充气锚杆加固软土地层的试验研究

目录：第一章充气锚杆国内外研究现状简介第二章充气锚杆室内模型试验研究第三章充气锚杆现场试验研究第四章充气锚杆锚固理论初探第一章、充气锚杆的国内外研究现状简介1.1充气锚杆简介充气锚杆是一种全新概念的新型锚杆，它是充分利用软土在压力作用下可产生挤压变形的特性研发而成的。简单地说，充气锚杆就是在锚杆端部外套0.31.0米长的橡胶膜，锚杆采用钢管，外表粗糙的橡胶膜套在钢管外部，上下两端用钢环紧固在钢管上，在包橡胶段的钢管部分钻适量小孔(供充气用)，将锚杆安置在软土中后，对其进行高压充气，锚杆端部橡胶膜(膜厚24mm)在高压气体下膨胀，挤压周围土体形成一个腰鼓状的空腔，再将空腔内用水充满，形成一个不可压缩的扩大头，充气锚杆示意图如图1.1所示，实物图如图1.2所示。在锚头受拉过程中，充气锚杆橡胶膜的变形示意图如图1.3所示。图图1.1充气锚杆示意图充气锚杆示意图图图1.2 国外充气锚杆实物图国外充气锚杆实物图图图1.3 受拉过程中充气锚杆橡胶膜的变形受拉过程中充气锚杆橡胶膜的变形与其它类型锚杆相比，充气锚杆有它自身的特点，主要表现在：可广泛应用于软土工程地质条件中，且能提供较大的抗拔力；施工简便，快捷，易操作；用材简单，并可回收利用，能大大节约工程成本；锚杆施工完毕可立即提供全部锚固力，不必像象其它注浆锚杆那样需要等达到强度，大大节约了施工工期；无废液、废气、无噪音、施工环保；橡胶膜在受拉过程会产生较大拉伸变形，对其进行预张拉，消除其大部分变形，这样可以将被动的支护体系变为主动的支护体系，同时可根据变形控制需要对锚杆进行多次张拉，以满足工程安全；可在水下施工，为海洋、港口水下作业机器提供抗浮锚固力。充气锚杆的提出源于海洋工程中，为在海底施工作业和机器（机器人）提供抗浮锚固力，澳大利亚undee大学土木工程系TimNewson博士和他的学生StephenT.Gallacher于2000年开始进行充气锚杆的室内试验，其试验主要包括三个方面：与螺旋锚杆进行对比试验；进行了一系列的软土和砂的充气锚杆小比例模型试验（对锚杆不同的埋设深度、长度、不同特性的软土（砂）、橡胶膜不同的粗糙度、不同的充气压力；对充气锚杆抗拔承载力的试验值和计算值进行比较分析。StephenT.Gallacher博士运用MeyechofandAdams理论得出了充气锚杆抗拔承载力与锚杆长度、埋深、摩擦间表面积充气压力等相关的经验公式。澳大利亚Dunkee大学土木工程系的.Newson博士和F.W.Smith博士以及澳大利亚ScoltOffshoreMS公司的P.Brunning博士于2003年进行了充气锚杆在近海岸软土中的试验研究，试验对在排水与不排水条件下及锚杆充气与不充气条件下，抗拔力与位移的关系进行了较深入的研究，对超孔隙水压力对锚杆抗拔力的影响也进行了试验研究，得出超孔隙水的消失可以使锚杆承载力提高30%，并根据腔体膨胀理论得出了充气锚杆的极限充气压力公式和抗拔承载力估算公式。2007年加拿大西安大略大学地质研究中心的S.Hinchberger博士和Y.Lang博士利用TimNewson博士的试验数据，对充气锚杆用PLAXIS有限元程序进行数值分析，得出锚杆长度、埋设深度、充气压力、土体密度、橡胶膜外表粗糙度等诸多影响锚杆抗拔力的因素中，锚杆长度是最主要的影响因素，这一分析结论与试验所得出的结果吻合。同时，数值分析也表明：在充气压力一定时，不同土体，锚杆的抗拔承载力差别很大；短锚杆（L=100mm）几乎全长受力，长锚杆（L=200-300mm）只在锚杆充气段上部分受力，进而提出了锚杆的有效长度问题。