充氣錨桿在砂土中變形與承載特性試驗研究

曹佳文，彭文祥，彭振斌，何忠明，尹泉

（1. 中南大學 地球科學與信息物理學院，湖南 長沙，410083；2. 長沙理工大學 交通運輸工程學院，湖南 長沙，410004）

充氣錨桿在砂土中變形與承載特性試驗研究

曹佳文1，彭文祥1，彭振斌1，何忠明2，尹泉1

（1. 中南大學 地球科學與信息物理學院，湖南 長沙，410083；2. 長沙理工大學 交通運輸工程學院，湖南 長沙，410004）

為研究充氣錨桿的變形特性及其對承載力的影響，通過建立室內模型，基于模型壓力與體積的關系，測定橡膠膜在加壓作用下變形的形狀與大小；在此基礎上，根據抗拔試驗，獲得典型荷載?位移曲線，探討充氣錨桿的錨固機理與承載特性。研究結果表明：充氣錨桿橡膠膜膨脹體呈圓柱狀，可以應用圓孔擴張理論計算充氣壓力與膨脹體積的關系，預測極限充氣壓力；充氣錨桿在壓力作用下形成較大的膨脹體，可獲得較大的端阻力；隨著充氣壓力的增加，橡膠膜側向土體應力轉化為第一主應力并達到極限壓力，同時對周邊的砂土產生壓縮擠密作用，提高了砂土的強度，側阻力提高幅度較大，與一般錨桿相比充氣錨桿具有較大的承載能力。

充氣錨桿；變形特性；圓孔擴張；承載特性；抗拔試驗

充氣錨桿是一種新型擴大頭錨桿，是根據土體在壓力作用下可產生擠壓變形的特性而研發的。簡單地說，充氣錨桿就是在錨桿端部外套高強度、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，將錨桿安置在土體中后，從鋼管口對其進行高壓充氣，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圓柱或腰鼓狀的擴大頭錨固段。充氣錨桿的提出源于對海洋工程的研究，為海底施工作業和機器（機器人）提供抗浮錨固力。國外對其研究剛剛起步。Newson等[1]于2000年進行了充氣錨桿的簡單室內試驗，得出充氣錨桿的抗拔承載力主要與砂的密實度、充氣壓力、錨桿長度、錨桿埋設深度、橡膠膜厚度、粗糙度等有關，并通過與螺旋錨桿的對比試驗，得出相當條件下充氣錨桿的極限抗拔承載力是螺旋錨桿的4倍；Newson等[2]又于2003年進行了充氣錨桿在近海岸軟土中的試驗，對在排水與不排水條件下抗拔力與位移的關系進行了研究，對超孔隙水壓力對錨桿抗拔力的影響也進行了試驗研究，得出超孔隙水的消失可以使錨桿承載力提高30%；Newson等[3?4]還用Plaxis有限元程序對充氣錨桿進行數值分析，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，并進一步提出了錨桿的有效長度問題。彭文祥等[5?6]對充氣錨桿的發展現狀進行了總結，并通過建立充氣錨桿的數值模擬單元，探討了錨桿充氣長度和充氣壓力對錨固力的影響。充氣錨桿具有可回收性、可再次利用性、施工后可立即施加錨固力等特點，且可根據實情受力情況增減錨固的應力，其承載機理與一般錨桿的承載機理存在明顯差異。已有的研究主要集中于對極限承載力影響因素的分析，而對充氣錨桿在壓力作用下的變形及其力學特性研究較少。在此，本文作者從室內試驗著手，建立室內充氣錨桿模型，通過實測橡膠膜在充氣壓力作用下的變形大小與形狀，及由其產生的土體附加應力，分析充氣錨桿的變形特點，在此基礎上通過抗拔試驗探討充氣錨桿的錨固機理與承載特性。

1 試驗方案設計

1.1 充氣錨桿模型結構

試驗在1個長方體形（長×寬×高為1.2 m×1.2 m× 1.0 m）鋼槽中進行。為了消除邊界效應的影響，模型錨桿在膨脹后的總半徑需小于鋼槽等效半徑的1/10。試驗錨桿選用直徑為27 mm的無縫不銹鋼鋼管作桿徑，壁厚為3.0 mm，長約1.2 m，底端密封，距桿底約5.0，12.5和20.0 cm處錯開，各加工2個直徑為4 mm進氣小孔，錨桿上部依次安裝壓力表、密封閥、進氣管、泄氣閥及吊環。底部用橡膠膜管將小孔部分套住，采用不銹鋼環扣卡緊，充氣后形成擴大頭錨固體，如圖1所示。

