蔡強(qiáng)， 李寶幸， 宋軍

(1.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院探礦工藝研究所， 成都 611734； 2.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)災(zāi)害防治技術(shù)中心， 成都 611734； 3.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與資源學(xué)院， 北京 100083； 4.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)綜合利用研究所， 成都 610041)

錨桿支護(hù)作為邊坡加固的一個(gè)重要手段，是巖土工程領(lǐng)域的一個(gè)重要分支，已在世界范圍內(nèi)得到廣泛應(yīng)用并取得了巨大成功。巖土錨固技術(shù)可有效改善土體的應(yīng)力狀態(tài)，與周邊巖土體形成統(tǒng)一整體，以提高巖土體自身強(qiáng)度和整體穩(wěn)定性[1]。在地質(zhì)條件較差，或者對(duì)變形控制要求較高的地層中，使用普通注漿錨桿進(jìn)行邊坡的支護(hù)加固效果往往不理想，存在形變量過(guò)大、承載能力較低和防水性能不佳等缺陷。極限承載力是錨桿技術(shù)中最為核心的問(wèn)題，普通錨桿通過(guò)注漿體和地層土體之間的摩擦力來(lái)提供抗拔力，為純摩擦型錨桿，因此，若想提升普通錨桿的抗拔承載力，往往只能通過(guò)增加錨桿的長(zhǎng)度來(lái)實(shí)現(xiàn)。但已有研究[2-3]表明，普通錨桿的極限承載力會(huì)隨著錨固段的增長(zhǎng)呈現(xiàn)出先增加后保持平穩(wěn)的趨勢(shì)，增加錨固段長(zhǎng)度，只會(huì)在有限范圍內(nèi)提升錨桿的極限承載力，因此，通過(guò)單純?cè)黾渝^桿長(zhǎng)度的方式去解決承載力不足的問(wèn)題，難以達(dá)到理想效果。基于此，國(guó)內(nèi)外研究人員通過(guò)探索，提出了結(jié)構(gòu)上有別于普通錨桿的擴(kuò)大頭錨桿，試圖去解決普通錨桿承載力不足、變形過(guò)大等問(wèn)題。

擴(kuò)大頭錨桿即采用一定的手段進(jìn)行擴(kuò)孔，注漿后在錨桿底端形成一個(gè)直徑相對(duì)較大的擴(kuò)大頭，進(jìn)而有效提高錨桿抗拔力。研究表明相較于普通錨桿而言，擴(kuò)體錨桿的承載力可提高20%～30%，甚至高達(dá)60%[4]。擴(kuò)大頭錨桿在邊坡抗滑和結(jié)構(gòu)抗浮工程等方面有著重要作用，也解決了許多實(shí)際工程問(wèn)題，如承載力不足、形變過(guò)大、工程用地紅線等問(wèn)題。擴(kuò)大頭錨桿在許多方面都扮演著重要角色，要從根本上理解擴(kuò)大頭錨桿的加固機(jī)理，必須系統(tǒng)掌握其工程特性，還應(yīng)結(jié)合相應(yīng)的地質(zhì)條件進(jìn)行研究。

擴(kuò)大頭錨桿應(yīng)用廣泛，但至今還沒(méi)有學(xué)者對(duì)該類型錨桿進(jìn)行過(guò)歸納梳理，現(xiàn)對(duì)前人在擴(kuò)大頭錨桿研究方面所取得的主要研究成果進(jìn)行歸納和總結(jié)，主要包括擴(kuò)大頭錨桿的類型、適用性、承載特性、破壞模式和參數(shù)選取5個(gè)方面，旨在為后續(xù)擴(kuò)體錨桿相關(guān)課題的深入研究提供借鑒，為解決與擴(kuò)體錨桿相關(guān)工程問(wèn)題提供參考。

1 擴(kuò)大頭錨桿類型研究

中國(guó)臺(tái)灣學(xué)者Liao等[5]提出錨桿最底端為圓柱形的擴(kuò)體錨桿是應(yīng)用較為廣泛的擴(kuò)大頭錨桿類型，如圖1所示。

該類型的擴(kuò)大頭錨桿需要依賴專門(mén)的擴(kuò)孔技術(shù)，如機(jī)械成孔或水力成孔等。擴(kuò)孔效果的好壞也會(huì)直接影響錨桿承載力的發(fā)揮。針對(duì)擴(kuò)孔帶來(lái)的諸多問(wèn)題，如塌孔、擴(kuò)孔形狀難以控制、渣土難清理等問(wèn)題，許多學(xué)者開(kāi)始對(duì)不依賴于擴(kuò)孔技術(shù)的擴(kuò)大頭錨桿進(jìn)行研究。

陳浩華等[6]闡述了一種帶有錨抓的新型船錨式注漿張開(kāi)型土錨，其主要特點(diǎn)是不需要借助專門(mén)的擴(kuò)孔技術(shù)，利用灌漿過(guò)程中的壓力，使錨桿端部的錨抓張開(kāi)，從而形成一個(gè)嵌入土體內(nèi)部的擴(kuò)大頭，如圖2所示。