目前，在国内对充气锚杆进行研究的只有中南大学地球科学与信息物理学院彭文祥副教授领导的团队，他申请到的国家自然科学基金题目为：充气锚杆在软土中的锚固机理与数值模拟方法研究，本人排名第五，主要参与了充气锚杆的室内试验和现场试验研究。第二章充气锚杆室内模型试验研究2.1室内试验方案设计2.1.1充气锚杆结构类型试验锚杆选用27无缝不锈钢钢管作杆径，壁厚3mm，长1.2m，底端密封，距杆底约5、12.5、20cm处错开各加工2个4mm进气小孔，距杆底0.9m处安装压力表1只，压力表上部（约0.50m处）安装密封阀，密封阀上（约0.5m处）加工充气（水）进口管，顶部安装泄气阀及吊环。底部开小孔部分为锚杆膨胀体位置，膨胀体采用厚约1mm的双层橡胶膜，采用不锈钢环扣卡紧，如下图2.1所示（已申请专利）。图2.1自行设计的充气锚杆实物图2.1.2试验装置试验在一个长方体形（长宽高1.2m1.2m1.0m）钢槽中进行。试验用到的主要仪器有：用于测定抗拔力的WTP301S形拉压称重传感器与PY500智能数字压力表，用于测量位移及橡胶膜变形的JMDL-2100智能数码位移计，用于测定土体应力的BX-1土压力盒，用于采集试验数据的JMZX-3001综合测试仪、DH3816静态电阻应变仪与计算机数据采集系统，用于测量充水体积的量筒（有机玻璃管），以及其他诸如加压气罐、加载滑轮组、工字钢梁、角钢架、钢尺等辅助设备。图2.2、图2.3分别为充气锚杆的试验装置模型图及照片。图2.2充气锚杆的试验装置模型图图2.3试验装置照片2.1.3砂土的力学性质试验土料为中粗砂，取自河滩，经自然风干后过5mm筛，其不均匀系数Cu=2.65，d10=0.23mm，d60=0.61mm。其基本物理力学参数见表2.1。试验时利用分层砂雨法模拟天然砂土层，控制在一定高度以得到相同的土体密度。2.1.4橡胶膜的力学性质橡胶膜的力学性质试验采用的橡胶膜为高气密性丁基胶管，为测定其力学性质，从中切出一条长约20cm（有效长度）、宽1.5cm、厚1mm的样条进行拉伸试验，其应力/应变曲线如图2.4，由曲线可知其弹性模量（E）约为7.36MPa。由于橡胶膜的非线性，弹性模量为曲线全长的平均模量。图2.4橡胶膜应力/应变曲线2.1.5试验步骤试验分两部分进行：第一部分主要测定压力与变形及土体附加应力关系，膨胀介质为清水。试验步骤为：清理试验槽锚杆定位安装位移传感器分层筛砂至设计埋深（其间在相应位置安装土压力盒）量筒装水并连接锚杆记录各仪器初始值连接气源分级加压分级记录量筒水位、位移计值、附加土应力值。第二部分主要进行抗拔试验，膨胀介质为空气。试验步骤为：清理试验槽锚杆定位分层筛砂至设计埋深安装锚杆位移计与拉力传感器记录各仪器初始值锚杆连接气源充气加压至设计压力值后关闭锚杆密封阀分级加载抗拔试验。2.2充气锚杆承载性能因素分析影响充气锚杆承载性能的因素很多，试验选取其主要因素如充气压力（P）、埋置深度（H）、土的密度（）、橡胶膜长度（L）及厚度（t）等进行研究。为了对比分析，试验在大部分条件是相同的情况下，改变其中的某一主要因素，进行一系列抗拔试验。试验始于200mm的锚固段及不同的充气压力，然后是不同的埋深，再是改变土的密度度，接着是变化橡胶膜长度、厚度进行试验。试验中用到的膨胀介质主要为空气，部分试验采用了水。所有试验都达到破坏状态，破坏标准是锚杆被拔出至土面或位移显著增大。在进行抗拔试验之前，需确定各主要影响因素的基准值。