袖閥布袋錨桿加固松軟地層試驗研究

衛(wèi)國芳 張明

摘要：鋼管錨桿加固松軟地層注漿質(zhì)量不易控制，不能充分發(fā)揮錨桿的承載力，為此，提出采用改進(jìn)袖閥布袋錨桿加固松軟地層。開展了松軟回填土層袖閥布袋注漿試驗、袖閥布袋錨桿與鋼管錨桿對比試驗及袖閥布袋錨桿抗拔試驗。試驗結(jié)果表明：① 袖閥布袋承受的最大注漿壓力為1.4 MPa，布袋破裂后漿體包裹在錨桿周圍，抑制了漿體流動。② 袖閥布袋錨桿布袋破裂后形成直徑為15 cm的圓柱形注漿體包裹于錨桿周圍，而鋼管錨桿注漿后漿體滲漏擴(kuò)散嚴(yán)重，錨桿周圍漿體分布不均勻，前者具有更為可靠的注漿質(zhì)量與錨固力。③ 袖閥布袋錨桿最大抗拔力為桿體抗拔承載力標(biāo)準(zhǔn)值的103.5%～122.8%，充分發(fā)揮了桿體材料的強(qiáng)度。④ 試驗中錨桿破壞時無明顯的塑性變形，說明錨桿與地層粘結(jié)牢固，注漿效果良好。

關(guān) 鍵 詞：

袖閥布袋錨桿; 松軟地層; 抗拔承載力; 注漿試驗; 抗拔試驗

中圖法分類號： TU472

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.05.024

在淤泥、淤泥質(zhì)土、松散雜填土及砂土等松軟地層設(shè)置鋼管錨桿，注漿質(zhì)量難以保證，且漿液擴(kuò)散后，桿體與周圍土層缺少注漿材料的粘結(jié)，影響承載力的發(fā)揮。同時注漿孔易堵塞，導(dǎo)致注漿效果不易控制。當(dāng)錨桿設(shè)置位置上覆土層較薄時，極易發(fā)生地面冒漿、管溝串漿現(xiàn)象，錨固效果得不到保證，同時浪費(fèi)水泥材料。解決上述問題的關(guān)鍵在于錨桿桿體材料的選擇與施工工藝的改進(jìn)。錨桿桿體材料的選擇方面：鄭晨等[1-2]、張俊儒等[3]、袁仁愛等[4]提出了玻璃纖維錨桿，該錨桿具有更高的抗拉強(qiáng)度、優(yōu)異的耐腐蝕性能及普通鋼筋錨桿所不具有的絕緣性能，性價比高，在地下結(jié)構(gòu)抗浮與隧道軟巖加固工程中得到廣泛應(yīng)用。劉學(xué)鵬等[5]將摻XPM外加劑的噴射混凝土與水脹式錨桿的組合支護(hù)技術(shù)應(yīng)用于深埋、特長隧道施工中，取得了較好效果。

錨桿的施工工藝方面，針對鋼管錨桿的缺點(diǎn)，研究者結(jié)合袖閥注漿技術(shù)，對錨桿進(jìn)行改進(jìn)。袖閥注漿技術(shù)最早應(yīng)用于地基加固工程。陳劍華等[6]采用袖閥管注漿法對抽水蓄電站攔沙壩松散地層進(jìn)行加固，使土體強(qiáng)度與防滲效果在多次注漿后得到提高，增強(qiáng)了壩基整體抗滑、抗壓和防滲能力。李新房等[7]采用袖閥管注漿技術(shù)對明挖深基坑工程進(jìn)行加固，達(dá)到了很好的沉降控制效果。周韶華[8]采用膜袋袖閥管注漿技術(shù)對廣東汕湛高速公路路基溶洞進(jìn)行處治，達(dá)到了非常好的效果，相對于普通的袖閥管注漿，具有質(zhì)量易于控制、施工面小及加固效果突出的優(yōu)勢。帥建兵[9]將隔壓膨脹膜袋袖閥管注漿技術(shù)成功應(yīng)用于青島地鐵4號線人民大會堂地表超前注漿施工中。陳陽[10]采用袖閥管二次超細(xì)水泥漿注漿方案對隧道洞口進(jìn)行注漿加固，有效抑制了洞身變形下沉。馬馳[11]利用袖閥管注漿技術(shù)對隧道塌方體進(jìn)行加固處理，加固后土體強(qiáng)度顯著提高，初期支護(hù)變形得到有效控制，加固效果明顯。