該船錨式錨桿在注漿作用下能連續(xù)完成端頭擴(kuò)張與灌漿，較傳統(tǒng)擴(kuò)大頭錨桿而言具備施工快速、錨固面大的優(yōu)點(diǎn)，另一方面，該類型擴(kuò)孔錨桿的效果主要取決于錨爪的張開(kāi)程度，而錨爪是否完全張開(kāi)取決于灌漿壓力的大小，因此，對(duì)于軟土地層而言，僅需要較小的注漿壓力便可使船錨式擴(kuò)體錨桿發(fā)揮其最大效用，試驗(yàn)也證實(shí)了該類型錨桿可以成功利用在上海等軟土地區(qū)[6]，但對(duì)于非軟土地層，單純依靠注漿壓力使錨爪完全張開(kāi)，存在一定難度，因此，其在非軟土地層中的適用性有待探究。

圖1 普通擴(kuò)大頭錨桿示意圖[5]Fig.1 Schematic diagram of common expanded anchor[5]

圖2 船錨式注漿張開(kāi)型土錨[6]Fig.2 Blade-underreamed grounted anchor[6]

由于在承載性能和施工效率上表現(xiàn)優(yōu)越，傘狀錨桿成為很多學(xué)者的研究對(duì)象。傘狀錨桿是參照雨傘的原理而研發(fā)的擴(kuò)體型錨桿，該類型錨桿在下放過(guò)程中處于合攏狀態(tài)，到達(dá)設(shè)計(jì)深度后受力張開(kāi)，在端部形成一個(gè)截面積較大的擴(kuò)大頭[7]，如圖3所示。

圖3 新型傘狀抗拔錨結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖[7]Fig.3 Structure diagram of the new type umbrella-shaped anti-float anchor[7]

張繼紅等[8]將傘狀反力板施加于錨桿上，阻力板提供傘狀錨固體初始自擴(kuò)所需要的阻力。但其存在兩個(gè)局限，其一是傘骨嵌入土體內(nèi)的深度有限，不能充分調(diào)動(dòng)周邊土體參與進(jìn)來(lái)提高抗拔承載力；其二是在軟弱土層中，阻力板所能提供的阻力有限，大小不一定能達(dá)到使其自擴(kuò)的水平。劉益等[9-10]設(shè)計(jì)了一種由傘狀錨頭和張拉錨索組成的傘狀抗拔裝置，并對(duì)其進(jìn)行了多組拉拔試驗(yàn)，驗(yàn)證其可靠度。梅國(guó)雄等[11]和徐敏等[12]為了研究其實(shí)際應(yīng)用效果，在浙江寧波北侖電廠—蒼巖雙回輸電線路Z2直線塔處進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，該地區(qū)場(chǎng)地地質(zhì)條件為典型的軟土地基，通過(guò)分析傘狀錨桿的荷載-位移(Q-S)曲線，認(rèn)為在承載力方面，傘狀錨桿具備較大潛力。

充氣錨桿是擴(kuò)大頭錨桿的類型之一，如圖4所示，降高壓氣體注入錨桿端部的橡膠膜內(nèi)，使其膨脹環(huán)向擠壓周邊土體，向其鼓脹的空腔內(nèi)注水，形成一個(gè)端部擴(kuò)大頭[13]。Gallacher等[14]通過(guò)對(duì)比的方法，得到充氣錨桿的承載性能要優(yōu)于螺旋錨桿。彭文祥等[15-16]對(duì)充氣錨桿展開(kāi)的研究較多，通過(guò)室內(nèi)模型試驗(yàn)，探討了充氣錨桿的承載特性和破壞形式，并通過(guò)理論分析推導(dǎo)了充氣錨桿的極限承載力計(jì)算方法。

圖4 充氣錨桿示意圖[13]Fig.4 Sketch of inflated anchor[13]

圖5 囊式擴(kuò)體錨桿結(jié)構(gòu)示意圖[17]Fig.5 Schematic diagram of capsule-type under-reamed ground anchor[17]

囊式擴(kuò)大頭錨桿是在總結(jié)等直徑普通錨桿和依賴高壓噴射擴(kuò)孔技術(shù)的擴(kuò)大頭錨桿缺陷的基礎(chǔ)上，創(chuàng)新研發(fā)的新型擴(kuò)體錨桿[17]，其裝置結(jié)構(gòu)如圖5 所示，具備較強(qiáng)的防腐功能。劉鐘等[18]針對(duì)該錨桿類型的結(jié)構(gòu)形式以及施工技術(shù)等作了較為全面的介紹。楊卓等[19]通過(guò)抗拔試驗(yàn)，對(duì)端頭包裹式囊式擴(kuò)體錨桿的承載特性進(jìn)行研究，認(rèn)為這種囊式擴(kuò)體錨桿相較于傳統(tǒng)擴(kuò)大頭錨桿能有效提升抗拔承載力。