圖1 充氣錨桿實物圖Fig.1 Inflatable anchor

1.2 試驗裝置

試驗用到的主要儀器有：用于測定抗拔力的WTP301S形拉壓稱重傳感器與PY500智能數字壓力表；用于測量位移及橡膠膜變形的JMDL?2100智能數碼位移計；用于測定土體應力的BX?1土壓力盒；用于采集試驗數據的JMZX?3001綜合測試儀、DH3816靜態電阻應變儀與計算機數據采集系統；用于測量充水體積的量筒（有機玻璃管），以及其他諸如加壓氣罐、加載滑輪組、工字鋼梁、角鋼架、鋼尺等輔助設備。圖2所示為充氣錨桿的試驗裝置模型。

圖2 試驗裝置模型圖Fig.2 Equipment schematic diagram

1.3 砂土的物理力學性質

試驗土料為中粗砂，取自河灘，經自然風干后過直徑為5 mm的篩，其有效粒徑d10=0.23 mm，限定粒徑d60=0.61 mm，不均勻系數Cu=2.65。其基本物理力學參數見表1。

表1 試驗砂土的物理力學參數Table 1 Engineering properties of sand

試驗時利用分層砂雨法模擬天然砂土層，控制在一定高度以得到相同的土體密度。

1.4 橡膠膜的力學性質

試驗采用的橡膠膜為高氣密性丁基膠管。為測定其力學性質，從中切出1條長約20.0 cm（有效長度）、寬1.5 cm、厚1.0 mm的樣條進行拉伸試驗，其應力與應變關系如圖3所示。由圖3可知：橡膠膜應力?應變關系呈非線性變化。

圖3 橡膠膜應力與應變的關系Fig.3 Relationship between stress and strain for rubber specimen

1.5 試驗步驟

試驗分2部分進行。

（1） 測定壓力與變形及土體附加應力關系。膨脹介質為清水。試驗步驟為：清理試驗槽→錨桿定位→安裝位移傳感器→分層篩砂至設計埋深（其間在相應位置安裝土壓力盒）→量筒裝水并連接錨桿→記錄各儀器初始值→連接氣源分級加壓→分級記錄量筒水位、位移計讀數、附加土應力。

（2） 進行抗拔試驗。膨脹介質為空氣。試驗步驟為：清理試驗槽→錨桿定位→分層篩砂至設計埋深→安裝錨桿位移計與拉力傳感器→記錄各儀器初始值→錨桿連接氣源→充氣加壓至設計壓力后關閉錨桿密封閥→分級加載抗拔試驗。

2 壓力、體積與變形分析

2.1 壓力與體積試驗曲線

通過高壓管將裝滿清水的量筒底部與錨桿相連，當錨桿管徑內注滿清水后關閉錨桿上端閥門，記錄量筒內的初時水位，然后，將量筒上端連接氣壓源，量筒內清水在氣壓作用下進入錨桿內使得橡膠膜膨脹。采用分級加壓方式，記錄各級壓力下量筒內水位下降值即可求得橡膠膜膨脹體積。橡膠膜壓力與體積的關系如圖4所示。

圖4 橡膠膜壓力與體積的關系Fig.4 Relationship between typical pressure and volume for membrane

由圖4可見：當充氣壓力低于50 kPa時，充水體積較小；當充氣壓力大于50 kPa時，隨著壓力的上升，充水體積開始穩步增加；當充氣壓力大于110 kPa時，充水體積的增幅迅速加大。以上充氣壓力與充水體積的關系反映了砂土應力狀態的變化，即在加壓初期，砂土處于彈性變形狀態，隨著壓力增大，砂土得到壓密進入塑性變形狀態，當壓力達到某一較大值時，砂土接近破壞狀態，進入到塑性流動階段，即充氣壓力存在一個極限壓力。

2.2 膨脹體變形測定

為測定橡膠膜變形特性，在橡膠管下中上位置（距底3.0，6.5，10.0，13.5，17.0 cm處）兩邊共放置5個位移計，編號為646，797，656，779和645。分級加壓時，各位移傳感器測定橡膠膜的膨脹位移，測量結果如圖5和表2所示。

圖5 橡膠膜徑向位移與充氣壓力的關系Fig.5 Relationship between radial displacement and pressure for membrane

表2 充氣壓力與徑向位移Table 2 Pressure and radical displacement mm

從圖5和表2可見：橡膠管在50 kPa壓力下膨脹變形較小；隨著壓力的進一步增大，變形程度迅速加劇；變形形狀上端略大，下端略小，整體呈近似圓柱狀，可以等效圓柱體進行分析。膨脹體在100 kPa內的各級壓力下變形及等效圓柱體示意圖見圖6。

