土层锚杆锚固特性试验研究

土层锚杆锚固特性试验研究

0土层锚杆锚固机理层压结构技术广泛应用于我国的边坡工程、基础维护工程和地下建设项目中。但是，目前对于土层锚杆锚固机理研究在宏观试验和有限元方法等连续介质力学等方面研究居多，应用离散元法对锚-土接触面研究的成果相对较少，并且主要从二维角度阐述土层锚杆锚-土界面细观力学机理1室内拉伸试验1.1样品制备依据颗粒分析试验结果确定试验用土为粉质砂土，属粗颗粒土；通过击实试验测得最优含水率为8.45%，最大干密度为2.03g/cm1.2室内拉拔试验试验加载设备主要由围压室、铝制底座、锚杆夹具、对中装置及力传感器等构成，拉拔测试系统如图2所示。试样安装完成以后，通过加压设备进行液体加压，当围压值满足试验所需时，系统自动停止加压并开启自动补偿机制，以保证试样所受压力始终保持设定值。随后启动室内拉拔测试系统，加载装置中的电动升降结构带动加载底座以恒定速度0.8mm/min持续下降，由于围压室等限制作用，试样随之被下拽，锚-土界面的力通过钢筋、钢筋夹具和力传感器传至反力装置，并通过数据采集仪器采集力与位移数据。考虑到锚固体所处应力状态及土样含水率对土层锚杆锚固特性的影响，本试验配置并制作了含水率为6%、8%和10%的锚杆试样，并分别对埋置其中的锚杆进行不同应力状态下的拉拔试验。具体试验工况见表1。2室内试验结果分析2.1土层锚杆抗拔力随试验初期的变化情况为了研究不同应力状态下，土层锚杆的锚固特性，针对3种不同含水率的试样，分别进行了围压为100kPa、200kPa和300kPa的土层锚杆拉拔试验。由试验结果得到了锚杆拉拔力-位移关系曲线，如图3所示。土层锚杆在不同应力状态下的拉拔力与锚固体轴向位移关系曲线如图3所示。可以发现：(1)试验初期阶段，土层锚杆拉拔力随着锚固体轴向位移的增加而不断增大，随着试验的进行，土层锚杆抗拔力基本达到峰值且趋于稳定。(2)当土样含水率一定时，土体所受应力状态对锚杆试样的极限抗拔力影响较大，即围压越高，土层锚杆的极限抗拔力越大。以图3(a)含水率为8%的试样为例，当围压分别为100kPa、200kPa以及300kPa时，试样的极限抗拔力依次为1409.81N、3368.74N和5409.99N，较低围压状态而言，围压200kPa及300kPa条件下的试样的极限抗拔力分别是100kPa状态下试样的2.39倍和3.84倍。造成这一现象的原因是：围压较高条件下土颗粒排列更加紧凑和密实，土体抵抗外部变形的能力较大，表现为土层锚杆抗拔特性的提高。这说明土层锚杆极限抗拔力与其所处土层应力状态有关，在一定范围内改善土层锚杆所处的应力状态，有利于增强土层锚杆锚固体与土体的摩阻力，从而提高锚杆的支护效果。2.2土层锚杆极限抗拔力图4为锚杆试样极限拉拔力与含水率之间的关系图。由图4可以看出，锚杆试样在相同围压条件下，其极限抗拔力随含水率的增大呈现出先增加后减少的趋势。当含水率为8%时，土层锚杆的极限抗拔力最大。以围压300kPa为例，含水率自低到高条件下，试样的极限抗拔力依次为4679.32N、5409.99N以及4857.12N，与含水率为8%的试样相比，6%和10%试样的极限抗拔力分别减少了13.51%和10.22%。