軟巖地層多段擴(kuò)體錨桿施工工藝及拉拔試驗(yàn)

唐延貴 岳大昌 陳曉悟 李 明

（成都四海巖土工程有限公司，四川成都 610094）

0 引言

抗浮錨桿與抗水板連接的結(jié)構(gòu)是地下室常用的抗浮措施，積累了比較豐富的設(shè)計(jì)和施工經(jīng)驗(yàn)。當(dāng)抗浮水位較高、地下室埋深越來越大時(shí)，對(duì)抗浮錨桿的抗拔承載力要求越來越高。目前，成都地區(qū)設(shè)計(jì)的抗浮錨桿單根抗拔承載力特征值一般為100～300 k N，當(dāng)要求承載力更高時(shí)，設(shè)計(jì)主要通過增加錨固長(zhǎng)度來滿足，但錨桿抗拔承載力與錨固長(zhǎng)度并不是單調(diào)遞增的關(guān)系，而是具有“長(zhǎng)度臨界值”，即錨固體長(zhǎng)度增加到一定程度時(shí)，抗拔承載力增加幅度逐漸減小[1-2]。而增大錨固體直徑及改善巖土與錨固體之間粘結(jié)和摩阻特性是提高錨桿抗拔載力的另一途徑。

國(guó)內(nèi)一些學(xué)者對(duì)第二種途徑提高錨桿承載力進(jìn)行了試驗(yàn)和理論工作。例如，孫 濤等[3]采用變截面工藝以及改善截面特性的新工法提高了錨固體與土層的黏結(jié)強(qiáng)度，提高了抗浮錨桿承載力。陳志博等[4]通過參數(shù)研究表明錨桿極限承載力具有隨錨固體直徑增大而增大的規(guī)律。胡建林等[5]采用機(jī)械擴(kuò)孔增加錨固體直徑，抗拔承載力提高20%～33%。郭鋼等[6]通過模型試驗(yàn)研究認(rèn)為擴(kuò)體錨桿的破壞是錨固體周圍土體逐步變形破壞的結(jié)果。陳帥等[7]通過理論分析認(rèn)為錨固體擴(kuò)大頭部分的長(zhǎng)度增加能夠明顯提高其抗拔承載力，而擴(kuò)大頭部分直徑的增加對(duì)提高抗拔承載力的貢獻(xiàn)具有臨界值。曾慶義[8]研究了擴(kuò)大頭錨桿的力學(xué)機(jī)制，將其力學(xué)過程分為3個(gè)階段，即靜止土壓力階段、過渡階段、塑性區(qū)壓密—擴(kuò)張階段。李 哲[9]研究了密實(shí)砂土中多段擴(kuò)大頭錨桿的承載特性，表明擴(kuò)大頭直徑對(duì)錨桿的極限承載力影響較大，但也具有臨界值，多段型擴(kuò)大頭錨桿的極限承載力是底端型的1.2～1.3倍。目前為止，國(guó)內(nèi)鮮有關(guān)于巖層錨桿的類似試驗(yàn)和理論研究。

以實(shí)際工程項(xiàng)目為依托，采用機(jī)械擴(kuò)孔鉆[10]施工多段擴(kuò)體抗浮錨桿，進(jìn)行多級(jí)循環(huán)加載卸載試驗(yàn)，根據(jù)錨桿的荷載-位移曲線及現(xiàn)場(chǎng)變形破壞特征，確定了抗浮錨桿破壞模式及承載力特征，可作為進(jìn)一步試驗(yàn)和實(shí)際工程施工的重要參考依據(jù)。

1 場(chǎng)地工程地質(zhì)概況

試驗(yàn)錨孔深度范圍地層為白堊系夾關(guān)組（K2j）泥質(zhì)砂巖，紫紅色，中等風(fēng)化，細(xì)粒-粉粒結(jié)構(gòu)，泥質(zhì)、鈣質(zhì)膠結(jié)，礦物成份以長(zhǎng)石、石英為主，含云母片，風(fēng)化裂隙發(fā)育，巖體結(jié)構(gòu)較完整，呈塊狀或巨厚層狀構(gòu)造，局部夾泥巖薄層。

場(chǎng)地地下水主要為賦存于第四系砂卵石層中的孔隙潛水以及基巖裂隙水，施工期間，基坑周邊正在進(jìn)行降水，且已開挖至基巖，錨桿深度范圍內(nèi)地下水為裂隙水，水位和水量因裂隙發(fā)育程度變化較大。

2 試驗(yàn)方案及裝置

2.1 錨桿物理力學(xué)參數(shù)