圖6 橡膠膜變形示意圖Fig.6 Membrane shape schematic during inflating

2.3 徑向應變與土體附加應力關系

在充水過程中，在橡膠管周邊位置（距中間2.0，20.0和40.0 cm處）兩邊共放置4個土壓力盒（圖7）以測量土體在橡膠膜膨脹過程中的附加應力變化關系，其結果見圖8。由圖8可知：在橡膠管膨脹過程中，周邊土體產生的附加應力在靠近橡膠膜附近較大；當遠離橡膠膜時，附加應力迅速減小。如當徑向應變約1.0時，距橡膠膜約2.0 cm處的附加應力約30 kPa，在距橡膠膜約20.0 cm處的附加應力約為3.0 kPa，在距橡膠膜約40.0 cm處的附加應力僅0.25 kPa。這也說明了本試驗裝置的鋼槽邊界對試驗結果基本沒有影響。

圖7 土壓力盒安裝位置圖Fig.7 Installation position of earth pressure cells

圖8 橡膠膜徑向應變與附加應力的關系Fig.8 Relationship between additional stress and radial strain for membrane

2.4 變形理論分析

通過以上分析可知：充氣錨桿在充氣壓力作用下的膨脹過程呈近似圓柱體狀展開，因此，可以應用圓孔擴張理論進行分析。圓孔擴張理論是1945年Bishop基于金屬壓痕問題的研究而提出的一種分析方法。該理論引入到巖土工程領域始于20世紀60年代，并在隨后的幾十年得到了廣泛應用，如用于分析旁壓試驗結果[7?8]、樁的承載力[9]、靜力觸探[10]等。

應用圓孔擴張理論，根據土體的物理力學性質，可以分析膨脹初期階段的充氣壓力與膨脹體積的關系，分析膨脹體周圍土體的應力應變狀態，預測極限充氣壓力，并進一步估算充氣錨桿極限承載力等。

3 承載特性分析

3.1 典型抗拔Q?s曲線

在相同的條件下（橡膠膜長度L＝20 cm，埋置深度H＝40 cm，橡膠膜厚度t＝2 mm，土的密度ρ＝1.52～1.54 g/cm3，充氣壓力p＝100 kPa）進行3次拉拔試驗，得到錨桿抗拔力與位移關系如圖9所示。各極限荷載與最大位移見表3。

從圖9與表3可見：充氣錨桿在相同條件下的試驗結果較為一致，說明了充氣錨桿抗拔試驗曲線具有較好的規律性。

圖9 抗拔力與位移曲線Fig.9 Relationship between force and displacement

表3 極限荷載與位移Table 3 Ultimate force and distance

3.2 錨固機理分析

3.2.1 充氣膨脹階段

根據前面的變形分析及圓孔擴張理論可知：充氣膨脹后形成一個圓柱狀擴大頭。在充氣過程中，錨桿橡膠膜與周圍土體之間接觸面的正應力不斷增大，最大達極限壓力pu；橡膠膜與周邊土體接觸的面積也不斷增大，直到橡膠膜的極限面積。周圍土體在橡膠膜膨脹作用下產生壓縮變形，對砂性土體來說，產生擠密作用，土體力學強度得到較大提高。

3.2.2 抗拔階段

由于土體材料及橡膠膜同時具有黏性、彈性、塑性，所以，錨桿的受力變形表現出一種非線性。從圖9可以看出曲線存在2個明顯的轉折點：在加載初期，錨桿位移較小，錨桿承載力由錨桿自重、錨桿自由段與砂土的側摩阻力、錨桿膨脹體端阻力組成；當荷載增加到約100 N時，膨脹體的端阻力達到極限使端部土體產生屈服，曲線發生第1個轉折點，之后錨桿橡膠膜膨脹體與土體之間的剪應力開始發揮作用；隨著荷載的增加，橡膠膜上部在拉力作用下發生近似彈性變形，變形量與荷載呈近線性變化，此時，錨桿的位移主要來自橡膠膜的變形，變形量較大；同時，膨脹體中下部周圍土體的剪應力也不斷增大，當剪應力達到極限時，膨脹體與土體之間產生滑動，荷載位移曲線發生第2個轉折點，位移急劇增大，錨桿被拉出而破壞。