在以上研究成果的基礎(chǔ)上，本文提出采用布袋包裹并在鋼管外設(shè)置橡膠袖閥的新型袖閥布袋錨桿結(jié)構(gòu)，用于加固松軟地層，可以有效解決鋼管錨桿應(yīng)用時出現(xiàn)的注漿問題。

1 袖閥布袋注漿錨桿組成及工作原理

1.1 袖閥注漿錨桿的組成

袖閥布袋錨桿主要由錨桿桿體、錨頭、袖閥、布袋、固定箍等組成，結(jié)構(gòu)示意如圖1所示，錨桿大樣如圖2所示。

1.2 工作原理

袖閥管是一種只能向管外出漿，不能向管內(nèi)返漿的單向閉合裝置。注漿時，壓力將小孔外的橡皮套沖開，漿液進(jìn)入地層，當(dāng)管外壓力大于管內(nèi)時，小孔外的橡皮套自動閉合，防止?jié){液逆流回管內(nèi)。根據(jù)袖閥管的原理，將鋼管錨桿進(jìn)行改造，在鋼管底部承載段設(shè)置袖閥，并在一定長度范圍內(nèi)設(shè)置高強(qiáng)土工布袋，兩端綁扎在鋼管上，鋼管端部設(shè)導(dǎo)向頭，在軟弱地層內(nèi)采用打入式施工然后進(jìn)行注漿。施工時采用潛孔鉆機(jī)的沖擊器將錨桿打入土層至預(yù)定的深度，外端口接注漿泵進(jìn)行壓力注漿，使得布袋漲開，形成錨固體。由于設(shè)置了袖閥，可避免孔口返漿。

袖閥布袋錨桿相比成孔注漿錨桿施工簡便、造價低。袖閥可實(shí)現(xiàn)單向注漿，消除孔口返漿影響錨固效果、浪費(fèi)水泥等問題。布袋注漿將所注的漿液限制于特制的布袋中，避免了管溝串漿、地面冒漿的問題，可節(jié)省注漿用量。布袋注漿后體積膨脹擴(kuò)大了錨固體直徑，同時壓密了錨固體周邊土體，提高了錨桿與土體之間的摩阻力。因此，該錨桿相比傳統(tǒng)技術(shù)具有施工簡便、節(jié)約注漿材料、提高錨固效率等優(yōu)點(diǎn)，適合用于回填土、淤泥質(zhì)土、松散的砂類土層，具有減小錨桿長度和注漿量等顯著優(yōu)點(diǎn)。

2 袖閥布袋錨桿加固松軟回填土層試驗

2.1 試驗場地概況

試驗場地位于深圳坪山區(qū)沙湖社區(qū)南湖工業(yè)園東側(cè)邊坡坡腳處，表層為挖方而堆積的回填土，夾有部分混凝土塊及磚砌體塊建筑垃圾。場地棄土新近堆積未經(jīng)碾壓，松散且空隙較大，為砂土含少量碎石，碎石粒徑2～5 cm，強(qiáng)度較低，同時夾雜部分黏性土及污泥。該處地面較為平緩，錨桿無法直接施工，為方便試驗用挖掘機(jī)開了1.5 m深的槽（見圖3），將錨桿垂直側(cè)壁施工。

