扩大头锚杆-土体相互作用数值模拟与分析
FLAC_3D的锚杆拉拔数值模拟试验_江文武
图 3 网格剖分图
szz
Z sxx X
锚杆
X Y
sxx
沿锚杆轴 向施加固 定的速度 v
szz 7.5m
10 m 5 m 限制 Y 方向的位移
图 4 锚杆拉拔数值模型示意图
为了模拟锚杆拉拔过程中的影响因素，即影 响锚杆锚固的效应的因素：1） 模拟了在同样的外 部条件下，唯有浆体的摩擦角（ φg = 00 ，100 ，200 ， 300 ，400 ） 不同的条件作用下沿着锚杆轴向、径向 锚杆的应力与应变的分布规律以及锚杆的锚固 力、浆体界面上的剪应力分布特征；2） 模拟了在 同样的外部条件下，唯有浆体有效围压（ σm = 0， 2，4，6，8 MPa） 不同的条件作用下沿着锚杆轴向、 径向锚杆的应力与应变的分布规律以及锚杆的锚 固力、浆体界面上的剪应力分布特征；同时还模拟 了锚杆在拉拔过程中，锚索与岩体间的界面发生 剪切屈服、产生滑动直至拉拔破坏具体过程.
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哈尔滨工业大学学报
第 41 卷
变形和强度起着重要的作用［1 ～ 4］. 加锚岩体的数 值模拟方法大都还是基于有限元法，但一般都过 低估计锚固效果. 然而 FLAC － 3D 即三维快速拉 格朗日分析方法的出现，又为锚杆在岩体锚固机 理提供了新的机遇. 本文就锚固体的摩擦角、有效 围压等对锚杆锚固性能的影响作了分析，对锚杆 拉拔过程中锚杆锚固失效的特点进行了探索，并 将现场试验与数值模拟计算进行了对比和分析.
3 数值模拟试验结果
通过多种方案的数值模拟试验可知图 5（ a） 是现场试验得到一系列的力与位移之间的曲线， 从图 5（ a） 中得知锚杆直径为 15. 2 mm 的锚杆锚 固力 = 17 t / m. 图 5（ b） 是根据现场的地质条件建 模后计算得到的锚杆所受力与位移之间的曲线， 图 5（b）中显示当锚杆自由端施加的力小于某一 值时，力与位移基本成正比关系，当力达到一定值 即锚 固 力 时，力 保 持 不 变，而 位 移 呈 无 限 增 大 趋 势，说明锚杆已经整体失稳，锚固作用失效，图 6
框架_预应力锚杆_土体系统地震动相互作用分析模型及地震响应分析_叶帅华
Fig． 2 图2 框架锚杆土体系统动力模型
［7 ］
图1 Fig． 1
预应力锚杆锚固系统模型
Anchorage system model of the prestressed anchor
杆支护边坡简化分析方法， 董建华等
［6 ］
（ 1 ） 假定预应力锚杆锚固段为有限长等截面均质 圆杆， 材 料 为 质 量 连 续 分 布 的 线 弹 性 体， 杨氏模量 为E。 （ 2 ） 以框架柱为单元， 将框架 （ 横梁、 立柱和挡土 板） 对锚杆的作用看成一个线性弹簧和一个与速度有 关的阻尼器， 其弹簧系数为 k k ， 阻尼系数为 η k ， 如图 2 ； 所示 土体对锚杆锚固段的影响用一个线性弹簧和一 个与速度有关的阻尼器以平行的方式耦合 ， 其弹簧系 数为 k a ， 阻尼系数为 η a ， 如图 2 所示。 （ 3 ） 周围土体对锚杆端部的约束作用简化为固定 支座。 （ 4） 锚杆自由段看成一线性弹簧， 其弹簧系数为 kf 。 （ 5 ） 在水平地震作用下， 框架、 锚杆和周围土体仅 发生线弹性变形。
言
以往， 对公路、 铁路及建筑边坡的支护技术多采 用传统的重力式挡墙， 在岩质高陡边坡中也有采用框 架预应力 锚 索 和 抗 滑 桩 加 预 应 力 锚 索 的 支 护 结 构 。 然而在西北高烈度的黄土边坡中， 尤其是高陡的黄土
