1、研究背景

随着我国经济的迅速发展，隧道、边坡等工程的立项增多，对锚杆支护的需求比重也越来越大，其受力环境也变得越来越复杂。上个世纪五十年代以前，锚杆技术只是作为施工过程的一种临时性措施，五十年代中期，在国外的隧道工程中开始广泛采用小型永久性灌浆锚杆和喷射混凝土代替以往的隧道衬砌结构。六十年代以来，锚杆技术的迅速发展，不仅在临时性建筑物基础开挖中使用，在修造永久性建筑物时也较为广泛地应用。与此同时，可供锚固的地层不仅限于岩石，而且也有了在软岩、风化层以及砂卵石、软粘土等土层中进行锚固的经验。八十年代以来，瑞典、德国、美国、英国、日本等国家分别研制了多种不同类型的锚杆施工工具和灌浆工艺，各国还各自制定了锚杆设计和施工的技术规程，现在锚杆技术在经济建设中正起着越来越重要的作用，同时也对锚杆更加复杂的受力环境的研究提出了新的挑战。

工程上使用的锚杆通常由锚固段、自由端和锚头三部分组成。锚杆作为深入地层的受拉构件，它一端与工程构筑物连接，另一端深入地层中，整根锚杆分为自由段和锚固段，自由段功能是对锚杆施加预应力；锚固段功能是将锚固体与土层的粘结摩擦作用增大，增加锚固体的承压作用，将自由段的拉力传至土体深处。在工程实践中，土层锚杆的结构形式有很多种。按是否施加预应力可分为预应力锚杆和非预应力锚杆;按锚固方式的不同可分为摩擦型锚杆、粘结型锚杆、端头锚固型锚杆和混合型锚杆;按照锚固体传力方式的不同可分为压力型锚杆和拉力型锚杆;按照锚固体结构形态的不同可分为圆柱形锚杆、端部扩大型锚杆和连续球体型锚杆等。

边坡稳定性及其加固技术一直是岩土工程研究者关注的重要问题之一。80年代以后，法国、英国、美国、日本等国就开始广泛采用锚杆锚固技术维护边坡稳定。如今常用的边坡加固技术主要有支挡结构、抗滑桩和锚杆锚固技术等。其中锚杆锚固技术因其能充分利用土体强度、提高土体自身稳定性、土层适应性强以及造价低廉等特点而成为目前加固边坡最为经济有效的技术方法之一。随着土层锚杆技术在土木、水利水电和交通等永久性土质边坡加固工程中广泛的应用，所遇到的工程地质条件也越来越复杂多变，如何增大土层锚杆的极限抗拔承载力己成为当前土层锚杆研究的主要方向，这就需要我们进一步深入研究锚杆的受力性能及锚土相互作用机理。

2、研究现状

在边坡工程锚固方面，许多学者做了大量研究。Kumar Jyant^[1]利用极限分析方法，建立了一种封闭形式的极限承载力上界解，发现在保持平均埋深比不变的情况下，水平锚的拉拔能力与水平地面相同；而在斜坡上，与边坡平行排列的锚杆，随着边坡倾角的增大，倾覆荷载不断减小。Xu D等^[2]采用玻璃纤维增强聚合物锚栓加压注浆加固边坡，并用特殊保护的光纤传感器，获得了不同开挖阶段GFRP锚杆的全应变分布图,通过弹性理论分析，确定了活性区内的拉伸力分布为曲线型，通过对锚杆的应变数据进行数值微分，得到了锚杆的剪应力分布。Guanghua Yang等^[3]采用变模弹塑性强度折减法计算边坡的应力场、位移场和安全系数。Cai F等^[4]指出了传统锚杆稳定边坡安全系数计算方法的局限性，进一步提出了考虑锚杆加固对安全系数影响的新方法，采用三维抗剪强度折减有限元法，采用三维零厚度弹塑性界面单元模拟土锚相互作用，计算锚固边坡的安全系数。Zhong L等^[5]提出了边坡临界滑移面动力搜索模型，给出了整个过程中各锚杆张紧力最优稳定解的计算模型，实现了开挖过程中边坡稳定性的实时分析与验算。梅岭等^[6]利用经典瑞典条分法，在现有锚杆格构梁支护边坡稳定系数计算方法的基础上，将膨胀力作为一个外力施加于土体，推导了膨胀力作用下膨胀土边坡的稳定系数的计算公式，得到了各参数对边坡稳定性的影响规律。孔维风等^[7]基于FLAC 3D强度折减法进行锚固边坡稳定性分析，采用双弹簧单元模拟锚杆加固边坡，探讨了锚杆施加位置、锚杆长度、锚固角度以及锚杆预应力等因素对边坡稳定性的影响。赵华鹏等^[8]以一理想层状煤系地层边坡为研究对象，运用岩土分析软件 Geo-studio 分析研究了锚杆长度和边坡安全系数的关系。得出随着加固锚杆长度的增加，边坡的安全系数逐渐增大，当加固锚杆的长度超过极限值之后，边坡的安全系数则不再增大。王海涛等^[9]运用 MIDAS 有限元软件，结合大连石门山高陡边坡实际工程，探讨了预应力锚杆加固的高陡边坡在开挖支护过程中位移开展情况，得出预应力锚杆能够有效地限制边坡的水平位移和竖向沉降，但是当预应力超过界限值后，继续增大预应力值对位移改变的影响不太明显。