此外，王立明等[20]還研制了回轉(zhuǎn)型可回收擴(kuò)大頭錨桿，支護(hù)完成后，注漿體內(nèi)的鋼絞線可以抽出，進(jìn)而達(dá)到回收利用的目的，為錨桿出工程紅線的問(wèn)題提供了一個(gè)可參考的解決方案。該類型擴(kuò)大頭錨桿被應(yīng)用到了某商務(wù)廣場(chǎng)基坑支護(hù)工程中，擴(kuò)孔錨桿張拉結(jié)束后，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，并將鋼絞線順利回收。多種形式的可回收錨桿投入應(yīng)用，并且在不斷改進(jìn)的過(guò)程中，可回收錨桿技術(shù)獲得了長(zhǎng)足的發(fā)展[21]。張斌[22]針對(duì)擴(kuò)體錨桿的適用性問(wèn)題，設(shè)計(jì)出了一種可變孔徑的擴(kuò)底錨桿裝置，具有可以自由調(diào)整的擴(kuò)大頭直徑，適用于大小不一的設(shè)計(jì)孔徑，擴(kuò)大了適用范圍[22]。

以上各類型的擴(kuò)孔錨桿，應(yīng)用的時(shí)候或需配備專門(mén)的擴(kuò)孔設(shè)備或材料，施工工藝較為復(fù)雜，而部分無(wú)需額外擴(kuò)孔工具的擴(kuò)大頭錨桿，雖然施工方便，但其適用范圍較窄，一般僅適用于軟土地層，探索操作便捷、適用范圍廣的新型擴(kuò)大頭錨桿仍是有待解決的問(wèn)題。

2 適用性研究

有學(xué)者針對(duì)普通錨桿可以應(yīng)用的地層，如砂土、黏土地層，開(kāi)展了擴(kuò)大頭錨桿的適用性研究。胡建林在砂土地層和粉質(zhì)黏土地層中進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)擴(kuò)體試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明擴(kuò)體效果良好[23]。張劍等[24]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的方式，驗(yàn)證了擴(kuò)體錨桿在強(qiáng)風(fēng)化砂巖中的抗拔能力，認(rèn)為擴(kuò)孔錨桿可有效解決強(qiáng)風(fēng)化砂巖中應(yīng)用抗浮錨桿困難和承載力偏低的問(wèn)題。曲忠侃等[25]通過(guò)試驗(yàn)探究擴(kuò)底錨桿在巖石地層中的適用性，分析得到擴(kuò)底錨桿在中等風(fēng)化以上的巖石地基中，能發(fā)揮較好的錨固效果，而對(duì)于強(qiáng)風(fēng)化層，則需進(jìn)一步優(yōu)化擴(kuò)體錨桿的結(jié)構(gòu)，以達(dá)到理想的錨固效果。對(duì)于全風(fēng)化富水砂巖，擴(kuò)大頭錨桿在防水性和耐久性方面顯示出明顯優(yōu)勢(shì)，并且擴(kuò)體段對(duì)周圍富水砂巖不產(chǎn)生擾動(dòng)作用[26]。王祥秋等[27]在中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖與殘積粉質(zhì)黏土中開(kāi)展擴(kuò)大頭錨桿受力特性研究，印證了擴(kuò)大頭錨桿在較為復(fù)雜的地層中也可以發(fā)揮出理想效果。事實(shí)上，相較于普通錨桿而言，擴(kuò)大頭錨桿有更大的極限承載能力和控制變形能力，普通錨桿可以應(yīng)用的地層，應(yīng)用擴(kuò)大頭錨桿也不是問(wèn)題，只是會(huì)重點(diǎn)考慮效益問(wèn)題而已，因此，對(duì)于擴(kuò)大頭錨桿適用性研究的問(wèn)題，研究對(duì)象偏向于普通錨桿加固難度較大的軟弱土和特殊土則更為合理。

在軟弱土層中，由于土的強(qiáng)度參數(shù)整體較低、導(dǎo)致土體承載力過(guò)低、變形過(guò)大等問(wèn)題，因此，在軟弱土層中，多采用加密錨桿的方式以達(dá)到提高極限承載力、控制變形的目的[28]，但這也會(huì)造成一定的環(huán)境問(wèn)題，因此，研究擴(kuò)大頭錨桿在軟弱土層的適用性問(wèn)題，可以解決承載力不足的問(wèn)題，也能一定程度上減輕工程建設(shè)所造成的環(huán)境問(wèn)題。黃恒國(guó)[29]通過(guò)采用H型鋼與擴(kuò)孔錨桿相結(jié)合的形式，對(duì)軟土地基深基坑進(jìn)行支護(hù)，并從效益性和安全性論證了擴(kuò)孔錨桿運(yùn)用到軟土地層中的合理性。杜厚洋[30]通過(guò)將排樁與擴(kuò)孔錨桿相結(jié)合來(lái)加固深大軟土基坑，同樣表明擴(kuò)孔錨桿在軟土基坑上有著理想的施工效果。王增輝[31]將擴(kuò)大頭錨桿應(yīng)用于福建寧德地區(qū)鄰江的某基坑工程中，通過(guò)計(jì)算以及對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析，認(rèn)為擴(kuò)大頭錨桿在軟土地層中承載性能較好，克服了普通錨桿在軟土地層中抗拔力不足的特點(diǎn)，支護(hù)效果理想。楊雄堯[32]將擴(kuò)孔錨桿應(yīng)用到處于厚淤泥地層的廈門(mén)海滄某工程中，通過(guò)后期對(duì)擴(kuò)體錨桿抗拔力的檢測(cè)和對(duì)基坑各類變形數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)，驗(yàn)證了其在港灣灘涂軟土淤泥地帶的適用性，克服了普通錨桿在厚軟土淤泥地層中抗拔力難以達(dá)到設(shè)計(jì)要求的缺陷。

