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摘 要：运用自行研制开发的试验装置和数据采集系统,,对砂土中方形锚板进行了抗拔破坏性能试验研究。分析了不同砂土密实度和埋深率下锚板上拔力和位移关系曲线。试验结果表明, 密度对砂土中锚板的抗拔性能有非常大的影响, 增加砂土的密实度可以大幅度提高锚板的抗拔承载力并显著减小锚板的位移变形。增加锚板的埋置深度同样也可以大幅提高锚板的抗拔承载力。
关键词：砂土；方形锚板；抗拔性能
中图分类号：C35文献标识码： A
Abstract: Investigation on the uplift performance of square plate anchor in sand was carried out by using a self-developed experimental device and a data acquisition system. The characterist ics of loaddisplacement relationship for an uplifting plate anchor in diffient sandy soil compactness and embedment ratio were analyzed.Results show that the sand density has a significant influence on the uplift performance of plate anchor in sand. The ultimate resistance of plate anchor in sand increases obviousely while the displacement of plate anchor at peak point decreases along w ith the density increasing.
Keywords：sand; square plate anchor; uplift performance
1、引言
锚板主要作用是为结构提供抗拔承载力, 这种作用的发挥主要是依靠锚板在上拔力作用下, 使锚板周围土体产生一定程度的变形, 通过土体变形来发挥土体的承载能力,由于其具有方便、实用和经济等特点，在工程领域如通讯塔、输电线路塔架、挡土墙等结构中有着广泛的应用，吸引了许多学者对其进行了研究[1-3]，但是对群锚的研究相对较少。群锚的相关研究主要是从现场测试、室内模型试验、数值计算和理论分析4个方面进行。James D.Geddes 等[4]利用传统的测量手段对砂土中的群锚的竖向上拔力进行了模型试验研究；肖昭然[5]等综合计算桩的剪切位移法和传递函数方法提出了一种计算群锚荷载传递的方法：剪切位移传递函数综合法；戴运祥等[6]以弹性理论为依据，对軟地层中斜拉锚杆群的受力机理进行了较为全面的理论研究。娄国充等[7]通过对锚索、灌注锚固体和锚孔周围岩土体进行三维弹塑性有限元分析,探讨了考虑群锚效应下锚索间距的布置原则。本文运用自行研制开发的试验装置和数据采集系统对不同砂土密实度和埋深率下单个方形锚板进行了试验，并对方形群锚的抗拔破坏性能进行了分析。
2、实验设备和试验方法
2.1、加载装置和试验设备
试验采用的加载装置为美特斯公司生产的CMT4000系列试验机，它是一个可以对各种材料的试样施加拉力、压力的电子机械材料实验设备。试验一个试样，需要将它安装到夹具或试验装置上，夹具或试验装置安装在加力的移动横梁和固定的底梁之间。在PC机上安装好试验所需要的软件，设定好试验的参数一如移动横梁移动的速度和方向等。当运行试验的时候，软件将会按照设定好的参数控制移动横梁的运动。与试样串联在一起的力和位移传感器将把这些试验力和位移转换成电信号，传送给控制系统进行测量和显示。试验软件还可以将试验的结果进行分析和存储，显示试验的曲线，编辑试验报告，打印各种结果和曲线报告，具体的技术参数如表1所示。试验装置主要有锚杆、锚板和模型箱组成；模型箱为透明的有机玻璃，其尺寸为：70㎝(长)x50㎝(宽)x70㎝(高)，箱厚度为8㎜。所用锚杆采用直径为8㎜的两头带螺纹的钢杆制，锚板厚度为5㎜，边长B=100㎜。整个加载装置和试验设备如图2所示。
表1加载装置的技术参数
Table1Technical parameters of load
电源 220V±10％；400W 速度范围 0.001～500mm/min
最大力 30kN 最大位移 1150mm
力相对误差 ±1.0% 位移相对误差 ±0.50%以内
力精度 1/300000FS 位移精度 0.03μm