在锚杆的极限拉拔力方面，锚杆在轴向荷载作用下其抗拔力主要取决于锚杆杆体材料强度、周围岩土体的相对强度以及由锚杆杆体与灌浆体间的粘结力和灌浆体与岩体间的粘结力构成的锚固体的抗拔力。Zhao L H等^[10]利用上限极限分析计算了水平板锚的极限抗拔能力和形状修正系数，经过研究发现锚杆类型、埋深比、材料特性对锚杆极限拉拔力有影响。Liu X等^[11]通过全尺寸拉拔试验和理论分析，对锚杆在极限荷载作用下的受力性能进行了研究，建立了考虑锚固界面弹塑性应力应变关系的分析框架。谷拴成等^[12]为了在锚杆设计中能方便准确的确定锚固层的抗剪强度, 基于弹塑性理论, 建立了锚杆在拉拔力作用下的理论模型, 推导了锚杆作用过程的荷载传递函数, 得出了锚固层界面的极限抗剪强度参数与锚杆拉拔试验曲线之间的理论关系式。吴英华^[13]总结了锚杆握裹力与位移关系的四种模型，对其中三种模型从握裹力分布、荷载位移关系和极限抗拔力等问题从理论上进行了分析，得出了极限抗拔力并不是随着锚固长度的增加而线性加大的结论，而是存在着临界锚固长度。

由于传统锚索主要由锚固段侧摩阻力提供抗拔力，而扩大头锚索的抗拔力由侧摩阻力和端阻力共同提供，两者之间的工作机制存在显著差异。现有的极限抗拔力计算公式不适用于扩大头锚索的极限抗拔力计算，针对扩大头锚索的理论研究相对较少，且尚未形成成熟的极限抗拔力的计算方法。Little john等^[14]参照桩的极限抗拔力的计算方法，提出适用于低压力注浆的扩大头锚杆的极限抗拔力计算公式。梁月英^[15]基于普通压力型锚杆的弹性力学分析方法，推导出扩孔压力型锚杆锚固体轴向应力及锚固体与岩土体粘结界面的剪应力计算公式，得到两者沿锚杆轴向的分布规律呈负指数变化，并推导了极限抗拔力计算公式。杨卓^[16]基于别人的研究成果，引入圆孔扩张理论，得到了囊压式扩体锚杆的极限抗拔力计算方法。上述理论研究及规程公式仅考虑了扩大头锚固段近端受到的土压力，忽略了扩大头锚固段远端的土压力，会导致计算结果偏大，同时规程方法中的极限摩阻力强度标准值取值对计算结果影响较大，对该参数的精度要求较高，而实际应用中需要通过试验才能得到较为准确的摩阻力标准值，造成规范公式实际应用难度大。