對(duì)于特殊土地層，由于土體本身的特殊性質(zhì)如膨脹土的裂隙性、干濕循環(huán)特性和凍土的凍脹性等都將導(dǎo)致錨桿的應(yīng)用難度較大。膨脹土地區(qū)采用錨桿支護(hù)對(duì)錨桿的承載能力和變形控制能力提出了更高的要求，丁振洲等[33]將擴(kuò)大頭錨桿應(yīng)用于膨脹土邊坡中，試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，在未經(jīng)歷降雨條件下，兩者錨固力相當(dāng)；經(jīng)受降雨作用影響后，在對(duì)錨固力的影響方面，非擴(kuò)體錨桿要比擴(kuò)體錨桿大得多，具體表現(xiàn)為非擴(kuò)孔錨桿錨固力急劇下降，而在擴(kuò)體錨桿上卻表現(xiàn)不明顯。張敬一等[34-35]將承壓擴(kuò)體錨桿應(yīng)用到成都某膨脹土基坑工程中，結(jié)果表明擴(kuò)體錨桿在膨脹土中表現(xiàn)出了良好的適用性。

綜上表明，擴(kuò)底錨桿的適用性較強(qiáng)，在砂土、軟土等地層中都能發(fā)揮出較為優(yōu)越的性能。然而針對(duì)特殊土的適用性研究，成果較少，擴(kuò)孔錨桿解決的是普通錨桿無(wú)法解決的問(wèn)題，因此，土層適用性的研究更應(yīng)傾向特殊土，此外，諸如在膨脹土和凍土等特殊土地層中，其適應(yīng)性的研究不應(yīng)僅局限于簡(jiǎn)單的拉拔試驗(yàn)，也不應(yīng)僅將支護(hù)后的即時(shí)效果作為單一評(píng)判依據(jù)。膨脹土的干濕循環(huán)和凍土的凍融循環(huán)作用都會(huì)使土體本身的性質(zhì)隨著時(shí)間推移而發(fā)生一定程度上的改變。支護(hù)后的變形過(guò)程和承載力的衰減過(guò)程研究對(duì)于探究擴(kuò)大頭錨桿在這些特殊土層中的適用性意義重大。

3 承載特性研究

普通錨桿錨固力的發(fā)揮主要依賴于錨索與漿體之間的結(jié)合力，以及漿體與圍巖土體的摩擦力，為錨索到注漿體，再由注漿體到周邊圍巖體的力學(xué)過(guò)程[36]，屬于純摩擦型錨桿；與之不同的是，擴(kuò)大頭錨桿錨固力的來(lái)源除了漿體與圍巖體的側(cè)摩阻力外，還有擴(kuò)大頭所提供的端承阻力，屬于摩擦-端壓型錨桿，這也是擴(kuò)大頭錨桿相比于普通錨桿具備更優(yōu)承載性能的重要原因。荷載的分布與傳遞特征是擴(kuò)大頭錨桿研究的重要內(nèi)容，可以揭示擴(kuò)大頭錨桿的錨固機(jī)理，是擴(kuò)大頭錨桿設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)。