根据试验条件及材料的相关性能，按一定的相似比例，确定锚杆橡胶膜长度L20cm、充气压力P100kPa、埋置深度H40cm、橡胶膜厚度t2mm、松砂等作为各试验的基准值，估算分级加载基准值为0.03kN。2.2.1充气压力的影响在确定的锚杆橡胶膜长度（L20cm）、埋置深度（H40cm）、橡胶膜厚度（t2mm）、土的密度（1.53g/cm3）条件下，充气压力（P）分别取0kPa、50kPa、100kPa进行拉拔试验，得到锚杆抗拔力与位移关系曲线如图2.5，各压力下对应的极限荷载及最大位移见表2：图2.5不同充气压力的抗拔力/位移图表2.2不同压力下锚杆的极限荷载与位移对图2.5，表2.2分析后可知：1）锚杆在未加压时，其极限荷载较小，随着充气压力的增大，极限抗拔承载力逐步增大，相对应的位移也逐步增大；2）锚杆在未加压时，锚杆的抗拔力为土体自重应力对橡胶膜产生的摩擦作用力，在充气压力达到一定值时，橡胶膜形成了较大的膨胀体，周边土体受到了挤密作用，产生了较大的附加应力，土体与橡胶膜的摩擦作用力增大，膨胀体扩大头亦产生相应的端阻力，因而抗拔承载力显著增大，如在50kPa的充气压力下的极限抗拔承载力是无压情况下的3倍，在100kPa的充气压力下的极限抗拔承载力约是无压情况下的6倍，可见充气压力对锚杆的极限抗拔承载力影响十分显著；3）锚杆在未加压及压力较小时，橡胶膜尚未膨胀或膨胀体很小，土体对橡胶膜的摩擦作用力小，故锚杆破坏时位移较小；橡胶膜在充气产生较大膨胀体后，摩阻力较大，橡胶膜在拉拔力作用下产生较大的弹塑性变形，因而在锚杆破坏前将产生较大的位移。2.2.2埋置深度的影响在确定的锚杆橡胶膜长度（L20cm）、充气压力（P100kPa）、橡胶膜厚度（t2mm）、土的密度（1.54g/cm3）等条件下，锚杆埋置深度（H）分别取20cm、40cm、60cm进行拉拔试验，得到锚杆抗拔力与位移关系曲线如图2.6，各埋深下对应的极限荷载及最大位移见2.3。图2.6不同埋置深度的抗拔力/位移图表2.3不同埋深下充气锚杆的极限荷载与位移对图2.6，表2.3分析后可知：1）当埋深较浅时（H40cm），在埋深增加1倍的条件下，极限承载力相应的增加幅度约45%，对应的位移增加约42%，当埋深较深时（H40cm），在埋深增加50%的条件下，极限承载力相应的增加幅度约15%，位移增幅仅2%，可见随着埋深的增加，极限抗拔承载力及位移增加，但增加的幅度变小；2）充气锚杆埋深过浅时，上覆土压力小，锚杆因橡胶膜膨胀致使上部土体破坏而失效，埋深达到一定深度后，增加埋深仅相当于土体的自重应力增加了，对提高锚杆的抗拔承载力的作用不显著，故充气锚杆存在临界埋深。2.2.3土体密度的影响在确定的锚杆橡胶膜长度（L20cm）、充气压力（P100kPa）、埋置深度（H40）、橡胶膜厚度（t2mm）等条件下，分别在松散和密实的砂土中进行拉拔试验，得到锚杆抗拔力与位移关系曲线见图2.7，各土体密度下对应的最大荷载及最大位移见2.4。图2.7不同土体密度的抗拔力/位移图表2.4不同土体密度下充气锚杆的极限荷载与位移对图2.7，表2.4分析后可知：1）在密实的砂土里，极限抗拔承载力增加显著，锚杆破坏时相应的位移增加较小；2）在密实的砂土内，充气锚杆在充气膨胀过程中径向的围压大，相对变形小，橡胶膜向锚杆杆向方向变形，抗拔试验初始阶段，主要承载力由扩大头端阻力承载，密实砂土刚度较大，故位移较小，在端阻力达到极限状态后，锚杆橡胶膜的摩擦力发挥作用，橡胶膜受到拉力作用，位移开始增大；3）图中两曲线从位移增加较快开始，形态相似，拉力与位移的增长幅度相近，说明在密实砂土中与松散砂土中具有相似的力学行为段，即橡胶膜受摩擦力变形段。