共布置2組試驗(yàn)錨桿（第1組編號(hào)為M1～M3，第2組編號(hào)為M4～M6），錨桿平面間距為3 m，第1組錨孔直徑為170 mm（2～3 m、4～5 m），其余段為130 mm，第2組錨孔直徑為130 mm，錨桿桿體材料為4根28（25）mm的螺紋鋼筋（HRB400），其物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 錨桿桿體物理力學(xué)參數(shù)

2.2 錨桿的制作與施工

（1）錨桿的制作

錨桿由4根28（25）mm的螺紋鋼筋（HRB400）制成，錨固長(zhǎng)度為6.0 m，地面以上預(yù)留1.5 m桿體進(jìn)行拉拔試驗(yàn)；錨桿隔離支架間距為2.0 m，對(duì)中支架間距為1.5 m。

（2）機(jī)械設(shè)備

錨桿施工主要機(jī)械設(shè)備包括空壓機(jī)（21 m3/min）、錨桿鉆機(jī)、制漿機(jī)和注漿機(jī)。

（3）施工流程

施工主要流程為：平整場(chǎng)地→測(cè)放點(diǎn)位→鉆機(jī)成孔→下放錨桿→注漿→錨桿養(yǎng)護(hù)。

（4）成孔和注漿施工

開始采用沖擊鉆進(jìn)，進(jìn)入地層20 cm以上后加大氣量旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，鉆至設(shè)計(jì)孔深度后超鉆20 cm，并加大氣量排除孔內(nèi)殘?jiān)?。清孔完畢后下放桿體，隨后采用孔底加壓注漿，漿體材料為P.0 42.5水泥漿，為降低孔壁殘留泥皮對(duì)漿體和巖體之間黏結(jié)特性的影響，漿液中外加10%混凝土膨脹劑，水灰質(zhì)量比1：1，注漿壓力不小于2.0 MPa，孔口溢漿后緩慢提升注漿管，反復(fù)補(bǔ)注漿。圖1為多段擴(kuò)體錨桿工藝試驗(yàn)開挖照片，圖2為拉拔試驗(yàn)錨桿施工完畢后的平面分布照片。

圖1 工藝試驗(yàn)開挖照片

圖2 試驗(yàn)錨桿平面分布圖

2.3 試驗(yàn)裝置及加載方式

（1）試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置由混凝土墊塊（見圖2）、鋼墊塊、鋼梁、千斤頂、油壓泵、百分表等部件組成，如圖3所示。其中，混凝土墊塊、鋼墊塊（鋼板、鋼支墩）面積按預(yù)計(jì)施加最大荷載等于地基能提供的反力驗(yàn)算，鋼梁截面尺寸按預(yù)計(jì)施加最大荷載小于梁的抗彎承載力驗(yàn)算，混凝土墊塊尺寸為45 cm×45 cm×20 cm，嵌入基巖20 cm，其他組成部分詳細(xì)參數(shù)如下：

①鋼墊板：長(zhǎng)130 cm，寬43 cm，厚20 mm，材質(zhì)為Q235鋼板。

②鋼支座：寬19 cm，高18 cm，由Q235鋼板焊接而成，鋼板厚20 mm，每個(gè)支座由2個(gè)鋼支墩組成，2個(gè)支座之間間距150 cm。

③鋼梁：長(zhǎng)300 cm，寬45 cm，高32 cm，由4根Q235槽鋼焊接而成。

④千斤頂：型號(hào)YCW200B，規(guī)格200T，經(jīng)校準(zhǔn)標(biāo)定后使用。

⑤百分表：規(guī)格型號(hào)100 MPa，經(jīng)校準(zhǔn)標(biāo)定后使用，測(cè)量錨頭位移。

⑥錨墊板、錨具：錨墊板厚度3 cm的Q235鋼板。

⑦百分表：規(guī)格型號(hào)100 MPa，經(jīng)校準(zhǔn)標(biāo)定后使用，測(cè)量錨固體位移。

圖3 試驗(yàn)裝置示意圖

（2）試驗(yàn)步驟及加載方法

拉拔試驗(yàn)流程為：場(chǎng)地平整→混凝土墊塊澆筑、鋼墊板鋪設(shè)→鋼支座、鋼梁安裝→千斤頂安裝→錨墊板、錨具安裝→油壓泵連接→預(yù)張拉→百分表安裝→試驗(yàn)加載、卸載→讀數(shù)、變形破壞現(xiàn)象觀測(cè)記錄。每級(jí)荷載下觀測(cè)時(shí)間不少于5 min、測(cè)讀位移次數(shù)不少于3次，位移增量小于0.1 mm時(shí)，施加下一級(jí)荷載。

