土层中的扩体锚杆能够在传统等直径摩擦型锚杆的基础上通过锚固体局部扩大和增加少量建筑材料获得承载力的有效提升,这一特性使扩体锚杆的技术创新成为岩土工程界的研究热点。然而,扩体锚杆存在破坏模式复杂、承载机理不明、极限承载力难以预测与评价等问题,这些问题导致这项技术的发展与应用受到了严重的限制。由于存在这些理论与技术瓶颈,扩体锚杆的工程设计只能依赖基于工程经验的设计方法,进而导致其承载力预测值与实测值差别较大,同时也使工程风险与工程成本增加。为解决上述难题,本文设计了具有应变感测功能的扩体锚杆模型,采用光纤应变测量、数字摄影变形测量、模型和现场试验、有限元数值模拟等手段,研究并揭示了扩体锚杆的荷载传递机制、破坏模式及其成因,建立了扩体锚杆承载力的极限平衡分析方法,并提出了预测扩体锚杆承载力的荷载位移双曲线模型。本文的主要研究内容包括:1.设计了具有应变感测功能的扩体锚杆模型,在试验条件下准确测量了扩体锚杆的内力分布情况,揭示了荷载沿杆体的传递机制以及扩体锚杆各承载力分量的发挥规律。在此基础上采用数字摄影变形测量方法详细观测了锚周土体变形场,阐明了由地基土控制的两种扩体锚杆破坏模式,通过锚周土体的力学响应规律分析了突变型和缓变型两种破坏模式下扩体锚杆的荷载传递机制及其力学成因。2.采用光纤应变测量技术设计了扩体锚杆的现场试验,通过杆体变形测量获得了扩体锚杆足尺模型的荷载传递情况,明确了扩体锚杆的无粘结锚固段、普通锚固段和扩体锚固段的承载力分布和发展规律。此外,还设计了扩体锚杆与传统摩擦型锚杆的对比试验,定量说明了扩体锚杆在承载力和变形量控制等方面力学性能的优势。3.建立了扩体锚杆受上拔力作用的土-锚有限元数值模型,分析了扩体锚杆的几何尺寸和地基土的力学性质与扩体锚杆承载力之间的关系,提出了用于定量描述扩体锚杆几何尺寸与承载力关系的承载比概念,为扩体锚杆工程的优化设计提供了有力的理论依据。4.基于实测的地基土变形区形态,提出了扩体锚杆受拉拔力作用的临界状态。在此基础上采用极限平衡方法建立了土体变形区尺寸和锚杆端阻力的计算公式,给出了锚杆极限承载力计算方法,经过试验实测数据的验证发现该计算方法具有较高的准确性。此外,基于工程实测数据提出了表征扩体锚杆荷载位移关系的双曲线模型,基于该模型和部分试验数据能够预测锚杆的承载力,从而解决工程实践中因扩体锚杆难以加载到破坏状态而导致锚杆的承载力水平难以评价的工程技术问题。