目前，许多学者对土层锚杆的锚固机理、荷载应力传递机制、锚杆破坏模式以及锚固工程的设计及稳定性分析都进行了大量研究。张季如等^[17]在假定锚固体与锚固层之间的剪力与剪切位移呈线性增加关系的基础上，提出一种新的荷载传递双曲函数模型，分析表明，锚杆的剪切位移、摩阻力分布和临界锚固长度均取决于锚固体与锚固层之间的剪切模量与锚固体弹性模量之比值，与锚固体长度无关。肖淑君等^[18]运用剪切位移法对拉力型锚杆进行了力学机理分析，讨论了一些参数对锚杆承载力的影响。沈俊等^[19]针对应力分散型的两种锚索进行了锚杆荷载传递规律和加固机制的研究，试验表明两种形式的锚杆剪应力在注浆体与孔壁间的分布都是很不均匀的，剪应力达到峰值点后，随锚固长度的增大基本上是呈负指数函数关系衰减。

传统的机械锚杆的优点主要是安装迅速，可即时达到承载力，可二次张紧，缺点主要是钻孔中锚固段较短，在高应力区容易导致岩层破坏，锚固力一般偏低，只适用中等稳定以上岩层。土层锚杆主要优点有：（1）锚杆施工机械及设备的作业空间不大，因此可以适合各种地形及场地；（2）用锚杆代替钢横撑做侧壁支撑，不但可节省大量钢材，还可改善施工条件；（3）锚杆的设计拉力可由抗拔试验获得，因此可保证设计有足够的安全度；（4）锚杆可采用预应力，以控制建筑物的变位量；（5）施工量、噪音和振动均很小。

端部扩大锚杆可以增加受力面积，提高锚杆承载力，也是目前新型锚杆的一个研究热点。针对锚杆所提供的抗拔力相对较小的问题，从带扩大头桩锚的受力机制入手，将扩底桩与抗拔锚杆的优势有机结合，制作出一种结构简单、操作方便的新型伞状锚杆，在一定程度上相当于带配筋的扩底桩^[20-21]。谢立全等^[22]等应用二维颗粒流分析程序，对新型伞状锚的安装、抗拔承载能力进行了数值模拟，并与普通锚桩进行比较分析，验证其有效性。针对伞状锚与普通锚桩在拉拔过程中的土体破坏机制，从细观角度分析了其抗拔承载能力的提高机制。刘益, 梅国雄等^[23-24]针对现有抗拔锚杆承载力过小的不足，设计出一种新型伞状抗拔锚，并运用室内拉拔试验手段分析其抗拔性能及受力特点，结合有限元模拟，明确了伞状锚的抗拔力主要因素，基于试验和数值模拟分析提出伞状锚的极限承载力特征值估算公式，为伞状锚的工程应用奠定了理论基础。徐敏等^[25]通过现场试验获得了伞状锚抗拔承载性能，为获得伞状锚达到极限状态时的Q-S曲线，采用 ABAQUS有限元软件，对伞状抗拔锚和抗拔桩的原位抗拔试验进行数值模拟，结果表明伞状锚的抗拔性能存在很大潜力，具有显著的优越性。梅国雄等^[26]在研制出新型伞状抗拔锚并对其进行室内模型试验的基础上，进一步对其展开现场实测试验，试验结果表明，与传统抗拔桩相比，伞状锚的施工工艺与之类似，但在承载力方面，新型伞状抗拔锚承载力的提高非常明显，再次证实了伞状锚的优越性，为其工程推广应用奠定了良好的基础。除了比传统抗拔锚杆更具优势之外，膨胀土高边坡在开挖过程中出现边坡稳定问题，新型预应力伞型锚加固技术也是一种新的解决途径，并且伞状锚在膨胀土高边坡加固及滑坡治理方面均取得良好效果^[27-29]。

3、研究目的及意义

锚固技术的发展和应用是现代岩土工程的一个重要标志，对国民经济的发展具有相当重大的意义。锚固机理的研究直接关系到工程的安全、经济、效率等问题，因此，加强对锚固理论的深入研究和探讨，对推动岩土工程领域的发展有相当重要的意义。目前，锚固技术的理论研究远落后与实践，这大大阻碍了锚固技术的发展。针对现有抗拔锚杆承栽力过小的不足，设计出一种新型伞状抗拔锚，并运用模型试验和数值模拟手段分析其抗拔性能及受力特点，本项目针对长江科学院开发的新型伞型锚及其加固膨胀土边坡的工程实例，通过室内模型试验手段、数值模拟、理论分析，开展伞型锚拉拔过程中土体变形、破坏模式和拉拔承载力的研究，提出伞型锚的极限承载力特征值估算公式，为伞型锚的工程应用以及优化提供理论基础。