3 試驗(yàn)成果及分析

3.1 試驗(yàn)成果

圖4為第1組錨桿在循環(huán)加卸載條件下典型錨頭荷載-位移（F-S1）曲線，圖5、圖6分別為第1組錨桿的錨頭荷載-位移（F-S1）曲線、錨固體荷載-位移（F-S2）曲線。由圖4—圖6可知，當(dāng)荷載小于一定值，M2、M3錨桿變形隨荷載增加呈非線彈性增大，當(dāng)荷載增加到一定值時(shí)（M2荷載1134 k N、M3荷載1058 k N，均大于鋼筋屈服強(qiáng)度984 k N），桿體發(fā)生屈服（錨頭位移6～10 mm），此時(shí)錨頭位移僅為1～2 mm，當(dāng)荷載進(jìn)一步增加，錨頭位移持續(xù)增大，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，當(dāng)荷載超過一定值時(shí)（M2荷載1191 k N、M3荷載1210 k N，均小于鋼筋極限強(qiáng)度1329 k N），桿體被拔出（錨頭位移超過20 mm）、錨固體開裂破壞，而錨固體位移僅增加到了3.3 mm。

圖4 第1組錨桿錨頭荷載-位移曲線1（M2）

圖5 第1組錨桿錨頭荷載-位移曲線2

圖6 第1組錨桿錨固體荷載-位移曲線

圖7為第2組錨桿在循環(huán)加卸載條件下典型錨頭荷載-位移（F-S1）曲線，圖8、圖9分別為第2組（等直徑）錨桿的錨頭荷載-位移（F-S1）曲線、錨固體荷載-位移（F-S2）曲線。由圖7—圖9可知，當(dāng)荷載小于一定值，M4—M6錨桿變形隨荷載增加呈非線彈性增大，當(dāng)荷載增加到一定值時(shí)（M4荷載907 kN、M5荷載944 kN、M6荷載868 kN，均大于鋼筋屈服強(qiáng)度841 kN），桿體發(fā)生屈服（錨頭位移8～17 mm），此時(shí)錨頭位移僅為2～2.5 mm，當(dāng)荷載進(jìn)一步增加，錨頭位移持續(xù)增大，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，當(dāng)荷載超過一定值時(shí)（M4荷載925 k N、M5荷載982 k N、M6荷載1001 k N，均小于鋼筋極限強(qiáng)度1060 k N），桿體被拔出（錨頭位移超過20 mm）、錨固體開裂破壞，而錨固體位移最大僅增加到了2.2～3.1 mm。

圖7 第2組錨桿錨頭荷載-位移曲線1（M5）

3.2 成果分析

（1）錨桿破壞模式

拉拔試驗(yàn)結(jié)果表明錨桿破壞方式為鋼筋先屈服，隨后被拔出、同時(shí)錨固體開裂破壞，即荷載超過桿體屈服強(qiáng)度、注漿體強(qiáng)度及其與桿體的黏結(jié)強(qiáng)度，錨桿破壞。圖10為現(xiàn)場(chǎng)錨桿破壞特征照片。試驗(yàn)過程中M1發(fā)生巖體破壞，判斷為巖體差異風(fēng)化導(dǎo)致的強(qiáng)度不均勻，低于拉拔荷載所致。

圖8 第2組錨桿錨頭荷載-位移曲線2

圖9 第2組錨桿錨固體荷載-位移曲線

圖10 錨桿破壞形式示意圖

（2）錨桿極限承載力取值

根據(jù)拉拔試驗(yàn)結(jié)果綜合確定錨桿極限承載力值見表2，第1組多段擴(kuò)體錨桿極限承載力平均值達(dá)1200 k N，第2組等直徑錨桿極限承載力平均值達(dá)970 k N，雖然最終均為錨桿被拔出以及錨固體破壞，但該承載力足以滿足抵抗較高水浮力的要求。

表2 錨桿極限承載力取值

4 結(jié)論

1）軟巖地層多段擴(kuò)體抗浮錨桿施工工藝技術(shù)可行，錨桿抗拔承載力高，實(shí)際工程中能滿足抵抗較高水浮力的需求。

2）試驗(yàn)錨桿破壞方式為鋼筋先屈服，最后鋼筋被拔出，同時(shí)錨固體被拉裂。

3）試驗(yàn)不足之處為“低估”了擴(kuò)體錨桿抗拔承載力，發(fā)生桿體和錨固體強(qiáng)度失效破壞，未測(cè)得錨固體與巖層間作用力參數(shù)，但結(jié)果仍可作為進(jìn)一步試驗(yàn)和實(shí)際工程施工的重要參考依據(jù)。