極限承載力和力學(xué)過(guò)程研究是擴(kuò)大頭錨桿承載特性的兩方面重要內(nèi)容，研究成果也較多。在極限承載力的理論研究方面，何思明[37]提出了土層擴(kuò)大頭錨桿的抗拔承載力計(jì)算公式，但其計(jì)算抗拔力時(shí)假設(shè)擴(kuò)體錨桿僅受兩部分力的作用，即普通段的摩擦力和擴(kuò)大頭的端阻力，忽略了擴(kuò)體段的摩擦力，這顯然與擴(kuò)大頭錨桿實(shí)際受力特征不相符。曾慶義等[38]基于摩爾強(qiáng)度理論，對(duì)擴(kuò)孔錨桿的極限承載力進(jìn)行推導(dǎo)，把擴(kuò)大頭的極限承載力分為3個(gè)部分，即普通段和擴(kuò)體段的側(cè)摩阻力，以及擴(kuò)體頂部所提供的端承阻力，并分析了黏聚力、內(nèi)摩擦角等各類因素對(duì)抗拔力的影響，彌補(bǔ)了當(dāng)時(shí)規(guī)范計(jì)算抗拔力所考慮因素不全面的不足，后期大部分學(xué)者對(duì)擴(kuò)大頭錨桿的極限承載力計(jì)算公式的研究和探討，都基于此去展開(kāi)和完善。李糧綱等[39]推導(dǎo)了擴(kuò)大頭錨桿的極限承載力公式，通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了公式的可靠度，并認(rèn)為土體的抗剪強(qiáng)度是影響擴(kuò)大頭錨桿極限承載力的重要因素。文宇鵬[40]和李陽(yáng)等[41]通過(guò)分析對(duì)比基于Boussinesq位移解和基于摩爾強(qiáng)度理論的極限承載力這兩種計(jì)算方法，認(rèn)為擴(kuò)體錨桿極限承載力公式的選擇應(yīng)按錨桿的埋置方式合理選用，基于摩爾強(qiáng)度理論的極限承載力計(jì)算公式適用于埋深較大的情況，而當(dāng)埋深交淺時(shí)，基于Boussinesq位移解的極限承載力計(jì)算結(jié)果更貼近實(shí)際。郭鋼[42]基于極限平衡理論開(kāi)展了對(duì)擴(kuò)體錨桿端阻力計(jì)算公式的探討，同時(shí)還提出了地基土影響范圍的計(jì)算方法。李哲等[43]通過(guò)模型試驗(yàn)，得到在擴(kuò)體總長(zhǎng)度一定的情況下，多段型要比底端型擴(kuò)體錨桿的承載力提高20%～30%，并在曾慶義等[38]推導(dǎo)的端頭擴(kuò)體錨桿極限承載力計(jì)算公式基礎(chǔ)上，對(duì)多段式擴(kuò)體錨桿(即有多個(gè)擴(kuò)大頭的錨桿)的承載力計(jì)算公式進(jìn)行了探討，但其在推導(dǎo)端面正壓力的計(jì)算公式，僅單純將各段擴(kuò)體的端面正壓力累加，沒(méi)有考慮各段擴(kuò)體之間的相互影響。

在擴(kuò)大頭錨桿的力學(xué)過(guò)程研究方面，曾慶義等[38]將其力學(xué)過(guò)程闡述為3個(gè)階段，分別為靜止土壓力階段、過(guò)渡階段、塑性區(qū)壓密-擴(kuò)張階段。王曾輝等[44]通過(guò)擴(kuò)孔錨桿試驗(yàn)，將擴(kuò)體錨桿的作用機(jī)理表述為：隨著壓力的增加，擴(kuò)體端面的土體不斷被擠壓，并產(chǎn)生塑性區(qū)，過(guò)程中土體的應(yīng)力狀態(tài)以及塑性區(qū)不斷調(diào)整，土體被越壓越密實(shí)，最后當(dāng)拉力達(dá)到一定程度，錨桿位移逐漸穩(wěn)定，擴(kuò)體處于“自鎖”狀態(tài)，擴(kuò)體錨桿的拉拔承載力顯著提高。通過(guò)對(duì)擴(kuò)底錨桿進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和理論分析，崔向東等[45]和劉振明等[46]對(duì)各部分發(fā)揮作用的先后順序進(jìn)行探索，加載初期，錨桿位移較小時(shí)，主要由變截面前的側(cè)摩阻力提供抗拔承載力，當(dāng)荷載進(jìn)一步增加，變截面后的端阻力和側(cè)摩阻力也相繼發(fā)揮作用，且當(dāng)荷載增至接近極限承載力時(shí)，端阻力快速增加，而側(cè)摩阻力的變化不大，進(jìn)一步說(shuō)明側(cè)摩阻力和端阻力的充分發(fā)揮所需的相對(duì)位移不同。王哲等[47]通過(guò)實(shí)驗(yàn)，將擴(kuò)體錨桿的受力過(guò)程總結(jié)為3個(gè)階段，即側(cè)摩阻力階段、過(guò)渡階段和端部阻力階段，并且在每個(gè)階段轉(zhuǎn)變之間，荷載位移曲線會(huì)出現(xiàn)“拐點(diǎn)”。

在承載特性的其他方面，張禮[48]對(duì)剪應(yīng)力在擴(kuò)大頭錨桿錨固段分布規(guī)律建立模型并進(jìn)行探討，發(fā)現(xiàn)錨桿擴(kuò)孔后并不影響非擴(kuò)孔段的剪應(yīng)力分布規(guī)律，和非擴(kuò)孔錨桿的剪應(yīng)力分布一致，但擴(kuò)孔錨固段處的剪應(yīng)力比非擴(kuò)孔錨固段處的剪應(yīng)力小了很多，并且擴(kuò)孔段直徑越大，在同一位置處，擴(kuò)孔錨固段處剪應(yīng)力越小。在計(jì)算側(cè)阻力時(shí)，郭鋼[49]指出了僅依賴于地基土的物理狀態(tài)指標(biāo)而不考慮土的應(yīng)力狀態(tài)的不合理性。

