本文是一篇建筑工程管理论文，本研究借助扩大头－土体界面剪切试验和扩大头锚杆－腰梁结构体系拉拔试验，对扩大头锚杆的力学性能展开深入研究。同时，对支护桩体－扩大头锚杆结构体系展开数值建模计算，并与普通桩锚支护结构体系进行比对，分析其受力特征及控制基坑变形的效果。
第1章绪论
1.1课题背景及研究的目的和意义
随着人们对地表的不断开发，留给人们可以继续建设的建筑用地越来越少，导致在如今楼房越建越高，而对应着楼层的不断增高，需要的基坑也就越来越深。桩锚支护作为当今基坑边坡支护的重要手段，在岩土领域已取得巨大成功并且沿用至今，但常规的普通锚杆在面对控制要求较高或较高的底层时，它的支护效果便不太理想。普通锚杆的极限承载力如何提高便是一个棘手的问题，普通锚杆作为纯摩擦型锚杆，如要提高极限承载力，无非是增加锚固段长度，但锚杆长度有限，提高极限承载力即有限，且当锚固段过长后，会有继续增加锚固段但极限承载力趋于平缓的规律[1]。有时无法满足控制变形需求。因此，现出现一种摩擦一端压型锚杆，即扩大头锚杆，来运用到一些大型基坑工程中，来补足普通锚杆的缺陷。
扩大头锚杆与普通锚杆的不同之处在于，在扩大头锚杆的端部有一个直径相对较大的扩大头锚固段。普通锚杆依靠锚杆与注浆体之间的结合力、普通锚固段注浆体和地层之间的摩擦力来提供抗拔力，而扩大头锚杆是通过普通锚固段的注浆体与地层之间的摩擦力、扩大头部分的注浆体与地层之间的摩擦力以及扩大头部分的端阻力来共同提供抗拔力，扩大头锚杆的扩大头部分使它区别于普通锚杆，从摩擦型锚杆成为摩擦一端压型锚杆，它的扩大头部分是导致扩大头锚杆相比普通锚杆，极限承载力更为出色的原因。虽然现已将扩大头锚杆应用于基坑支护当中，但将扩大头锚杆应用于桩锚支护结构之中时，想要提高体系的极限承载力，通过改变土体和土锚摩擦面仍过于难以实现[2]，现有的大多数研究大都停留在理论分析与数值模拟方面。本文即借助对扩大头锚杆－腰梁结构体系进行拉拔试验，探究扩大头部分直径、长度以及腰梁刚度和埋深等参数对于扩大头锚杆在桩锚支护结构中应用时，对体系极限承载力、侧摩阻力、端阻力、锚杆应变、锚固段应变的影响，得出结论。从普通锚杆过渡到扩大头锚杆，影响极限承载力的参数因素明显增加，问题也将更加复杂，借助拉拔试验，得到某些参数对于扩大头锚杆体系的影响，可为接下来的基坑支护提供一些基本理论依据。
1.2研究现状
1.2.1桩锚支护结构的研究现状
基坑支护是一种在建筑工程中常见的地下工程支护技术，用于维护基坑的稳定和安全。它的发展历程可以追溯20世纪30年代，Terzaghi[3]和Peck[4]就已经涉猎到基坑支护的稳定性以及承载力计算，在40年代，他们使用土压力计算的方法，来估计在基坑开挖过程中的稳定性分析。该研究对基坑支护技术的进展起到了开创性的作用，并为后续的基坑支护工程提供了坚实的理论基础。尽管这些理论在后来的计算设计中经历了改进，但它们的基本原理至今仍然被广泛采用。随着施工技术的持续创新，新型支护结构也应运而生。其中，桩锚支护结构自20世纪80年代兴起以来，已成为一种受欢迎的新型支护体系。该结构的特点在于，在桩头部分设置锚索并施加预应力。桩锚支护不仅成本低廉、施工简便，而且相较于内支撑支护，具有更小的空间占用和更少遗留问题。同时，与水泥土墙相比，它具有更低的污染和更广泛的应用范围，已成为我国目前常用的支护方式。与土钉支护相比，有着更强的控制变形效果。
桩锚支护结构的研究方法一般分为实际工程案例对比加理论推导分析和数值模拟。
（1）实际工程案例加理论推导
侯世伟[5]通过选取黄土地区工程案例，考虑支护桩隆起破坏、支护桩倾覆破坏、整体稳定性破坏三类破坏形式，使用蒙特卡洛及点估计法嵌套的方式求出不同设计组合下的失效概率及标准差，同时考虑经济性、可靠度、鲁棒性得到最佳方案，得出结论，在桩锚结构设计中考虑经济性优化及多失效模式的鲁棒性设计是必要的。Ling Yong qiang[6]针对基坑工程经典实例，采用弹性变形叠加法计算桩锚支护结构的水平位移，再通过有限元进行对比验证，研究黏聚力和摩擦角对桩身位移、剪力、弯矩的影响。Han Lingjie[7]基于弹性地基梁法，为深基坑支护结构的受力和变形计算提出了系统实用的计算方法，对某深基坑工程监测数据进行验证，提出优化方案，发现计算值与监测值相差较小，可以将算法应用到实际工程中。Quan Yin[8]利用简化的桩锚支护结构变形模型和最小势能原理推导出支护结构空间变形预测公式，之后通过数值模拟与实际工程监测数据进行对比，得出冠梁水平变形曲线和桩体水平变形均呈“V”形分布，且计算点距离基坑中心线越近，冠梁水平变形越大；桩体水平变形随着距基坑中心线距离的减小而增大。研究结果表明，增大冠梁和腰梁的尺寸和材料强度对控制支挡结构变形的作用有限。
第2章扩大头锚杆－土体界面剪切试验
