1绪论
1.1引言
随着我国经济的迅速发展，城市规模的不断扩大，新建的建筑项目都是往20层一30层的高层建筑趋势发展，对地下空间的利用也不断加强，深基坑工程越来越多。铺索（杆）作为支护体系的一部分，在基坑等基础工程或者是巷道等项目中应用较多，大多作为工程的一部分使用，对于一些不可以采用钢筋混凝土或钢支撑的工程中用铺索或锚杆代替。锚索是釆用钢绞线或髙强钢丝束作杆体材料，将拉力传递到稳定围岩或土体的锚固体系统⑴。一般由杆件体、注衆体、锚具体、套管和有可能使用到的各种连接件构成。锚杆（索）作为支护体系组成的重要元件，在深基坑等基础工程中应用较普遍，尤其体现在开挖深度深或宽度大的基坑，相比较釆用内支撑而言，釆用铺索支护就有比较明显的优势。对于常见的一般锚杆铺固段直径大多数是l10mm-l20mm (而扩大体的锚索及锚杆锚固段直径大约可达到400~2000mm)。摩檫力决定锚杆的抗拔力，摩擦力是锚固段与周围土体之间的相互作用力[2]。常见的一般锚杆直径小，导致单独一根锚杆的抗拔力较小，在土层中釆用锚索作为支撑构件，增加锚杆锚固段长度以及缩小锚杆杆间距的方法可以满足结构抗拔力设计的需要[3],但是若杆间距过小则会出现“群锚效应”，而且单单增加锚杆锚固段长度不可能无限制的提髙抗拔力，普通锚索应用受到限制。在深基坑支护工程中，一般对于承受弯矩和剪力的支护结构，当采用悬臂梁支护结构不能满足承载力和变形要求时，内支撑和锚索这两种方式可以增加水平支点，来满足承载力及变形要求。在上述所说的方法中，第一种方法的优点：对于常出现的水平变形可以控制和有效减小，缺点：对地下主体结构的施工产生扰动和影响，施工成本高，工期大大延长，浪费时间及人力，而且内支撑的拆除支撑的工作比较繁琐，大大浪费时间，使施工时间增多工期延长，拆除支撑的工作会对周边环境产生振动扰动，对周围环境的需求较高；采用第二种方法可以克服内支撑形式的缺点，增加其优点，更好的用于支护基础工程中。锚索技术可以与其它构件共同使用增强支护能力例如：桩基础、墙体、梁柱式网格结构，在一些较大宽度的深基坑中，与内支撑结构相比，釆用锚索支护，会产生更好的经济效益，还可以提供宽敞的工作面在机械胡施工中，在高楼下方地下室施工中也可用锚索技术，大大加快工程建设速度。
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1.2锚索扩孔发展现状及机理
锚杆的种类很多，一般通过锚筋来确定，锚筋有螺纹钢筋、钢绞线、髙强钢丝等，通过铺筋可以定义锚索及锚杆。锚索一般是指锚筋（即受拉件）为钢绞线的锚杆，通常应用在大吨位锚固工程中，锚索受力较大，还需要施加预应力，受力形式分为铺固段和自由段。由于描索是主动受力的，所以大部分是需要施加预应力的。正因为存在预应力，所以锚索多用在一些已经出现变形的部位，还有一些对变形要求很严格的工程部位。锚索结构的三部分是内锚头、自由段和外锚头。内锚头常称为锚固段，是依靠围岩稳定性，提供锚索抗拔力的基础；外锚头设置在提供张拉力和锁定部分；自由段是连接内、外锚头的组件，但也承受拉力。一般而言，锚索是由钻孔穿过软弱围岩或滑动面，把内锚头锚画在稳定的岩体中，然后通过外锚头进行张拉和锁定，进而获得锚固力，以解决不稳定的地质体的稳定性问题。锚索俗称钢绞线，规格有12.7、15.24、17.8、18.9、21.6。扩孔锚索锚固段大于常规锚索（电缆）的直径，可以缩短锚固段长度，提高铺索的承载能力，有效地解决了软弱围岩或土铺段长、承载力不高，可靠性低的问题。
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2锚索及成孔方法
2.1锚索的分类及特点
锚索一般是吊桥中在边孔将主缆进行锚固时，将主缆分为许多股钢束，这些钢束铺于锚定内，则钢束被称为锚索。锚索是通过外端固定在边坡，另一端为预应力钢绞线穿过边坡滑动面，锚固在滑动面以内的稳定岩体中。由钻孔穿过软弱岩层或滑动面，把一段描固在坚硬的岩层中即内锚头，然后在另一自由端称之为外锚头进行张拉，发挥不稳定岩体进行铺固，施加围岩压力[37]。胶结式锚根：是先填入高强胶结材料，再放入锚束，胶结材料是填入孔底扩孔段内的，把锚根嵌固。锚根锚固力是握裹力与粘聚力的集合体，握裹力是胶结材料与锚束之间的，粘结力是粘胶料与锚孔岩之间的力。高强水泥砂衆、树脂是常见的胶结材料。目前国内使用的用水泥砂莱，水泥、水及外加剂中，均不得含有有害成分如氯、硫等，水泥型号为高标号普通桂酸盐水泥。机械式锚根：是利用倒模作用，用特制的三片钢齿状夹板起到这个作用，将根部卡固并镶嵌牢固在孔底。⑵外锚头又称外锚固段，是锚索借以提供张拉吨位和锁定的部位，是实现张拉，并在张拉后用以锁定锚索，以保持锚索预应力的构件[38]。其种类有有很多比如锚塞式、常见的螺纹式、以及墩头锚式外锚固段和钢构架式外露铺固段、常见的钢筋轮圆柱体型锚墩式[39]。
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2.2扩大头成孔方法的分类及特点