對(duì)于擴(kuò)大頭錨桿承載特性的研究，多集中于極限承載力的研究，各部分軸力大小和剪應(yīng)力分布特征也對(duì)擴(kuò)大頭錨桿的支護(hù)效果產(chǎn)生影響，但這部分的研究成果較少。此外，上述研究成果提出了較多的經(jīng)驗(yàn)值，這些經(jīng)驗(yàn)系數(shù)的取值范圍往往較大，而取值原則上又缺乏準(zhǔn)確依據(jù)，擴(kuò)大頭錨桿的承載力計(jì)算公式?jīng)]有形成統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)，這就直接導(dǎo)致了擴(kuò)體錨桿的承載機(jī)理模糊，計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相差較大。擴(kuò)體錨桿的承載力要比普通錨桿高得多，因此，對(duì)擴(kuò)體錨桿極限承載力的值預(yù)估失誤，所造成的后果會(huì)比普通錨桿嚴(yán)重得多。在今后的研究中，不應(yīng)單純從力學(xué)角度去解釋擴(kuò)大頭錨桿的承載機(jī)理，還應(yīng)結(jié)合錨周土的性質(zhì)和受力過(guò)程中土體的應(yīng)力狀態(tài)變化去推導(dǎo)更貼切實(shí)際情況的擴(kuò)大頭錨桿承載力計(jì)算公式。除此之外，解決擴(kuò)大頭錨桿受力過(guò)程中的軸力變化和剪應(yīng)力分布特征的變化問(wèn)題，可為擴(kuò)大頭錨桿的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

4 破壞模式研究

研究擴(kuò)大頭錨桿的失效破壞模式，可以揭示錨桿和土的相互作用關(guān)系，認(rèn)清破壞機(jī)理，能夠?yàn)閿U(kuò)大頭錨桿的設(shè)計(jì)提供依據(jù)，對(duì)于工程的安全性問(wèn)題至關(guān)重要。擴(kuò)大頭錨桿的破壞形式主要有3種類型，即桿體屈服破壞、注漿體與桿體間的裹握失效破壞、擴(kuò)大頭端周土體破壞。前兩種形式的破壞可以通過(guò)人為調(diào)整結(jié)構(gòu)參數(shù)的方式來(lái)避免，因此，在錨桿失效破壞的研究中，主要以土體的失效破壞為主。

李坤等[50]通過(guò)數(shù)值模擬的方式，展示了擴(kuò)大頭錨桿-土體之間的相互作用：當(dāng)擴(kuò)體段開(kāi)始發(fā)生位移，擴(kuò)體兩側(cè)的土體最先發(fā)生變化，表現(xiàn)出應(yīng)力集中。加載過(guò)程中，擴(kuò)體對(duì)周邊土體的影響較大，導(dǎo)致土體應(yīng)力重分布，直至在新的應(yīng)力狀態(tài)下，土體發(fā)生剪切破壞，表現(xiàn)出較為顯著的端頭效應(yīng)。王利超等[51]通過(guò)分析實(shí)際工程的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，得到當(dāng)達(dá)到極限承載力時(shí)普通錨桿產(chǎn)生的位移比較小，對(duì)應(yīng)的Q-S曲線出現(xiàn)明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，其破壞具有突發(fā)性的特征，而擴(kuò)大頭錨桿的Q-S曲線則呈緩變型。陸觀宏等[52]也認(rèn)為，擴(kuò)孔錨桿具備“延性破壞”的特征，相較于普通錨桿而言，破壞速度要緩慢得多，因此當(dāng)邊坡有失穩(wěn)跡象時(shí)，可以有更充足的時(shí)間進(jìn)行搶救或加固。郭鋼等[53-54]通過(guò)室內(nèi)模型試驗(yàn)，將數(shù)字照相變形量測(cè)技術(shù)應(yīng)用到擴(kuò)底錨桿的室內(nèi)抗拔試驗(yàn)中，總結(jié)了擴(kuò)體錨桿兩種不同破壞模式：當(dāng)擴(kuò)體錨桿淺埋時(shí)，其破壞后果相對(duì)嚴(yán)重，具有突發(fā)性，破壞體呈倒鐘形且一直延伸至地表。當(dāng)擴(kuò)體錨桿深埋時(shí)，破壞會(huì)對(duì)地表以下一定深度內(nèi)的土體產(chǎn)生影響，破壞性較小，因此建議擴(kuò)大頭錨桿采用深埋的形式。劉劍平等[55]利用分層砂雨法模擬天然砂土層進(jìn)行試驗(yàn)，得出擴(kuò)體錨桿破壞時(shí)均存在一個(gè)破壞錐體，且錐體的直徑大小受擴(kuò)體直徑的影響較大。

現(xiàn)有的研究成果表明，對(duì)擴(kuò)大頭錨桿破壞模式的研究多是對(duì)試驗(yàn)現(xiàn)象的說(shuō)明，或者是運(yùn)用數(shù)值模擬的方法分析周圍土體的變化過(guò)程，研究?jī)H停留在宏觀層面，應(yīng)對(duì)擴(kuò)體錨桿破壞現(xiàn)象背后力學(xué)機(jī)理做出解釋，并總結(jié)出不同土質(zhì)、不同參數(shù)條件和擴(kuò)大頭錨桿的不同埋置方式下的破壞規(guī)律。