2.2.4橡胶膜长度的影响在确定的锚杆充气压力（P100kPa）、埋置深度（H40）、橡 胶 膜 厚 度（t 2mm）、土 的 密 度（1.52g/cm3）等条件下，橡胶膜长度（L）分别取100mm、200mm、300mm进行拉拔试验，得到锚杆抗拔力与位移关系曲线见图2.8，不同橡胶膜长度下对应的最大荷载及最大位移见表2.5：2.8不同橡胶膜长度的抗拔力/位移图表2.5不同橡胶膜长度下充气锚杆的极限荷载与位移对图2.8，表2.5分析后可知：1）随着橡胶膜长度的增长，极限抗拔承载力增大，相对应的位移也逐步增大；2）当橡胶膜长度从10cm增至20cm及30cm时即增加了1倍与2倍时，极限荷载分别增加了0.42倍及0.86部，最大位移分别增加了0.897倍与1.934倍，误差小于10%，说明橡胶膜长度与极限承载力及位移呈较好的线性相关性。3）从橡胶膜长度与极限位移的相关性倍数关系可知，橡胶膜的长度而对位移的影响则十分显著，由此可推断锚杆的位移主要来自橡胶膜的拉伸弹塑性变形。2.2.5橡胶膜厚度的影响在确定的锚杆橡胶膜长度（L20cm）、充气压力（P100kPa）、埋 置 深 度（H 40）、土 的 密 度（1.53g/cm3）等条件下，橡胶膜厚度（t）分别取一层膜（t1mm）、两层（t2mm）进行拉拔试验，得到锚杆抗拔力与位移关系曲线见图2.9，不同橡胶膜厚度下对应的最大荷载及最大位移见表2.6。2.9不同橡胶膜长度的抗拔力/位移图表2.6不同橡胶膜厚度下充气锚杆的极限荷载与最大位移对图2.9，表2.6分析后可知：1）在较薄的橡胶膜厚度条件下，有较大的极限抗拔承载力，其实质相当于增大了充气压力。这是因为在相同的充气压力下，较薄的橡胶膜的自身约束力小，相应对土体的压力大，橡胶膜与土体间的摩擦力大，且橡胶膜膨胀体体积增大，相应的端阻力也增大，故极限抗拔承载力增大；2）当橡胶膜厚度从2mm减到1mm即减小1半时，最大位移增加了108%，即约1倍，橡胶膜的横截面积减小了1半，对应的拉伸长度增加了1倍，由此进一步说明锚杆的变形主要来自橡胶膜的拉伸弹塑性变形。2.2.6试验结果分析1）增大充气锚杆的充气压力、埋置深度、橡胶膜长度、土体密度等，都可使得其抗拔承载力增加，在诸多影响因素中，最显著的影响因素为充气压力及土体密实度，成一定倍数增长关系，其次是橡胶膜长度，成显著线性增长关系，埋置深度对充气锚杆承载力的提高不显著，而橡胶膜厚度对承载力的影响实质是充气压力的影响。2）充气锚杆的极限位移受橡胶膜的长度、抗拔力大小影响显著，其值的大小主要来自橡胶膜的弹塑性变形，反映了充气锚杆在抗拔过程中橡胶膜的力学行为。2.3压力、体积与变形分析2.3.1压力与体积试验曲线通过高压管将装满清水的量筒底部与锚杆相连，当锚杆管径内注满清水后关闭锚杆上端阀门，记录量筒内的初时水位，然后量筒上端连接气压源，量筒内清水在气压作用下进入锚杆内使得橡胶膜膨胀。采用分级加压方式，记录各级压力下量筒内水位下降值即可求得橡胶膜膨胀体积，其关系曲线如图2.10所示：图2.10压力/体积曲线根据对弹性橡胶膜约束力及锚杆系统综合变形标定，充气压力中对土体作用的纯压力与充水体积关系曲线如下图2.11所示，图中曲线斜率渐渐变缓，各级压力下体积的增幅变大，在纯压力达到约53kPa时随着体积增大压力增幅已经很小。图2.11纯压力/体积曲线2.3.2膨胀体变形测定膨胀体变形测定充水过程中，在橡胶管下中上位置（距底3、6.5、10、13.5、17cm处）两边共放置五个位移计，编号为646、797、656、779、645号，如图2.12所示，分级加压时，各位移传感器测定橡胶膜的膨胀位移，测量成果如下图2.13所示。