图2 加载装置和试验设备
Fig.2 Loading devices and test equipment
2.2、土样参数
为了研究不同密实度和锚板间距下锚板周围土体的变形机理，对不同密实度的砂土在埋深率H/B=3时进行了试验，砂土的物理性质指标如表2所示。
表2 土的物理性质指标
Table2 Soil properties
指标 松砂 密砂
不均匀系数 1.32 1.03
曲率系数 1.03 1.03
有效粒径 0.57 0.57
最大干重度 16.66 16.66
最小干重度 13.79 13.79
试验土样干重度 14.04 16.33
相对密实度/% 0.08 0.88
摩擦角/° 30.3 37
2.3、试验步骤
（1）检查试验加载装置和电源处于供电状态，启动数据采集软件。
（2）选择试验方案，设置试验参数：锚板上拔速度为3 mm/min,减小加载速度对荷载的影响。
（3）开始试验，观察试验过程。
（4）试验结束，绘制试验曲线。
3、实验结果及分析
3.1、不同密实度对上拔力与上拔位移关系曲线研究
图3为埋深率H/B=3时密砂和松砂中锚板上拔力与位移关系曲线图，其中DS和LS分别为对应的密砂和松砂曲线。对于密砂中的锚板，DS关系曲线可以划分为五个阶段。第①阶段: 该阶段上拔力随位移几乎成线性增加,该阶段位移为0.87 mm,荷载为44.6 N,达到峰值荷载的90%，表现为线弹性性质。第②阶段: 该阶段位移从0.87 mm增加到2.2 mm时达到峰值荷载49.5 N,该阶段上拔力与位移关系表现为曲线, 荷载增量随位移增加明显减缓。第③阶段: 该阶段从峰值点持续到位移为4.3 mm处, 上拔力随上拔位移增加迅速减小。第④阶段:该阶段从4.3 mm至5.9 mm处上拔力随上拔位移的增加减小趋势变小。第⑤阶段:从5.9 mm处以后上拔力随着位移的增加几乎保持不变。从密砂的上拔力与位移关系曲线特征可以看出，在初始阶段上拔力随位移呈线性增加, 表现为线弹性性质, 随着位移增加, 锚板两侧土体出现局部剪切破坏,使得上拔力随位移增加出现曲线变化。当剪切面贯通时达到峰值荷载,当土体破坏时，上拔力随位移增加开始下降。
图3 上拔力与位移关系曲线
Fig.3 Displacement curves of pullout force
从图中LS曲线可知：对于松砂中的锚板，上拔力与位移关系曲线可以划分为三个阶段。第①阶段：在该阶段上拔力随上拔位移增加而增大,但增加速度明显减小，在锚板位移达到1.58 mm处，上拔力增加到18.1 N，达到峰值荷载的75%。第②阶段:上拔力随位移的增加明显减缓，在该阶段荷载达到峰值,位移增加很多而荷载增加却很少，在位移为4.9 mm处荷载达到峰值为23.7 N。第③阶段:该阶段上拔力随位移增加几乎保持不变，并在位移为10.5 mm时上拔力随位移变化出现较大幅度的波动并趋于稳定。从松砂的上拔力与位移曲线特征可以看出，在初始阶段，锚板在上拔过程中，锚板周围土体产生压缩，随着位移的增加,压缩范围不断增大,使得上拔力随位移线性增加。当位移增加到一定程度时,锚板两侧土体出现软化区并开始向锚板下部流动,使得压缩体的范围无法继续增大,因此上拔力随位移增加几乎保持不变。
对于相同埋深率不同密实度下峰值点的上拔力，从图3中可以看出，锚板在松砂中的峰值上拔力与密砂中的峰值上拔力相差很大，对应于松砂（LS）的试验曲线，峰值荷载为23.7N。对应于密砂（DS）的试验曲线，峰值荷载为49.5N，在相同埋深率下密砂中的峰值荷载是松砂中峰值荷载的2倍多。
对于峰值点的上拔位移，密砂与松砂也相差很大，对应于松砂（LS）的试验曲线，峰值位移为4.9mm。而对应于密砂（DS）的试验曲线，峰值位移为2.2mm，可见松砂中达到峰值荷载所经历的位移要比密砂中达到峰值所经历的位移大的多。
3.2、不同埋深率对上拔力与上拔位移关系曲线影响
图 4 松砂中不同埋深率下上拔力与位移关系曲线
Fig. 4 Pullout force vs displacement relationships at different embedment ratio in loose sand
图 5 密砂中不同埋深率下上拔力与位移关系曲线
Fig. 5 Pullout force vs displacement relationships at different embedment ratio in dense sand
为了研究不同埋深率对上拔力与上拔位移的影响，分别绘出了细砂埋深率
H/D=1,2,3,4,5 的上拔力与位移关系曲线。松砂状态下的上拔力与位移关系曲线如图4所示，密砂状态下上拔力与位移的关系曲线如图5所示。