2.1引言
扩大头锚杆一般由四部分组成，即锚头、自由段、普通锚固段（本文无普通锚固段）和扩大头扩体段。如图2-1所示。
扩大头锚杆是一种改进型的普通锚杆，其特点是末端有一个扩大的头部，用于增加锚固的牢固性。扩大头锚杆的扩体段与周围的土体之间会产生摩擦力，同时扩体段顶部会由于土体的压密而存在端阻力，从而增加锚固的稳定性。一般来说，扩大头锚杆由杆体和包裹它的注浆体组成。
2.2试验设计
借助室内扩大头锚杆－土体直剪试验，将土体类别、外部荷载、接触面积作为变量，得到扩大头锚杆试件与试验所用三种土体之间的剪切应力-剪切位移曲线、剪切应力-竖向应力曲线，求得扩大头锚杆锚固段与周围土体的界面摩擦系数和界面摩擦角，使得在后续的数值模拟中能够考虑界面效应，减小误差，得到更加精确的结果。
粉质粘土的颗粒非常细小，直径通常小于0.002毫米（2微米），且粉质粘土的质地通常较为均匀，没有明显的颗粒层次。它们可以呈现出均匀的细腻质地。砂质粘土含有颗粒大小介于砂土和粘土之间的颗粒。它们比粘土颗粒稍大，但比砂土颗粒稍小。砂质粘土的质地通常比纯粘土更松散，但比砂土更黏稠。这使得它们在干燥时比粘土更容易破碎，但在湿润时比砂土更具可塑性。砂土的颗粒大小较大，通常在0.05毫米到2毫米之间。这些颗粒大小使得砂土的质地粗糙，并且在手中摩擦时能够感受到明显的颗粒感。
第3章扩大头锚杆-腰梁结构体系拉拔试验..............................25
3.1引言..................................25
3.2试验设计.......................................25
第4章扩大头锚杆-支护桩体系数值模拟分析...................48
4.1引言...........................48
4.2模拟思路和计算方法.....48
第5章结论...............................72
第4章扩大头锚杆－支护桩体系数值模拟分析
4.2模拟思路和计算方法
4.2.1模拟思路
选取保定某建筑工地实际工况来做数值模拟，建设用地面积5888.18平方米，占地面积2848.00平方米，建筑面积7010.48平方米。其中地上406.39平方米，地下6604.09平方米。地上一层，地下二层。规划面积为1270公顷，本项目基坑主要采用桩锚支护的支护形式。其中支护桩采用钻孔灌注桩，支护桩桩长16.0m～35.5m。桩身混凝土强度C25。本基坑边坡重要性等级划分为一级。在本工程中，选取自然放坡+桩锚支护的3-3剖面，如图4-1所示：
3-3支护段采用“自然放坡+桩锚”支护体系，护坡桩桩径1000mm，桩长18.0m，设置3排预应力锚杆，支护深度20.81m，整体工程分5步开挖。
第一步；开挖至0.11m标高，挂网喷射混凝土，同时施工本区域支护桩、破桩头、高压旋喷桩、应急井、冠梁等。（自然放坡无冠梁）
第二步；开挖至-3.31m标高，施工第一道锚索，待达到设计强度75%后，进行张拉。
第三步；开挖至-5.5m标高，施工第二道锚索，待达到设计强度75%后，进行张拉。
第四步；开挖至-8.0m标高，施工第三道锚索，待达到设计强度75%后，进行张拉。
第五步；开挖至基底-10.18m标高，施工垫层及基础底板。
第5章结论
扩大头锚杆在基坑桩锚支护结构中发挥着越来越重要的作用。现有的扩大头锚杆拉拔试验并未考虑实际工程中支护结构的腰梁作用。基于现有的拉拔试验，引入腰梁，形成更为完整的体系，研究扩大头锚杆的力学性能；同时，借助数值模拟得到扩大头锚杆应用到桩锚支护结构中的力学特征。为实际工程提供理论支撑。得到结论如下：
（1）借助土体直剪试验，得到三种试验土体的黏聚力以及内摩擦角。且其中粉质粘土黏聚力最大，依次是粉质粘土、砂质粘土、砂土。砂土内擦角最大，其次是粉质粘土，最后是砂质粘土。借助改良版自制剪切盒进行扩大头锚杆－土体界面剪切试验，进而得到土体与扩大头接触面的界面摩擦角，增加数值模拟计算精度。同时，发现在扩大头—土体直剪试验中，剪切破坏时的剪切应力不会伴随着接触面积的增大而增大，它们之间无明显规律，但随土体黏聚力和内摩擦角的增大，界面抗剪强度增大。
（2）借助室内小模型试验，模拟扩大头锚杆－腰梁结构体系，改变锚固段直径、锚固段长度、腰梁刚度、埋深等因素，探究扩大头锚杆力学性能，发现增加锚固段直径对于提高锚杆极限承载力最为显著，可以达到28%～47%；其次相对于刚度适中的腰梁，稍软一点的腰梁会使锚杆极限承载力降低6%～20%，稍硬一点的腰梁会使锚杆的极限承载力提高2%～7%；增加扩大头长度会使锚杆极限承载力上升7%～19%；增加埋深都会使扩大头锚杆的极限承载力提高17%～29%。单一增加扩大头直径或长