图2.12位移测量照片图2.13：径向位移/充气压力曲线上述结果表明橡胶管膨胀在50kPa压力下变形较小，随着压力的进一步增大，变形后形状迅速增大；变形形状中上端略大，下端略小，整体呈近似圆柱状，可以等效圆柱体进行分析。膨胀体在100kPa内各级压力下的变形及等效圆柱体示意图见下图2.14。图2.14橡胶膜变形示意图2.3.3径向应变与土体附加应力关系径向应变与土体附加应力关系根据上述试验，膨胀体的体积可按等效圆柱体以径向应变来代替。充水过程中，在橡胶管周边位置（距中间2、20、40cm处）两边共放置4个土压力盒（图2.15）以测量土体在橡胶膜膨胀过程中的附加应力变化关系，其成果曲线见图2.16。图2.15土压力盒安装位置图图2.16径向应变/附加应力曲线由图2.16可知，在橡胶膜膨胀过程中，周边土体的应力在靠近橡胶膜附近应力最大，随着距离的增加，附加应力迅速减小，如当径向应变约1.0时，距橡胶膜约2.0cm处的附加应力约30kPa，在距橡胶膜约20.0cm处的附加应力约为3kPa，在距橡胶膜约40.0cm处的附加应力仅0.25kPa。随着径向应变的增加，附加应力的增量有变小的趋势。2.4承载特性分析2.4.1典型抗拔典型抗拔Qs曲线曲线在相同的条件下（橡胶膜长度L20cm、埋置深度H40cm、橡胶膜厚度t2mm、土的密度1.521.54g/cm3、充气压力P100kPa）进行3次拉拔试验，得到锚杆抗拔力与位移关系曲线如图2.17，各极限荷载与最大位移值列于表2.7：图2.17抗拔力/位移曲线表2.7极限荷载与位移对图2.17，表2.7进行分析后可知，基本抗拔试验最大荷载为299303N之间，位移约为3134mm之间，曲线一致，具有较好的稳定性。第三章第三章 充气锚杆加固软土现场试验研究充气锚杆加固软土现场试验研究3.1试验设计（1）试验内容现场试验内容主要包括三部分：一是橡胶膜膨胀体的大小及形状的测定，二是膨胀体积与承载特性关系，三是充气锚杆的改进对比试验。（2）试验场地土层特性试验在中南大学西侧左家垅菜地一废弃鱼塘边进行，场地内为软塑状粘粉质土，厚约1.21.5m。实测土层的物理力学性质如下：含水率58.1%，密度1.61g/cm3，比重2.69，孔隙比1.642，饱和度95，液限35.3%，塑限21.1%，粘聚力17.5kPa，内摩擦角10.1。（3）试验装置图3.1为试验装置图。试验用到的主要仪器设备有：用于测定抗拔力的WTP301S形拉力传感器与PY500智能数字压力表，用于测量位移的JMDL-2100智能数码位移计及采集位移数据的JMZX-3001综合测试仪，用于测量充水体积的特制有机玻璃量筒，以及其他诸如试验架、高压气筒、加载滑轮组、砂袋等辅助设备。图3.1试验装置图（4）现场抗拔试验的规定1）试验基本条件：埋深60cm，橡胶膜（锚固段）长度30cm，厚度2mm，外直径29mm。2）锚杆采用直接插入方式到预定埋置深度，在等待约15min后开始加压充水膨胀，膨胀至预定体积静止约15min后开始加载。3）加载方式采用定时分级加载法，每隔3min加载一次，每级荷载约为极限荷载的1/101/15，加载后每隔1min读数一次。4）破坏标准：锚杆被拔出；橡胶膜爆破；一级荷载作用下的锚头位移增量达到或超过前一级荷载作用下锚头位移增量的2倍。3.2压力与体积曲线通过高压管将装满清水的量筒底部与锚杆相连，当锚杆管径内注满清水后关闭锚杆上端阀门，记录量筒内的初时水位，然后量筒上端连接气压源，量筒内清水在气压作用下进入锚杆内使得橡胶膜膨胀。