对于松砂状态，如图4所示，随着埋深率的增加上拔力与上拔位移关系曲线特征发生了变化：(1) 上拔力与位移关系曲线的斜率随着埋深率的增减而逐渐增大，与埋深率为1，2的曲线LS1和LS2相比，埋深率为3，4，5 时LS3,LS4和LS5斜率变得更大，说明上拔力随位移增加更快，同时达到峰值荷载需要的位移也更大。
对于密砂状态如图5所示，随着埋深率的增加上拔力与上拔位移关系曲线也出现明显的变化：(1) 随着埋深率的增加，与埋深率为1，2的曲线DS1和DS2相比，埋深率为3，4，5 的曲线DS3，DS4，DS5 第①阶段直线段斜率明显变小，第①阶段经历的位移也明显增大；(2) 随着埋深率的增加到达峰值点的所需的位移也增大；(3) 随着埋深率的增加，在埋深率為1，2 所处的上拔力随位移增加缓慢减小阶段在埋深率为3，4，5 的曲线中也没有出现。
4、结论
4.1、不同密实度下力与位移关系曲线表明，在埋深率相同的情况下，密砂中锚板的极限上拔力比松砂中锚板的极限上拔力大的多，但达到峰值点所需要的位移则小的多，埋深率对力与位移关系曲线特征也有重要影响。
4.2、松砂中极限上拔力随埋深率的增加呈线性增加，当到达一定埋深率时增加的幅度减小，密砂中极限上拔力随埋深率的增加呈几何倍数增加，到达一定埋深率时则增加幅度减小。
参考文献
[1] 张昕, 乐金朝, 刘明亮 等,砂土中锚板的抗拔机理与承载力计算模型研究[J].岩土工程学报,2012,(09): 1734-1739.
[2] 刘明亮, 朱珍德, 刘金元,锚板抗拉破坏机制试验研究[J].岩土力学,2011,(03): 697-702+708.
[3] 黄茂松, 余生兵,基于块体集上限法的砂土中条形锚板抗拔承载力分析[J].岩土工程学报,2013,(02): 201-207.
[4] James D. Geddes, Fellow, ASCE. Plate anchor groups pulled vertically in sand [J]. Journal of Geotechnical Engineering, 1996, 122(7): 509－516.
[5] 肖昭然，李象范，侯学渊. 岩土锚固工程技术[M].北京:人民交通出版社,1996.
[6] 戴运祥. 斜拉土层锚杆的群锚效应[D].同济大学博士学位论文，上海,1993.
[7] 娄国充, 王树栋, 赵玉成. 预应力锚索加固技术的力学行为与群锚效应分析[J] . 岩石力学与工程学报, 2005, 24(增1)
任淼（1989-），汉，河南禹州人，硕士研究生，主要从事地质工程方面研究。
关键词：砂土；方形锚板；抗拔性能
中图分类号：C35文献标识码： A
Abstract: Investigation on the uplift performance of square plate anchor in sand was carried out by using a self-developed experimental device and a data acquisition system. The characterist ics of loaddisplacement relationship for an uplifting plate anchor in diffient sandy soil compactness and embedment ratio were analyzed.Results show that the sand density has a significant influence on the uplift performance of plate anchor in sand. The ultimate resistance of plate anchor in sand increases obviousely while the displacement of plate anchor at peak point decreases along w ith the density increasing.
Keywords：sand; square plate anchor; uplift performance
1、引言