这说明在土层锚杆施工过程中，当土质含水率接近其最佳含水率时，锚杆的支护效果比较好3锚土界面的三维流预览模拟3.1土层锚杆作用机理为了进一步从细观角度分析锚-土界面剪应力分布特征及其传递规律，研究土层锚杆的作用机理，论文建立与室内试样尺寸相同的数值模型。鉴于颗粒过多会造成计算效率降低且对模型计算精度的提高不大，根据孙其诚等3.2数值模拟结果的可靠性由于离散元数值模拟是通过一定的颗粒组成来模拟土体的宏观行为，所以细观参数的确定对数值模拟结果的可靠性尤为重要=0.0987x+0.0951根据《地基与基础》中可知砂土的泊松比在0.2～0.25之间，由上式可计算出砂土的刚度比在1.07～1.57之间。另外本文锚固体细观参数参考4数值模拟结果的分析4.1应力条件下极限抗拔力与位移的对比曲线为验证所建细观数值模型的可靠性，图9给出了室内试验与数值模拟在不同应力条件下的极限抗拔力与位移的对比曲线。由图9可以看出室内试验得出的不同应力状态下含水率为8%时锚杆极限抗拔力与数值模拟结果非常接近且规律相似，这说明该离散元细观模型能有效的模拟土层锚杆拉拔试验过程。4.2拉拔试验阶段下锚固体内部剪应力的变化针对不同应力状态下土层锚杆拉拔过程中剪应力大小沿锚固体轴向方向的分布规律进行分析，监测球A、B、C及D处X-Z方向剪应力-位移曲线如图10所示。由图10可以得到，X-Z方向剪应力沿锚固体轴向并非均匀分布，而是呈现出不断变化的曲线形。在加载过程中剪应力达到峰值以后，随着锚杆轴向位移增大，剪应力逐渐减小，并很快降至0，即出现剪应力中性点；达到中性点以后，剪应力反向增至最大值，随后逐渐减小并趋于稳定。这是因为在拉拔试验初期，锚固体附近土颗粒受到挤压变得密实，颗粒间的剪应力逐渐增大，随着拉拔试验进行，土颗粒开始掉落，土颗粒之间的孔隙变大，剪应力逐渐降低，并最终趋于稳定状态。由图11可以看出，峰值剪应力并未出现在锚固段顶部，而是位于距离起点较近的监测球C（距顶部约3cm）处，即剪应力沿着锚固体自上l而下呈现出先增大后减小的趋势。当围压分别为100kPa、200kPa和300kPa时，监测球C处的峰值剪应力依次为31.02kPa、63.60kPa及78.83kPa，与200kPa及300kPa相比，土层锚杆处于100kPa时改变土层应力状态对锚杆的峰值剪应力影响较大。这说明围压的增大必然导致锚-土界面峰值剪应力的增加，由此可以看出，土体变形因受到约束而产生的正应力有利于提高土层锚杆的抗拔强度。5土层锚杆支护效果分析本文通过锚-土界面拉拔试验并结合颗粒流程序对锚杆极限抗拔力及锚-土界面的剪应力分布及其传递规律进行研究分析，主要结论如下：a、在土样含水率一定条件下，土体所受应力状态对锚杆试样的极限抗拔力影响较大，即围压越高，土层锚杆的极限抗拔力越大。这说明锚杆极限抗拔力的大小与锚杆所处土层应力状态相关，在一定范围内改善土层锚杆所处的应力状态，有利于增强锚杆的支护效果。b、在相同围压条件下，土层锚杆的极限抗拔力随含水率的增加呈现出先增大后减少的趋势。当土层锚杆的含水率为8%时，土层锚杆的极限抗拔力最大，说明在土层锚杆施工过程中，当土质含水率接近其最佳含水率时，锚杆的锚固效果比较好。c、X-Z方向剪应力沿锚固段并不是均匀分布的，而是呈现出不断变化的曲线形。在加载过程中，所受剪应力达到峰值以后，随着锚杆轴向位移增大逐渐减小，并很快降至0，之后剪应力反向增至最大值，最终