扩大头锚杆-土体相互作用数值模拟与分析
扩大头锚杆-土体相互作用数值模拟与分析扩大头锚杆是一种常用于土体加固工程中的锚杆形式，其主要特点是头部采用了扩大设计，能够更好地固定在土体内，并提供更大的抵抗力。
本文将以数值模拟与分析为手段，探讨扩大头锚杆与土体的相互作用机理，为工程实践提供一定的参考价值。
一、模型建立本文所研究的扩大头锚杆模型采用了三维有限元方法进行建立，其中锚杆本身采用了线弹性单元，土体则采用了三维八节点三棱柱单元。
由于扩大头锚杆常用于基础土层加固工程中，因此本文将重点研究锚杆与土体之间的相互作用机理。
二、计算分析1.静力分析在进行静力分析时，假设扩大头锚杆的力学参数为：E=2.1e11N/m2,α=1.2e-5/℃,σy=6.3e8N/m2,σult=9.5e8N/m2，并分别考虑了不同深度和不同直径的锚杆。
计算结果表明，增加锚杆深度和直径都能够有效提高锚杆的承载能力，但增加直径的效果更为显著。
在进行动力分析时，首先对锚杆进行有限元动力分析，得到其特征频率和振型，进而利用单自由度系统理论建立锚杆与土体的耦合系统模型，得到系统的振动响应。
在考虑地震作用时，本文采用了强震动地表运动记录，分别对锚杆和土体进行了动力响应分析，结果表明在地震作用下，锚杆与土体之间的相互作用能够降低锚杆的自振频率和阻尼比，使其具有更好的抗震能力。
三、结论通过以上模型建立和计算分析可得，扩大头锚杆在土体加固工程中具有较好的抗拔能力和抗震能力。
同时，增加锚杆的深度和直径能够有效提高其承载能力，但在进行工程实践时需要根据具体情况进行选择。
此外，在进行动力分析时需要考虑到锚杆与土体之间的相互作用，以更加准确地评估工程的安全性和经济性。
扩大头锚杆
扩大头锚杆扩大头锚杆在基坑支护工程中的应用摘要：以某项目深基坑支护工程为例，介绍了扩大头锚杆在特殊地质条件下的应用及扩大头锚杆的承载力试验数据，结果表明：扩大头锚杆抗拔力高，可靠性高，经济效果显著。
关键字：深基坑扩大头锚杆实验数据Application of the expansion of soil anchor in the foundation pit support Abstract：Coupled with the case of deep foundation pit support of Item, introduces the expansion of soil anchor in the application of special geological conditions and the data of bearing strength test ,the results show that: the expansion of soil anchor of pulling power is high, reliability is strong，economic effect is remarkable.Key word：deep foundating pit bit expansion soil anchor experiment data0 引言锚杆的抗拔力是锚杆工程的一个最重要的技术经济指标,是锚杆施工技术水平的一个最主要的参数。
提高锚杆的抗拔力水平具有显著的技术经济价值。
传统的通过增加锚索根数或长度方法,往往投资加大,特别是大部分工程受到施工条件的限制，依靠增大锚固段的长度来提高抗拔力是有一个限度的。
本文介绍了扩大头锚杆技术在太原某基坑支护工程的应用,对扩大头锚杆做了抗拔试验以确定锚杆的极限承载力。
