将扩体设置在锚端，锚固段长度也不是越长越好，应根据现场围岩的自稳性合理设计锚固段长度。根据扩体锚杆轴力和横向剪切力理论模型，发现结构面剪胀性建立的结构面抗剪强度计算公式与实验结果较吻合。
参考文献：
[1]李元梅.数字照相变形量测技术及在岩土模型实验中的应用研究[J].结构工程，上海：同济大学，2013
[2]郭钢，刘钟.不同埋深扩体锚杆竖向拉拔破坏模式实验研究[J].中冶建设研究总院有限公司.北京，2014，42（1）：123
[3]程文强，贾志欣.剪切过程中锚杆的轴向和作用分析[J].岩土工程，天津：天津理工大学，2015
作者简介：
韩锋（1995.08--）；男，江苏省宿迁人，本科，徐州工程学院土木工程学院学生；
李怀明（1994.05--）；男，江苏省连云港，本科，徐州工程学院土木工程学院学生；
凌峰（1995.07--）；男，江苏省泰州，本科，徐州工程学院土木工程学院学生；
袁奇；女，本科，徐州工程学院土木工程学院学生；
丁莹；女，本科，徐州工程学院土木工程学院学生。
论文作者:韩锋,李怀明,凌峰,袁奇,丁莹
论文发表刊物:《防护工程》2018年第9期
论文发表时间:2018/9/7
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