5 參數(shù)選取研究

對(duì)于普通錨桿，錨固力主要由錨固段與地基土的摩擦力提供，但由于地基土本身力學(xué)性質(zhì)的限制，土體和土錨摩擦面的力學(xué)指標(biāo)難以改變，因此，在普通錨桿的設(shè)計(jì)過(guò)程中，往往會(huì)通過(guò)增加錨固段的長(zhǎng)度以提升抗拔承載力。已有許多學(xué)者對(duì)普通錨桿的錨固段長(zhǎng)度與抗拔承載力的關(guān)系展開(kāi)研究，得到的結(jié)論可以總結(jié)為，單純通過(guò)增加錨固體的長(zhǎng)度來(lái)提高其極限承載力是受到限制的，即存在有效錨固長(zhǎng)度[56-58]。當(dāng)參數(shù)問(wèn)題從普通錨桿過(guò)渡到擴(kuò)大頭錨桿，由于可討論的參數(shù)變多，問(wèn)題也會(huì)變得相對(duì)復(fù)雜。

張慧樂(lè)等[59]、陳宇佳[60]、王立峰[61]等學(xué)者針對(duì)擴(kuò)大頭錨桿的擴(kuò)體直徑和擴(kuò)體段長(zhǎng)度這兩個(gè)參數(shù)對(duì)極限承載力的影響進(jìn)行了探究，所得結(jié)論可表述為：擴(kuò)體段直徑對(duì)擴(kuò)體錨桿極限承載力影響較大，兩者表現(xiàn)為正相關(guān)關(guān)系，而擴(kuò)體段長(zhǎng)度則對(duì)擴(kuò)體錨桿極限承載力影響較小。任德斌等[62]認(rèn)為錨固段長(zhǎng)度增加，周圍土層的水平位移逐漸變小最后趨于穩(wěn)定，增加錨桿的錨固段直徑，減小了周邊土體的變形程度，同時(shí)緩慢減小了錨桿軸向力，說(shuō)明了擴(kuò)孔段直徑對(duì)土層穩(wěn)定性起著較大作用。王秋祥等[63]通過(guò)研究給出了擴(kuò)體直徑的合理取值范圍1.5≤D/d≤3.0(其中D為擴(kuò)體直徑，d為普通段直徑)。

張偉光等[64]認(rèn)為增擴(kuò)體的形狀也是影響錨固力發(fā)揮的重要因素，其通過(guò)對(duì)圓柱體、倒圓臺(tái)體和圓臺(tái)體這3種形狀增擴(kuò)體進(jìn)行受力分析，得到圓臺(tái)角度(圓臺(tái)體母線和軸線的夾角)小于45°時(shí)的倒圓臺(tái)體擴(kuò)孔錨桿的綜合性能最優(yōu)，對(duì)周邊圍巖的擾動(dòng)影響也最小，是最優(yōu)擴(kuò)體增擴(kuò)方式。對(duì)于擴(kuò)孔位置的研究，劉少偉等[65]認(rèn)為相比于在中部和前部擴(kuò)孔，孔蒂擴(kuò)孔的方式更有利于提高擴(kuò)體錨桿的整體錨固系統(tǒng)性能，同時(shí)擴(kuò)孔段與錨固段長(zhǎng)度比以1∶2為最佳。

擴(kuò)大頭錨桿的參數(shù)研究方面，只針對(duì)常規(guī)擴(kuò)大頭錨桿的參數(shù)進(jìn)行討論，不涉及其他新型擴(kuò)體錨桿。目前對(duì)于擴(kuò)大頭直徑和擴(kuò)孔段長(zhǎng)度的研究成果較多，而且所得結(jié)論也較為一致。但由于擴(kuò)體錨桿本身的參數(shù)較多，僅對(duì)這兩個(gè)參數(shù)開(kāi)展研究顯然不夠，比如，擴(kuò)孔段數(shù)也是擴(kuò)孔錨桿的重要參數(shù)之一，相較于單段擴(kuò)大頭錨桿，多段式擴(kuò)孔錨桿有更優(yōu)異的承載性能[66]，但段數(shù)如何選定才為最合理鮮有探討。對(duì)于擴(kuò)體錨桿錨固角的研究成果目前也不夠豐富，江建洪通過(guò)理論推導(dǎo)，得出當(dāng)主動(dòng)土壓力K0≤1時(shí)，其極限端壓力隨錨桿傾角的增大而減小，當(dāng)K0>1時(shí)，極限端壓力則隨錨桿傾角的增大而增大[67]。在普通錨桿的研究中，林杭等[68]和蔣明杰等[69]對(duì)邊坡錨桿的最優(yōu)錨固角進(jìn)行了探討，得到結(jié)論：隨著錨桿傾角的增大，邊坡安全系數(shù)先增大后減小，由此可以看出，存在最優(yōu)錨固角。但這些結(jié)論是否適用于擴(kuò)大頭錨桿至今還沒(méi)有學(xué)者加以討論，再者，對(duì)于擴(kuò)孔段數(shù)的探討和各參數(shù)之間的組合研究等目前少有文獻(xiàn)提及，應(yīng)充分開(kāi)展擴(kuò)大頭錨桿的參數(shù)組合研究。此外，由于試驗(yàn)條件的限制，對(duì)于參數(shù)的研究常常通過(guò)數(shù)值模擬和室內(nèi)試驗(yàn)的方式展開(kāi)，而這些手段往往對(duì)實(shí)際條件進(jìn)行了簡(jiǎn)化，前提假設(shè)較多，因此對(duì)于已有研究成果的實(shí)際工程應(yīng)用效果也有待考究，今后還應(yīng)加強(qiáng)基于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的擴(kuò)大頭錨桿參數(shù)研究。