1 例举工程实例1.1 工程概况该项目的拟建场地位于某市建设大街南侧、中年路东侧、新南路西侧的迎西大街165号，北距迎西大街9.7m。
锚杆护顶方案三维有限元数值模拟及分析
Ｔｈ ｅ — ｉ ｅ ｓｏ ａ ｉ ｉｅ ｅ ｅ ｎ ｕ ｒｃ ｌｓｍｕ ａ ｉ ｎ ｒ ｅ ｄ ｍ ｎ ｉ ｎ ｌｆ ｔ ｌ ｍｅ ｔｎ ｍｅ ｉａ ｉ ｌｔｏ ｎ ｏ ｈ ｒ ｇ ａ ｏ ｏ ｆｂ ｌｉ ｇ ｎ ｔ ｅ ｐ ｏ ｒ ｍ ｆｒ ｏ － ｏ ｔｎ
第６ ４卷
第 ４期
有 色 金 属 （ ｉ１ ． ９ ９ Ｊ ｉ ｎ １ ７ — １ ２ ２ １ ． ４ ０ ３ ｏ ：０ ３ ６ ／ ．ｓ ． ６ １４ ７ ． ０ ２ ０ ． １ ｓ
锚 杆 护 顶 方 案 三 维 有限 元 数 值 模 拟 及 分 析
ｅｅ ｎ ｕ ｒｃ ｌ ｉ ｌ ｔ ｎ ｓ ｆｗａ ｅ ｉ ａ ｏ ｔ ｄ ｔ ｉ ｌ ｔ ｈ ｅ ｉ ｄ ｆｂ ｌ ｓ ｐ ｏ ｔｐ ｏ ｒ ｍｓ ｉ ｒ ｅ ｏ ｆ ｄ ｎ ｌｍｅ ｔｎ ｍｅ ｉａ ｍｕ ａ ｉ ｏ ｔ ｒ ｓ ｄ ｐ ｅ ｏ ｓｍｕ ａ ｅ ｔ ｒ ｅｋ ｎ ｓ ｏ ｏ ｔ ｕ ｐ ｒ ｒ ｇ ａ ｎ ｏ ｄ ｒｔ ｉ ｉ ｇ ｓ ｏ ｎ
为研究 矿体 回采 过程 中顶 板 的稳定 性 ， 采用 数
值模 拟方 法 ， 量地 计 算 和 分 析 回采 过 程 中采 场顶 定
模 拟 中所采 用 的计算 参数 见表 １ 。
表 １ 岩体 物 理 力 学 参数 取值 表
Ｔａ ｌ Ｖａ ｕ ｓ ｏ ｅ ｈａ ｉ ａ ｒ ｂｅ１ ｌ ｅ ｆ ｍ ｃ ｎ ｃ ｌｐａ ａｍｅ ｅ ｓ ｏ ｏ ｋ ｍ ａ ｓ ｔｒ ｆｒ ｃ ｓ
马 相松
（ 明有色 冶金设 计研 究院股份 公 司 ， 明 ６０ ５ ） 昆 昆 ５ ０ １
抗浮锚杆的抗拔承载力分析和数值模拟
Ｖ０ １ ． １ １ Ｎｏ． ５ ０ｃ ｔ．．２０ １ ３
抗 浮 锚 杆 的 抗 拔 承 载 力 分 析 和 数 值 模 拟
陈 帅１ ， ２ ， 卢廷浩ｌ ｊ ２ ， 马 露 ２
（ １ ． 河海大学 岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室 ，江苏 南 京 ２ １ ０ ０ ９ ８ ；
第 １ １ 卷第 ５ 期 ２ ０１ ３年 １ ０月
水 利 与建 筑工 程学报
Ｊ ｏ ｕ ｒ ｎ ａ ｌ ｏ ｆ Ｗａ ｔ ｅ ｒ Ｒ ｅ ｓ ｏ ｕ ｒ ｃ ｅ ｓ ａ ｎ ｄ Ａ ｒ ｃ ｈ ｉ ｔ ｅ ｃ ｔ ｕ ｒ ａ ｌ Ｅ ｒ ｎ ｅ ｅ 工 ｉ
ＣＨＥＮ Ｓ ｈ ｕ ａ ｉ ， ＬＵ Ｔｉ ｎ ｇ ． ｈ ａ ｏ ， ＿，Ｍ Ａ Ｌ ｕ ＇
（ １ ． Ｋ ｅ ｙ Ｌ ａ ｂ ｏ ｒ ａ ｔ ｏ ｒ ｙ Ｍｉ ｎ ｉ ｓ ｔ ｙ Ｅ ｒ ｄ ｕ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｆ ｏ ｒ Ｃ ， ｅ ｏ ｍ ｅ ｃ ｈ ａ ｎ ｉ ｃ ｓ ａ ｎ ｄ Ｅ ｍ ｂ ａ ｎ ｋ ｍ ｅ ｎ ｔ Ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ，
Ｈｏ ｈ ａ ｉ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ，№ ｎ ｇ，Ｊ ｉ ａ ｇｓ ｎ ｕ ２ １ ０ ０ ９ ８，Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ；