按量筒内水位下降值1、2、3、5、7、10、15cm记录对应的充气压力，根据量筒内水位下降值即可求得橡胶膜膨胀体积，其关系曲线如图3.2所示：图3.2压力与体积曲线由图3.2可知，当充水体积的超过某一值时，随着体积的进一步增加，充水压力增幅迅速减小并趋向于一恒定值，即土体存在极限压力值，如本试验的极限压力值约为0.125MPa。3.3膨胀体变形测试为分析充气锚杆膨胀体在土体内的变形形状，试验设计了水泥浆凝固法进行测定。按照圆柱体等体积原则，分别进行了径向应变约100%与200%的两次注浆试验，加入早强剂，当三天强度达到75%后拔出，固结体形状如下图3.3所示。图3.3膨胀体图从图3.3中可以看出，径向应变约100%的膨胀体形状为标准圆柱体，径向应变按200%的膨胀体形状呈近似圆柱状，中下部径向应变约150%，上部应变接近250%，其原因是膨胀的体积过大，超过了橡胶膜的弹性范围而呈不等径圆柱状变形。由此可推断，变形体的形状与橡胶膜的径向应变有关，当径向应变在约150%之内时，膨胀体可呈标准的圆柱体，而当体积过大时，膨胀体形状受橡胶膜性质影响呈上部略大中下部略小的不等径圆柱体。3.4体积与承载特性分析按照圆柱体等体积原则，分别进行了径向应变为0（不充水）、50%、100%、150%、200%充水膨胀抗拔试验，其成果如图3.4、表3.1：图3.4压力与体积曲线通过分析图3.4，,表3.1后可知：1）从荷载极限值看，随着径向应变（充水体积）的增加，锚杆极限承载力增大；相对未充水锚杆承载力，各径向应变下的单位充水体积所产生的荷载增量分别为0.94N/cm3、0.55N/cm3、0.44N/cm3、0.36N/cm3，增幅呈下降趋势；2）从曲线表观形态上看，荷载-位移曲线呈抛物线形，随着荷载的均匀加载，位移呈逐步增大趋势；3）随着径向应变的增加，锚杆达到极限承载力时所对应位移也增大，其平均值为55.64mm，充气锚杆的极限位移值较大；4）充气锚杆荷载全部由橡胶膜承担，橡胶膜抗拉力学强度有限，在较大荷载下易被拉断而失效。3.5充气锚杆改进试验研究针对橡胶膜不能承载较大荷载及位移过大的不足，分别采用纲丝加强法及灌浆固结法对其进行改进试验，探讨其力学特性。（1）钢丝加强型充气锚杆力学特性分析试验设计8根0.5mm的钢丝均匀绑扎在橡胶膜外表，钢丝长度根据膨胀体积计算确定，如图3.5所示。试验选择径向应变率200%与150%加钢丝后进行抗拔试验，并与不加钢丝时进行对比，成果如图3.6、表3.2所示，图中A组为径向应变为200%，B组为径向应变为150%。膨胀前膨胀后（空气中）图3.5钢丝加强型充气锚杆图3.6钢丝加强型锚杆荷载/位移曲线表3.2极限荷载与位移（2）灌浆固结型充气锚杆力学特性分析在前述的对充气锚杆注入水泥浆膨胀测定变形试验中，仍对其按常规进行了抗拔试验，并与充水膨胀试验进行对比，成果如图3.7、表3.3所示，图3.7中A组为径向应变为200%，C组为径向应变为100%。图3.7灌浆固结型充气锚杆荷载/位移曲线表3.3极限荷载与位移1）对充气锚杆膨胀体进行灌浆固结后的抗拔极限位移值极小，可以有效解决充气锚杆位移过大问题；该种类型锚杆结合了充气锚杆与普通注浆锚杆的优点，能有效控制扩大头体积与形状，能较为精确地估算锚杆承载力，是充气锚杆实际应用的发展方向之一；2）对充气锚杆膨胀体进行灌浆固结后的极限承载力提高了约18.6%27.9%，原因是在饱和软土中，抗拔试验是在充水膨胀15min后开始，此时因膨胀产生的超静孔隙水压力尚未消散，而灌浆固结抗拔试验是在三天之后进行，超静孔隙水压力基本消散，周边土体亦发生了固结作用，提高了力学强度，故锚杆的极限承载力得到了提高。