端部扩大头锚索在锚索端部形成扩大头，此时锚索直径增大，接触面积也增加了，此处的接触面积是铺索铺固体扩大头与周围土体，同时扩大头改变了描固力的提供方式，即未扩径段向扩径段过渡处形成一个台阶，在此处土体对扩大头产生支承作用，这可以提高锚索的锚固力。目前，获得扩大头的方法有：机械扩孔、爆炸扩孔、水力扩孔等，机械扩孔有活塞往返移动，需要液压装置[47];爆炸扩孔，震动较大，现场管理困难，具有不确定安全因素；水利扩孔，需要高压水射流。气囊扩孔，扩孔设备为气囊，水力扩孔或充气扩孔皆可。目前最主要最常用的扩孔方法是机械扩孔，机械扩孔是土层锚索扩孔方法的其中一个应用的最早方法，同时也是最成熟的。机械扩孔以操作较熟练的常规孔径钻设成孔至设计要求孔深，随后再扩大锚固段直径。上述这一步骤采用扩孔钻头进行，到此时机械扩孔过程完成，最后下锚、注装。机械扩孔方法的特点：简便、易控制，该类使用机械扩孔的设备很多。如位于法国的代表公司Soletanche公司，英国公司以及日本、瑞典。法国生产的一种取芯扩孔设备其从外观看就像一个筒体，这种取芯设备可以伸长或缩回径向绞刀来进行扩孔，绞刀的变化与旋转速度有关，该孔洞被切成圆桶形。英国通用铺杆公司专利产品[49]:扩张方式为机械下压，切削工具为刮刀，可一次性切削成两个扩孔锥，其直径均为300mm，冲洗介质为空气，以使残留物从孔内排出，见下图2示。
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3气囊扩孔变形实验研究29
3.1气囊扩孔实验前准备29
3.2充气压力与膨胀体直径关系的实验研究30
3.3气囊扩孔实验分析39
本章小结42
4 数值模拟计算分析43
4.1气囊扩孔模型建立43
4.1.1FLAC3D 计算原理43
4.2模型模拟44
4.2.1 FLAC计算模型确定46
4.2.2模型的边界条件及模型模拟46
4.3模拟结果分析58
本章小结60
5结论与展望61
5.1 结论61
5.2展望62
4 数值模拟计算分析
气囊充气膨胀过程是一个很复杂并且不易测得的过程,在这个气囊扩孔过程中，分析会涉及到材料、几何、边界等的非线性，要想对充气膨胀过程有一个全面的了解，釆用数值模拟的方法能够便捷地分析土体的应力场与位移场，模拟气囊在压力作用下，膨胀的过程即挤压土体的过程。本节以有限差分软件FLAC3D为工具，考虑土的性质、土的大变形以及气囊性质和充气压力，对充气作用下膨胀体即气囊的变形进行模拟分析。在理论研究方面，由于解析解的复杂性，在数学计算处理上很困难，不易获得结果，即使通过数学计算获得了一个结果，但是，结果的正确性，准确度都有一定的缺陷，获得的结论有一定的局限性。数值计算方法对主要的力学响应与力学机理能够给予精确的模拟：在本科阶段学的有限单元法以及有限差分法、高等书写中用到的离散元法以及边界元法、还有一些基坑工程及巷道支护、板翘结构等力学分析中用到的界面元法及块体理论。FLAC 3D软件的基本原理是拉格朗日差分法，釆用了显式有限差分法并应用了混合单元离散模型，能准确模拟材料的屈服、塑性流动、软化直至大变形。
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结论
针对气囊扩孔锚索这一新型扩孔锚索结构，通过试验和模拟研究，对锚固机理，扩孔位移等做了研究，从模型试验出发，深入探讨了气囊膨胀机理与膨胀体直径变化。通过圆孔扩张理论，分析在膨胀过程中周围土体的应力与位移的变化规律。运用FLAC3D数值计算方法，建立了受力与位移分析模型，分析了不同力对扩体位移的影响。并对比得出的试验结果与模拟结果，进行比较分析得出结果趋势一致，进而验证其正确性与准确性。本文首先介绍了锚索的分类、特点及锚索的锚固机理，然后着重介绍了现在常见的扩孔方法：机械扩孔方法、爆破扩孔方法及水力扩孔方法。对扩大头锚索进行受力分析，了解其组成及特点、抗拔力及侧阻力。并分析了上述几种成孔方法的优缺点，引出气囊法扩孔的概念，为气囊扩孔试验做准备。通过对气囊扩孔模型的制作，对其制作上的特点进行了简要的概述。在基于对充气压力与膨胀体直径关系的实验，考虑了两种情况即无围压和有围压下充气压力与直径之间的关系。基于气囊在土体中膨胀近似为圆柱体的理论即等效圆柱体对气囊的膨胀效应进行分析，可以通过体积计算出直径。通过实验得到充气压力与膨胀体直径之间的曲线图，分析曲线可以得到它们之间的关系。气囊在土体中充气挤压土体形成空腔，气囊膨胀，压力与气囊膨胀有一定关系，当充气压力达到一定值时，压力值增幅减小而膨胀体积增加即达到极限充气压力。本章对气囊膨胀实验的的研究得到p-d曲线，对模拟结果提供实验依据。本章釆用数值模拟的方法，对受不同力作用下，扩大体直径的变化及应力变化进行模拟分析。
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参考文献（略）