第 1 章 绪论
1.1 科学意义和应用前景
锚固基础是一种可以提供抗拔力的基础，它的最初形式为土锚，可追溯到几千年以前，起初形式比较单一，后来逐渐发展了比如板锚、锚桩、螺旋锚等形式。螺旋锚基础利用土体的抗力，具有良好的抵抗法向荷载的能力。通常来说，螺旋锚基础是由一个锚片或者多个锚片组成，分别称为单锚片螺旋锚和多锚片螺旋锚，如图1-1所示为螺旋锚基础。锚片通过等间距和非等间距被焊接在螺旋锚锚杆上，而锚杆截面形状有圆形或方形。根据锚片的埋置深度和锚盘直径比值的不同，可以分为浅埋锚和深埋锚两种情况。在安装时，采用人工或者机械方式，对螺旋锚锚杆顶部施加一定的扭矩，这样可以使得螺旋锚自身旋入土中，完成安装过程。
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1.2 研究现状分析
1.2.1 国外研究现状
早在 1833 年，螺旋锚基础就出现并且开始应用，有人将它作为灯塔的基础。但由于锚固岩体的复杂性，对于螺旋锚的理论研究总落后于实践[21]。
Das[22]总结了一些室内研究螺旋锚承载性能的方法，包括极限平衡法和有限单元法等。
Rowe 等[23]运用有限元方法对水平放置的条形锚板进行上拔，分析初始地应力、锚板粗糙程度和土体剪胀度的影响。发现关联流动时的初始地应力对上拔承载力的影响几乎为零；非关联流动时，上拔力随侧压力系数变大而增加；锚板粗糙程度对抗拔力几乎没有影响；土体剪胀程度对抗拔数值结果影响很大。
Merifield 等[24~26]通过建立多锚片螺旋锚数值模型以替代半经验方法设计的模型，使得人们可以使用此模型来预测螺旋锚的提升能力，而半经验方法设计的模型过于保守；此外，他在浅埋和深埋两种情况中，分析饱和黏土中不同锚片数量和锚片间距的螺旋锚的极限承载力。
Hanna 等[27]通过试验测试推导出螺旋锚的失效机理，利用极限平衡给出了砂土中浅埋单锚片螺旋锚和平板锚的荷载-位移关系，确定了单个锚承载时的工作影响半径，从而确定安装每个锚之间的间距，可以避免锚与锚之间相互影响，以发挥承载效率。
Wang 等[28]对于在非均质饱和黏土中不同锚片间距的多锚片螺旋锚进行大变形分析，认为锚盘间距比 S/D≤3.2 时锚片间土体破坏区域为圆柱形，
S/D≥5 时，发生承载量破坏，每个锚片都可最大化发挥承载能力。其中 S 为螺旋锚锚片间距，D 为锚片直径。
Mitsch 等[29]、Mooney 等[30]应用极限平衡法，分别给出了砂土和黏土中多锚片螺旋锚的极限抗拔承载力公式。其中顶部锚片上方土体发生整体破坏，破坏面为倒锥形，锚片之间的土体为圆柱形破坏。
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第 2 章 有限元模型
2.1 组合基础
组合基础是由吸力桶与螺旋锚组合而成，螺旋锚锚杆顶部上表面与吸力桶顶部上表面相切。吸力桶顶部中心处有一处孔洞，孔洞直径与螺旋锚锚杆直径相同。组合基础的安装需要螺旋锚基础、吸力桶基础、一个驱动管和抽真空装置，抽真空装置包括抽水泵和抽水管，如图 2-1 所示。
在驱动管底部、螺旋锚锚杆顶部和吸力桶顶部孔洞侧壁处设置螺纹，以便于螺旋锚基础与驱动管、螺旋锚基础与吸力桶基础紧密接触。安装前，将驱动管底部与螺旋锚锚杆顶部相连，抽真空装置与吸力桶顶部相连。安装螺旋锚时，旋转驱动管，使得螺旋锚切土运动到指定位置。接下来通过抽真空装置抽吸吸力桶内部的水，使得吸力桶形成桶内外压差，在压差和吸力桶自重共同作用下，迫使吸力桶逐渐下沉。等到吸力桶即将下沉到指定位置时，反向旋转驱动管，松开驱动管与螺旋锚的螺纹接触，但注意仍要保证驱动管底部与螺旋锚杆端顶部紧密接触，直至吸力桶安装完毕。在安装吸力桶时，应采用机械对吸力桶施加一定的旋转，使得吸力桶在负压、自重和力矩共同作用下与螺旋锚通过螺纹紧密接触，待吸力桶安装完毕，拔出驱动管，完成组合基础的安装。
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2.2 有限元法及 ABAQUS 介绍