２ ． Ｒ ｅ ｓ ｅ ａ ｒ ｃ ｈｌ ￣ｔ ｈ ｔ ａ ｅ ｏ 厂 Ｇ ｅ ｏ ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｉ ｃ ａ ｌ Ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｉ ｒ ｇ ，Ｈ ｎ ｏ ｈ ａ ｉ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ， Ｎ ａ ｎ ｊ ｉ ｇ ，Ｊ ｎ ｉ ａ ｇｓ ｎ ｕ ２ １ ０ ０ ９ ８ ，Ｃ ｈｉ ｎ ａ ）
论， 对 建 筑 结 构 的 地 下 抗 浮 锚 杆 的设 计 有 很 好 的借 鉴作 用 。
扩大头锚杆支护体系受力机理分析的研究
扩大型锚杆支护结构体系受力机理分析摘要：根据设计规范分析锚杆受力过程中的影响因素，确定了锚杆的极限承载力主要由锚固体直径及锚固段长度确定。
为了更好的掌握扩大型锚杆支护结构体系受力机理分析，基于大量的试验数据，对扩大型锚杆受力过程进行了分析总结，指出其受力过程大致分为三个阶段：第一阶段为静止土压力阶段，此阶段锚杆位移较小。
锚杆受力变形性能由锚固段的摩阻力决定；第二个阶段为过渡阶段，此阶段之后，锚杆的受力变形性能由扩大头端前土体压缩性能决定；第三个阶段为塑性区压密-扩张阶段，随着岩土体压密强化，扩大头锚固能力有效提高。
关键词：锚杆；扩大头；极限承载力；抗拔力1 引言随着我国城市经济建设事业的发展，城市用地日趋紧张，为充分利用土地空间资源，实现可持续发展，基坑支护工程发展迅速，基坑深度越来越深[1]。
基坑支护问题成为目前岩土工程界和学术界讨论的一个热点话题。
伴随基坑支护工程的发展，锚杆支护工程也在大量工程实践中不断丰富发展，对其受力机理的认识也在逐步深入、全面。
适合不同工程条件下的锚杆支护理论也在迅速发展并完善[2]。
目前锚杆支护结构体系主要分为：（1）由锚杆悬吊作用总结出悬吊及减跨理论等；（2）由锚杆挤压和加固作用总结出组合梁、组合拱理论等；（3）综合锚杆的所有作用总结出松动圈支护理论，锚固体强度强化理论，锚注理论，最大水平应力理论，锚杆桁架支护理论等[3-6]。
扩体型锚杆支护体系在锚杆底端或者在锚固段内的任何位置，钻孔施工过程中利用机械或水力等方法进行扩孔，注浆后形成扩大头的锚杆体，锚杆体扩大后，抗拔能力得到有效提高[7]。
目前该项技术逐渐成为岩土工程界提高稳定性及解决复杂岩土工程问题经济、有效的途径之一[8]。
扩体型锚杆支护结构体系的优势：将扩孔扩大至原直径的1-2倍，提高锚固体与岩土体的接触面积，受力更加合理；能够充分挖掘岩土体的能量，调节岩土体自身强度和自承能力，大大减轻结构自重；节约工程材料造价低、经济效益显著；支护稳定性好、基础施工便利。
土体中扩大头压力型预应力锚索研究及工程应用
极限粘结力 。
现 以海 口某基坑土层 中使用过的土层锚杆拔
出试验 为例 ： 海 口明珠广 场基 坑 开挖 深度 １ｍ，坑 壁穿 过 ｌ 的土层基本 是淤 泥质粘 土 。进 行锚 索锚 固力测 定
时施 工３ 根长 ｌ ｍ Ｏ 锚索 ，钻孑 直径 １Ｏ ｍ。拉拔试 Ｌ ｍ ｌ
册【 岩土锚固新技术 现代岩土论丛书［ 岩 ２ Ｊ 、 ４ １ 、
工程。
高。这是因为土层 中钻孔壁与锚杆或锚索锚固体
（ 水泥 芯柱 ）侧 面之 间的粘结 力很低 ，一 般锚 固 力按 下式计 算 ：
Ｐ ＝ｚ Ｌｒ Ｄ ｃ ￣ 式 中 ： 一 极 限锚 固力 ； Ｐ， （ ） １
近年来 国内也开始研究软土中的锚索 、锚杆
扩 大头方 法 和施 丁工 艺 。概括地 可归 为 ：二 次高 ：
土锚 固 、岩 土锚 同理论 研 究 之现 状 Ｉ Ｊ 酬、预应 力