3.3 極限承載力估算公式

充氣錨桿的實質是端頭擴大型錨桿。針對擴大頭錨桿極限抗拔承載力的估算，劉明振等[11?13]等對其極限承載力的主要影響因素進行了探討；一些研究者也借鑒擴大頭樁基礎的抗拔承載力公式進行估算，比較典型的有摩擦圓柱法、Meyerhof-Adams法等[14]，其共同點是擴大頭極限抗拔承載力主要由擴大頭端阻力與側表面與土體的摩阻力組成，其通用公式如下：Qu為錨桿極限抗拔承載力；Qp為錨桿的擴大頭圓柱體端阻力；Qs為錨桿擴大頭圓柱體側阻力；D為擴大頭圓柱體直徑；d為錨桿拉桿直徑；L為擴大頭長度；qs為錨固體與周圍巖土體間的黏結強度，與擴大頭周邊土體應力、擴大頭與土體的摩擦因數等相關；H和γm分別為錨固段上覆土層厚度與加權平均重度；βc為擴大頭承載力系數，與擴大頭直徑、埋深及摩擦角等因素相關[15]。

充氣錨桿擴大頭呈橢圓柱體，根據充水壓力與體積的關系，按等體積原則，以圓柱體代替橢圓柱體，故其極限抗拔承載力亦可按式（1）進行估算。與其他類型的擴大頭相比，其差別主要體現在qs上。根據充氣錨桿的特點，qs可按下式進行計算：

式中：p′為作用于橡膠膜與土體之間的純壓力；δ為橡膠膜與土體之間的內摩擦角。考慮到p′為極限壓力，為土體第一主應力，與普通錨桿的靜止土壓力相比大得多，且膨脹體周邊土體受到壓縮擠密作用，提高了力學強度，因而，充氣錨桿的側阻力比普通錨桿的側阻力高很多，這是充氣錨桿的優點之一。

3.4 失效形式分析

充氣錨桿抗拔力由桿體抗拉強度、橡膠膜的抗拉強度、膨脹體與周圍土體的抗拔強度確定。其中，膨脹體與周圍土體的抗拔強度最小，所以，錨桿的失效形式主要為膨脹體與土體的滑移，個別為橡膠膜被拉斷或被刺破而失效。

4 結論

（1） 充氣錨桿在土體中的膨脹變形呈近似圓柱體狀，土體附加應力隨壓力增加而增大，但存在1個極限應力。

（2） 可以應用圓孔擴張理論分析充氣錨桿膨脹初期階段的充氣壓力與膨脹體積的關系，分析膨脹體周圍土體的應力應變狀態，預測極限充氣壓力。

（3） 充氣錨桿的極限承載力主要由端阻力與側阻力組成。在承載初始時，主要是端阻力發揮作用；當加載到一定值時，端阻力達到極限值，側阻力起主要作用。

（4） 充氣錨桿在壓力膨脹作用下，周邊砂土產生壓縮擠密作用，使砂土的力學強度提高；同時，隨著充氣壓力的增加，橡膠膜側向土體應力轉化為第一主應力并達到極限壓力，與普通錨桿的靜止土壓力相比大得多，因而，充氣錨桿的側阻力比普通錨桿的側阻力高許多。

（5） 充氣錨桿的變形主要來自橡膠膜的彈塑性變形，當變形量較大時，存在被刺破失效的破壞形式。這是充氣錨桿不足之處，宜進一步改進錨桿結構設計。

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（編輯 陳燦華）

Experimental study on deformation and bearing features of inflatable anchors in sands

CAO Jia-wen1, PENG Wen-xiang1, PENG Zhen-bin1, HE Zhong-ming2, YIN Quan1
（1. School of Geosciences and Info-Physics, Central South University, Changsha 410083, China;
2. School of Communication and Transportation Engineering, Changsha University of Science and Technology, Changsha 410004, China）

In order to analyze the deformation characteristics of inflatable anchor and its influence on the bearing capacity, the deformation of membrane was measured during inflating according to the relationship between pressure and volume based on the laboratory model test. The typical load?displacement curves of inflatable anchor were obtained through the pullout test, and its anchoring mechanism and bearing features were discussed. The results show that the shape of the inflatable membrane is approximately cylindrical and the relationship among inflated pressure and volume and ultimate inflatable pressure can be calculated in advance using the cavity expansion theory. A large tip resistance is obtained from the expander body of inflatable anchor. As the lateral pressure of the soil changes into the first principal stress and the compact effect on the soil during the inflating of inflatable anchor, the shaft resistance of the inflatable anchor is greatly improved. The inflatable anchors have a higher bearing capacity than common anchors.

inflatable anchor; deformation characteristics; cavity expansion; bearing features; pullout test

TU473

A

1672?7207（2011）05?1369?06

2010?06?10；

2010?08?28

國家自然科學基金資助項目（50878212）

曹佳文（1979?），男，湖南永興人，博士研究生，工程師，從事巖土工程研究；電話：13080535530；E-mail： caoao@163.com