锚板主要作用是为结构提供抗拔承载力, 这种作用的发挥主要是依靠锚板在上拔力作用下, 使锚板周围土体产生一定程度的变形, 通过土体变形来发挥土体的承载能力,由于其具有方便、实用和经济等特点，在工程领域如通讯塔、输电线路塔架、挡土墙等结构中有着广泛的应用，吸引了许多学者对其进行了研究[1-3]，但是对群锚的研究相对较少。群锚的相关研究主要是从现场测试、室内模型试验、数值计算和理论分析4个方面进行。James D.Geddes 等[4]利用传统的测量手段对砂土中的群锚的竖向上拔力进行了模型试验研究；肖昭然[5]等综合计算桩的剪切位移法和传递函数方法提出了一种计算群锚荷载传递的方法：剪切位移传递函数综合法；戴运祥等[6]以弹性理论为依据，对軟地层中斜拉锚杆群的受力机理进行了较为全面的理论研究。娄国充等[7]通过对锚索、灌注锚固体和锚孔周围岩土体进行三维弹塑性有限元分析,探讨了考虑群锚效应下锚索间距的布置原则。本文运用自行研制开发的试验装置和数据采集系统对不同砂土密实度和埋深率下单个方形锚板进行了试验，并对方形群锚的抗拔破坏性能进行了分析。
2、实验设备和试验方法
2.1、加载装置和试验设备
试验采用的加载装置为美特斯公司生产的CMT4000系列试验机，它是一个可以对各种材料的试样施加拉力、压力的电子机械材料实验设备。试验一个试样，需要将它安装到夹具或试验装置上，夹具或试验装置安装在加力的移动横梁和固定的底梁之间。在PC机上安装好试验所需要的软件，设定好试验的参数一如移动横梁移动的速度和方向等。当运行试验的时候，软件将会按照设定好的参数控制移动横梁的运动。与试样串联在一起的力和位移传感器将把这些试验力和位移转换成电信号，传送给控制系统进行测量和显示。试验软件还可以将试验的结果进行分析和存储，显示试验的曲线，编辑试验报告，打印各种结果和曲线报告，具体的技术参数如表1所示。试验装置主要有锚杆、锚板和模型箱组成；模型箱为透明的有机玻璃，其尺寸为：70㎝(长)x50㎝(宽)x70㎝(高)，箱厚度为8㎜。所用锚杆采用直径为8㎜的两头带螺纹的钢杆制，锚板厚度为5㎜，边长B=100㎜。整个加载装置和试验设备如图2所示。
表1加载装置的技术参数
Table1Technical parameters of load
电源 220V±10％；400W 速度范围 0.001～500mm/min
最大力 30kN 最大位移 1150mm
力相对误差 ±1.0% 位移相对误差 ±0.50%以内
力精度 1/300000FS 位移精度 0.03μm
图2 加载装置和试验设备
Fig.2 Loading devices and test equipment
2.2、土样参数
为了研究不同密实度和锚板间距下锚板周围土体的变形机理，对不同密实度的砂土在埋深率H/B=3时进行了试验，砂土的物理性质指标如表2所示。
表2 土的物理性质指标
Table2 Soil properties
指标 松砂 密砂
不均匀系数 1.32 1.03
曲率系数 1.03 1.03
有效粒径 0.57 0.57
最大干重度 16.66 16.66
最小干重度 13.79 13.79
试验土样干重度 14.04 16.33
相对密实度/% 0.08 0.88
摩擦角/° 30.3 37
2.3、试验步骤
（1）检查试验加载装置和电源处于供电状态，启动数据采集软件。
（2）选择试验方案，设置试验参数：锚板上拔速度为3 mm/min,减小加载速度对荷载的影响。
（3）开始试验，观察试验过程。
（4）试验结束，绘制试验曲线。
3、实验结果及分析
3.1、不同密实度对上拔力与上拔位移关系曲线研究
图3为埋深率H/B=3时密砂和松砂中锚板上拔力与位移关系曲线图，其中DS和LS分别为对应的密砂和松砂曲线。对于密砂中的锚板，DS关系曲线可以划分为五个阶段。第①阶段: 该阶段上拔力随位移几乎成线性增加,该阶段位移为0.87 mm,荷载为44.6 N,达到峰值荷载的90%，表现为线弹性性质。第②阶段: 该阶段位移从0.87 mm增加到2.2 mm时达到峰值荷载49.5 N,该阶段上拔力与位移关系表现为曲线, 荷载增量随位移增加明显减缓。第③阶段: 该阶段从峰值点持续到位移为4.3 mm处, 上拔力随上拔位移增加迅速减小。第④阶段:该阶段从4.3 mm至5.9 mm处上拔力随上拔位移的增加减小趋势变小。第⑤阶段:从5.9 mm处以后上拔力随着位移的增加几乎保持不变。从密砂的上拔力与位移关系曲线特征可以看出，在初始阶段上拔力随位移呈线性增加, 表现为线弹性性质, 随着位移增加, 锚板两侧土体出现局部剪切破坏,使得上拔力随位移增加出现曲线变化。当剪切面贯通时达到峰值荷载,当土体破坏时，上拔力随位移增加开始下降。
图3 上拔力与位移关系曲线
Fig.3 Displacement curves of pullout force