6 結(jié)論

著重從擴(kuò)大頭錨桿類型、適用性、承載特性、破壞模式、參數(shù)選取5個(gè)方面對(duì)擴(kuò)大頭錨桿的研究進(jìn)展進(jìn)行了歸納總結(jié)，得到如下認(rèn)識(shí)。

(1)在擴(kuò)大頭錨桿的類型研究方面，出現(xiàn)了許多形式的擴(kuò)大頭錨桿，試圖來(lái)解決傳統(tǒng)擴(kuò)大頭錨桿存在的施工工藝復(fù)雜等問(wèn)題。這些新型擴(kuò)大頭錨桿較傳統(tǒng)擴(kuò)大頭錨桿而言雖然施工方便，但適用范圍相對(duì)較窄，一般僅適用于軟土地層，探索操作便捷、適用范圍廣的新型擴(kuò)大頭錨桿仍是有待解決的問(wèn)題。

(2)在土層適用性的研究方面，普通錨桿可以應(yīng)用的地層，擴(kuò)大頭錨桿可以表現(xiàn)出更優(yōu)越的承載性能，在普通錨桿應(yīng)用較為困難的軟土地基中，擴(kuò)大頭錨桿也表現(xiàn)出了較為理想的變形控制能力。然而針對(duì)在特殊土如膨脹土、黃土和凍土等這些普通錨桿支護(hù)效果不佳的特殊土邊坡中，擴(kuò)大頭錨桿適用性的研究成果較少，此外，研究擴(kuò)大頭錨桿在這些特殊土的適用性問(wèn)題，應(yīng)注重將支護(hù)的即時(shí)效果和支護(hù)后的效果變化相結(jié)合，即用注重過(guò)程研究的方式去評(píng)判擴(kuò)大頭錨桿在這些特殊土地層中的適用性。

(3)在擴(kuò)大頭錨桿的承載特性方面，研究成果集中于極限承載力的理論推導(dǎo)，其他方面諸如擴(kuò)大頭錨桿的軸力、剪應(yīng)力分布等鮮有涉及，此外，已有的研究成果各執(zhí)一詞，沒(méi)有形成較為系統(tǒng)的理論計(jì)算公式。各計(jì)算公式中又提出了較多的假設(shè)，或者僅適用于擴(kuò)大頭錨桿的某個(gè)特定階段的變形，這勢(shì)必造成公式的適用性范圍減小，與實(shí)際情況相差較大。因此，今后應(yīng)在前人的研究基礎(chǔ)上，結(jié)合土體的性質(zhì)和應(yīng)力狀態(tài)提出計(jì)算結(jié)果更貼切實(shí)際情況、適應(yīng)范圍更廣的擴(kuò)大頭錨桿承載力計(jì)算公式，還應(yīng)對(duì)支護(hù)后擴(kuò)大頭錨桿內(nèi)部軸力和剪應(yīng)力開(kāi)展研究，補(bǔ)充和完善擴(kuò)大頭錨桿承載特性的理論體系，為可為擴(kuò)大頭錨桿的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

(4)在擴(kuò)大頭錨桿的破壞模式方面，已有研究多是對(duì)試驗(yàn)現(xiàn)象的說(shuō)明，或者是運(yùn)用數(shù)值模擬的方法獲取錨周土體的變化過(guò)程，研究?jī)H停留在宏觀層面，缺乏對(duì)擴(kuò)體錨桿破壞現(xiàn)象背后的力學(xué)機(jī)理以及破壞模式與擴(kuò)大頭錨桿各參數(shù)之間的關(guān)系的系統(tǒng)深入研究。在今后的研究工作中，應(yīng)透過(guò)現(xiàn)象看本質(zhì)，結(jié)合擴(kuò)大頭錨桿的破壞模式，探究其破壞現(xiàn)象背后力學(xué)機(jī)理，并總結(jié)出不同土質(zhì)、不同參數(shù)條件和擴(kuò)大頭錨桿的不同埋置方式下的破壞規(guī)律。

(5)在擴(kuò)大頭錨桿的參數(shù)選取研究方面，研究成果主要集中于擴(kuò)大頭直徑和擴(kuò)孔段的長(zhǎng)度這兩部分，而且所得結(jié)論也較為一致。但由于擴(kuò)體錨桿本身的參數(shù)較多，僅對(duì)這兩個(gè)參數(shù)開(kāi)展研究顯然不夠，擴(kuò)孔段數(shù)、擴(kuò)孔間距、錨固角、擴(kuò)孔形狀等參數(shù)對(duì)其承載性能影響的研究應(yīng)重點(diǎn)開(kāi)展，這對(duì)于擴(kuò)大頭錨桿的優(yōu)化設(shè)計(jì)至關(guān)重要。