第四章第四章 充气锚杆锚固理论初探充气锚杆锚固理论初探4.1锚固机理（1）充气膨胀阶段根据前面的变形分析及圆孔扩张理论可知，充气锚杆充气膨胀后形成一个圆柱状扩大头。在充气过程中，锚杆橡胶膜与周围土体之间的接触面的正应力不断增大，最大达极限压力Pu；橡胶膜与周边土体接触的面积也不断增大，直到橡胶膜的极限范围。周围土体在橡胶膜膨胀作用下产生压缩变形，对砂性土体来说，产生挤密作用，土体力学强度得到较大的提高。（2）抗拔阶段由于土体材料及橡胶膜同时具有粘性、弹性、塑性，所以锚杆的受力变形表现出一种非线性。从前面的抗拔曲线图上可以看出，曲线存在两个明显的转折点。加载初期，锚杆位移较小，锚杆承载力由锚杆自重、锚杆自由段与砂土的侧摩阻力、锚杆膨胀体端阻力组成；当荷载增加到约120N时，膨胀体的端阻力达到极限使端部土体产生屈服，曲线发生第一个转折点，之后锚杆橡胶膜膨胀体与土体之间的剪应力开始发挥作用；随着荷载的增加，橡胶膜上部在拉力作用下发生近似弹性变形，变形量与荷载呈近线性变化，此时锚杆的位移主要来自橡胶膜的变形，变形量较大；同时膨胀体中下部也周围土体的剪应力不断增大，当剪应力达到极限时，膨胀体与土体之间产生滑动，荷载位移曲线发生第二个转折点，位移急骤增大，锚杆被拉出而破坏。4.2充气锚杆与螺旋锚杆的极限承载力对比分析充气锚杆与螺旋锚杆的极限承载力对比分析为了确定一种充气锚杆是否比现有锚杆具有更高的承载力，最直接的方法就是与常用的另一种锚杆进行对比分析。螺旋锚杆在国内外应用广泛，已有很多学者对其进行了深入的研究。在松散状态砂土中，汪滨研究了螺旋锚技术及其在工程中的应用（2005），王杰,孙海峰等研究了双锚片螺旋锚极限抗拔承载力（2008），他们进行的试验其条件与本项目进行的室内试验相当，因此可以将其成果进行对比分析，如表4.1所示：对试验结果进行对比分析后可知，在松散状态砂土中，螺旋锚杆的极限承载力较低，充气锚杆的极限承载力约为单锚片螺旋锚杆的4倍，约为双锚片螺旋锚杆的2倍，相比螺旋锚杆，充气锚杆的承载能力优势明显。表4.1不同类型锚杆极限抗拔承载力实测值4.3极限承载力预估公式极限承载力预估公式充气锚杆的实质是端头扩大型锚杆。针对扩大头锚杆极限抗拔承载力的估算，部分研究者也借鉴扩大头桩基础的抗拔承载力公式的来进行估算，比较典型的有摩擦圆柱法、Meyerhof-Adams法等，其共同点即扩大头极限抗拔承载力主要由扩大头扩大头端阻力与侧表面与土体的摩阻力组成，其通用公式如下：式中：Qu为锚杆极限抗拔承载力；Qp为锚杆的扩大头圆柱体端阻力；Qs为锚杆扩大头圆柱体侧阻力；D为扩大头圆柱体直径，d为锚杆拉杆直径；L为扩大头长度；qs为锚固体与周围岩土体间的粘结强度值，与扩大头周边土体应力、扩大头与土体的摩擦系数等相关；H、m分别为锚固段上覆土层厚度与加权平均重度；c为扩大头承载力系数，与扩大头大小、埋深及摩擦角等因素相关。充气锚杆扩大头呈椭圆柱体，根据充水压力与体积关系，按等体积原则，以圆柱体代替椭圆柱体，故其极限抗拔承载力亦可按上述公式进行估算。与其他类型扩大头相比，其差别主要体现在qs值上。根据充气锚杆的特点，qs可按公式（4）进行计算：4.4充气锚杆失效形式分析充气锚杆失效形式分析充气锚杆抗拔力的大小由3个强度指标组成，即杆体抗拉强度、橡胶膜的抗拉强度、膨胀体与周围土体的抗拔强度，其中膨胀体与周围土体的抗拔强度最小，所以锚杆的失效形式主要为膨胀体与土体的滑移，个别为橡胶膜被拉断或被刺破而失效。