从图中LS曲线可知：对于松砂中的锚板，上拔力与位移关系曲线可以划分为三个阶段。第①阶段：在该阶段上拔力随上拔位移增加而增大,但增加速度明显减小，在锚板位移达到1.58 mm处，上拔力增加到18.1 N，达到峰值荷载的75%。第②阶段:上拔力随位移的增加明显减缓，在该阶段荷载达到峰值,位移增加很多而荷载增加却很少，在位移为4.9 mm处荷载达到峰值为23.7 N。第③阶段:该阶段上拔力随位移增加几乎保持不变，并在位移为10.5 mm时上拔力随位移变化出现较大幅度的波动并趋于稳定。从松砂的上拔力与位移曲线特征可以看出，在初始阶段，锚板在上拔过程中，锚板周围土体产生压缩，随着位移的增加,压缩范围不断增大,使得上拔力随位移线性增加。当位移增加到一定程度时,锚板两侧土体出现软化区并开始向锚板下部流动,使得压缩体的范围无法继续增大,因此上拔力随位移增加几乎保持不变。
对于相同埋深率不同密实度下峰值点的上拔力，从图3中可以看出，锚板在松砂中的峰值上拔力与密砂中的峰值上拔力相差很大，对应于松砂（LS）的试验曲线，峰值荷载为23.7N。对应于密砂（DS）的试验曲线，峰值荷载为49.5N，在相同埋深率下密砂中的峰值荷载是松砂中峰值荷载的2倍多。
对于峰值点的上拔位移，密砂与松砂也相差很大，对应于松砂（LS）的试验曲线，峰值位移为4.9mm。而对应于密砂（DS）的试验曲线，峰值位移为2.2mm，可见松砂中达到峰值荷载所经历的位移要比密砂中达到峰值所经历的位移大的多。
3.2、不同埋深率对上拔力与上拔位移关系曲线影响
图 4 松砂中不同埋深率下上拔力与位移关系曲线
Fig. 4 Pullout force vs displacement relationships at different embedment ratio in loose sand
图 5 密砂中不同埋深率下上拔力与位移关系曲线
Fig. 5 Pullout force vs displacement relationships at different embedment ratio in dense sand
为了研究不同埋深率对上拔力与上拔位移的影响，分别绘出了细砂埋深率
H/D=1,2,3,4,5 的上拔力与位移关系曲线。松砂状态下的上拔力与位移关系曲线如图4所示，密砂状态下上拔力与位移的关系曲线如图5所示。
对于松砂状态，如图4所示，随着埋深率的增加上拔力与上拔位移关系曲线特征发生了变化：(1) 上拔力与位移关系曲线的斜率随着埋深率的增减而逐渐增大，与埋深率为1，2的曲线LS1和LS2相比，埋深率为3，4，5 时LS3,LS4和LS5斜率变得更大，说明上拔力随位移增加更快，同时达到峰值荷载需要的位移也更大。
对于密砂状态如图5所示，随着埋深率的增加上拔力与上拔位移关系曲线也出现明显的变化：(1) 随着埋深率的增加，与埋深率为1，2的曲线DS1和DS2相比，埋深率为3，4，5 的曲线DS3，DS4，DS5 第①阶段直线段斜率明显变小，第①阶段经历的位移也明显增大；(2) 随着埋深率的增加到达峰值点的所需的位移也增大；(3) 随着埋深率的增加，在埋深率為1，2 所处的上拔力随位移增加缓慢减小阶段在埋深率为3，4，5 的曲线中也没有出现。
4、结论
4.1、不同密实度下力与位移关系曲线表明，在埋深率相同的情况下，密砂中锚板的极限上拔力比松砂中锚板的极限上拔力大的多，但达到峰值点所需要的位移则小的多，埋深率对力与位移关系曲线特征也有重要影响。
4.2、松砂中极限上拔力随埋深率的增加呈线性增加，当到达一定埋深率时增加的幅度减小，密砂中极限上拔力随埋深率的增加呈几何倍数增加，到达一定埋深率时则增加幅度减小。
参考文献
[1] 张昕, 乐金朝, 刘明亮 等,砂土中锚板的抗拔机理与承载力计算模型研究[J].岩土工程学报,2012,(09): 1734-1739.
[2] 刘明亮, 朱珍德, 刘金元,锚板抗拉破坏机制试验研究[J].岩土力学,2011,(03): 697-702+708.
[3] 黄茂松, 余生兵,基于块体集上限法的砂土中条形锚板抗拔承载力分析[J].岩土工程学报,2013,(02): 201-207.
[4] James D. Geddes, Fellow, ASCE. Plate anchor groups pulled vertically in sand [J]. Journal of Geotechnical Engineering, 1996, 122(7): 509－516.
[5] 肖昭然，李象范，侯学渊. 岩土锚固工程技术[M].北京:人民交通出版社,1996.
[6] 戴运祥. 斜拉土层锚杆的群锚效应[D].同济大学博士学位论文，上海,1993.
[7] 娄国充, 王树栋, 赵玉成. 预应力锚索加固技术的力学行为与群锚效应分析[J] . 岩石力学与工程学报, 2005, 24(增1)
任淼（1989-），汉，河南禹州人，硕士研究生，主要从事地质工程方面研究。