锚索锚 固长度的确定方法 、大型船闸闸墙锚杆的 分 析与设计 、全 长粘结式 锚杆 的受力分 析 ［。 ９ １
上 述文献 主要研 究内容是拉力型扩大头锚杆 ，
验 时测得 平均 总拉 拔力 为３ ｋ ８Ｎ，由此求 得 ： ～ 丽１ ｌ × １ｍ ｌＮ／ ２ ＝３ ４× ． ｍ ０ ＝１ｋ ｍ ０１
一
锚固体 （ 水泥芯柱 ）弹性模量 ； 岩土体泊松比。
（３）给 定 锚 孔 半 径 ｂ ６ ＩＩ 预 应 力 ＝ ５ｎｎ，
ｂ 锚固体 （ 一 水泥芯柱 ） 半径 ；
一
Ｐ ９６ Ｎ ＝ ３ ｋ ，锚 固体为水泥Ｅ 泥 ２８ ０Ｍ ａ 水 ＝ ．×１４ Ｐ ；锚 固体为钢管与水泥组合体Ｅ 合 ＝ ×１ Ｐ 。 组 体 ２ ０Ｍ ａ 土体Ｅ １ Ｍ ａ ＝ ．，岩体Ｅ ６ ×１ Ｐ ， ＝ ０ Ｐ ，ｐ ０ ４ ＝改革 开放 以来 ，在沿 海地 区高层 建筑深
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扩大头锚杆-土体相互作用数值模拟与分析引言
在土力学和岩土工程领域，头锚杆是一种常见的地下工程支护结构。
它主要通过在土体中预埋锚杆，并在锚杆顶部安装一个扩大头来实现对土体的支护作用。
头锚杆-土体相互作用是复杂的力学过程，涉及到土体的变形和破坏行为、锚杆的受力性能以及两者之间的相互作用。
为了更好地理解和优化头锚杆结构在实际工程中的应用，数值模拟与分析成为一种重要的研究手段。
本文针对扩大头锚杆-土体相互作用进行了数值模拟与分析，以揭示其受力机理、变形特征和破坏规律，为工程实践提供理论参考和技术支持。
数值模拟方法
在本研究中，采用了有限元方法进行头锚杆-土体相互作用的数值模拟。
有限元方法是一种利用差分方程等数值方法，将研究对象分割为有限数量的小单元，通过对每个小单元进行计算，最终得到整体的力学性能和变形特征的方法。
对于头锚杆-土体相互作用问题，有限元方法可以很好地模拟土体的非线性本构行为和锚杆的受力特性，对复杂的相互作用过程进行较为精确的数值分析。
模型建立
建立了头锚杆-土体相互作用的有限元模型。
模型中包括土体区域、锚杆和扩大头，考虑了土体的非线性本构行为、锚杆的刚度和扩大头的几何形状。
对于土体的本构行为，采用了合适的本构模型来描述其受力-变形关系，如Mohr-Coulomb模型或者
Drucker-Prager模型。
对于锚杆的受力特性，可以考虑其材料的弹性模量、屈服强度等参数。
扩大头的几何形状和尺寸也被纳入模型中，以考虑其对土体应力分布和变形特征的影响。
边界条件
在模型建立过程中，还需要考虑土体边界条件、荷载加载方式和锚杆与土体之间的约束关系。
根据实际工程情况，可以设置模型的边界条件，如土体的固定边界、荷载作用区域等。
对于锚杆与土体之间的约束关系，可以考虑锚杆的预应力作用、锚固长度等影响因素，以较为真实地模拟实际工程中的头锚杆-土体相互作用过程。
数值计算
在模型建立和边界条件确定之后，进行数值计算并得到相应的力学性能和变形特征。
通过有限元软件进行力学分析，计算得到土体应力、锚杆受力以及周围土体的变形情况。
还可以进行不同加载条件下的模拟，并分析头锚杆-土体相互作用的变形和破坏规律。
结果分析
基于数值模拟的结果，进行头锚杆-土体相互作用的力学性能和变形特征的分析。
可以得到土体的应力分布情况、局部应力集中区域、锚杆的受力状态以及扩大头的应力传递情况。
还可以分析头锚杆-土体相互作用过程中的变形特征，如土体的沉降、锚杆的变形和扩大头的变形情况。
基于数值模拟的结果，可以揭示头锚杆-土体相互作用的受力机理和破坏规律，为工程实践提供理论参考和技术支持。