有限元法又称有限单元法或有限元素法，是集数学、物理学、计算机等多种学科为一体的产物。作为一种数值计算方法，应用于以拉普拉斯方程和泊松方程描述的物理场中。它的原理是将求解域离散，这些离散的求解域通过一定的方式连接起来，形成单元组合体。有限元法分析问题的思路起源于 20 世纪 40 年代，1941 年，Hrenikoff 指出求解力学的一种思路，即用框架求解：把每一个杆件作为一个单元，整体结构就成为了一个有限单元集合的组合体，分析每一个单元力学性质，集合起来就可以得到整体结构力学方程，再利用计算机求解，但是此种方式仅仅适合于杆系结构来建造离散模型。1943 年，Courant 发表论文首次提出，应用三角区域上的多项式函数求解圣维南扭转问题，这是首次应用有限元法求解连续结构问题。1956 年，Turner、Clough 等人将钢架位移法推广于弹性力学平面问题中，使用三角形单元求解平面应力问题，并给出了正确答案，这是现代有限元法的首次成功尝试。Clough于 1960 年进一步处理平面弹性问题，提出了“有限单元法”这一概念，此后逐步被人们了解运用，比如处理结构、流体和电磁学等复杂的问题[62]。传统的有限元法假设分析域是无限的，材料大多是各向同性的，对边界的处理也较为简单。然而在实际中，分析域往往是有限的，材料是各向异性的，边界条件难以确定。对此，一些学者提出了一些分析方法：Daniel 等[63]提出用GFEM(Generalized Finite Element Method)分析含有孔洞特征的分析域，比利时学者[64]提出用 HSM(the Hybrid metis Singular element of Membrane plate)处理开裂问题。在我国，有限元分析方法应用于大量工程实例，从微米级器件再到三峡工程，在方方面面均有体现，渗透在工程的各个领域之中[65,66]，它的发展有着极其广阔的前景。目前，比较流行的有限元分析软件主要有 ABAQUS、ANSYS、MSC 等。
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第 3 章 基础承载性能分析 ························· 21
3.1 基础承载力系数 ································· 21
3.1.1 组合基础承载力系数 ······························· 21
3.1.2 螺旋锚基础承载力系数 ······················ 23
第 4 章 基础承载影响因素分析 ···························· 43
4.1 吸力桶的长径比对吸力桶承载力的影响 ························· 43
4.2 锚片直径对螺旋锚承载力的影响 ························· 44
4.3 土体参数对基础承载性能的影响 ················· 45
第 4 章 基础承载影响因素分析
4.1 吸力桶的长径比对吸力桶承载力的影响
本文作出了长径比 L/D=1、2、3、4 的吸力桶基础的数值模型，研究长径比对吸力桶承载力的影响。图 4-1(a)为不同长径比情况下基础的法向承载力系数曲线。
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结论
本文运用有限元 ABAQUS 软件，采用 Tresca 模型，对土体底部和侧面施加约束，针对于螺旋锚和吸力桶相组合的组合基础、螺旋锚基础和吸力桶基础，分别建立三者与土作用的数值模型，通过对其上参考点施加位移荷载的方法，分析在各种情况下的极限承载力，得到的结论如下：
1) 组合基础最大法向、切向和力矩极限承载系数分别为 34.46、9.85 和 7.19；螺旋锚基础最大法向、切向和力矩极限承载系数分别为 12.99、0.38 和 2.41；吸力桶基础最大法向、切向和力矩极限承载系数分别为 14.34、9.36 和 4.63。模拟得到组合基础的法向、切向和力矩最大极限承载力均比吸力桶和螺旋锚单独承载时的承载力之和大，尤其是组合基础的抗拔承载力相较于二者单独作用时的提升和组合基础的切向承载力相较于螺旋锚的提升，说明组合基础承载性能的优势。
2) 对三种基础分别施加组合荷载，方法是施加两种荷载，使得基础达到极限承载，通过不断改变某种荷载值来改变二者荷载的比值，使基础再次达到承载极限情况，求解极限承载力系数，绘制出三种基础的极限承载系数包络面。对于组合基础，参数 m=2.064，n=2.080，p=1.170，q=3.016；对于螺旋锚基础，参数 m=1.904，n=2.079，p=0.225，q=1.198；对于吸力桶基础，参数 m=2.176，n=2.032，p=0.303，q=2.580。
3) 本文作出长径比 L/D=1、2、3、4 的吸力桶基础的数值模型，分别施加单一法向、切向和绕 X 轴转角，发现随着长径比的增大，吸力桶的法向、切向和力矩极限承载系数均有显著的提高。故吸力桶长径比会影响其承载性能。
参考文献（略）