2.2 試驗步驟

（1） 錨桿制作。① 鋼花管制作：按照錨桿極限抗拔承載力要求，選取一根長度為6.0 m，48×3.5 mm鋼管，在距鋼管底部0.5 m和1.5 m處做相互垂直的兩對出漿孔。連接鋼管時連接接頭先對焊焊接，然后用16 mm鋼筋綁焊兩道。② 安裝橡膠套袖閥：袖閥采用彈性良好的氯丁橡膠管，將橡膠套袖閥順著鋼管的頂端套入預(yù)定位置。在出漿孔兩側(cè)距出漿孔30 mm處點(diǎn)焊兩根8 mm鋼筋，限制橡膠套袖閥，防止移位。③ 安裝導(dǎo)向頭：將導(dǎo)向頭的末端塞進(jìn)鋼管內(nèi)，并沿著管口四周將導(dǎo)向頭與鋼管焊接在一起。④ 布袋制作：取土工布長度為500 cm，縫合成筒狀，筒徑為140～150 mm（3d，d為鋼管直徑）。⑤ 布袋固定：采用8 mm鍍鋅鐵絲將土工布兩端綁定在鋼管上，每端固定兩道。

（2） 錨桿成孔及安裝。試驗場地地層主要為回填土，局部夾雜有建筑垃圾，錨桿很難直接打至預(yù)定深度。采用鉆機(jī)預(yù)先成孔，然后將布袋注漿錨桿放入孔內(nèi)，孔外錨桿預(yù)留長度不少于0.5 m的張拉段。

（3） 錨桿注漿。錨桿注漿液采用P·O 42.5R普通硅酸鹽水泥凈漿，水灰比0.45～0.60，采用注漿壓力與注漿量雙重控制方法來控制布袋內(nèi)的注漿效果。注漿前應(yīng)進(jìn)行布袋最大注漿量計算，計算布袋完全脹開后的最大容量。根據(jù)注漿的速度或流量指示器，在壓力未超過允許值的情況下分別控制時間和注漿量。

2.3 試驗時間與試驗設(shè)備

為使試驗錨桿盡可能發(fā)揮最大的錨固力，在注漿14 d后對3根錨桿進(jìn)行張拉試驗。張拉試驗設(shè)備見表1。

2.4 試驗程序

為了驗證袖閥布袋錨桿的加固效果，依次進(jìn)行袖閥布袋注漿試驗、袖閥布袋錨桿與普通鋼管錨桿的對比試驗、袖閥布袋錨桿抗拔試驗。

2.4.1 袖閥布袋注漿試驗

為檢驗土工布袋的耐壓性能及各部分的連接強(qiáng)度，制作了一根短袖閥布袋錨桿進(jìn)行孔外注漿，確定布袋承受的最大注漿壓力。圖4為制作的袖閥布袋錨桿，錨桿長度1.2 m，一端套有土工布袋，土工布袋兩端用鐵絲綁緊，鋼管套布袋的一端封口并焊死。錨桿制作完成后，連接注漿管路，校準(zhǔn)壓力表，用清水潤濕管路后開始送漿。當(dāng)布袋膨脹（見圖5） 后控制注漿速度，讓漿液緩慢流入布袋;當(dāng)布袋破裂（見圖6） 時讀取注漿壓力表的讀數(shù)。本次試驗注漿布袋破裂時壓力表讀數(shù)為1.4 MPa，即布袋承受的最大注漿壓力為1.4 MPa。

在注漿過程中，可以看到由于土工布袋的過濾作用，漿液內(nèi)的水逐步滲出布袋，布袋破裂后漿液在裂口處流到袋外。剝開布袋（見圖7） 可見，漿液變得黏稠，雖然布袋破裂，但是漿體仍然包裹在錨桿四周。可見土工布袋對限制漿體流動發(fā)揮了重要作用，即使在布袋破裂后仍然可以使?jié){體包裹在錨桿周圍。因此，在松軟地層中，使用布袋來控制注漿質(zhì)量可以達(dá)到良好的效果。

2.4.2 袖閥布袋錨桿與鋼管錨桿注漿對比試驗

使用兩根長2.5 m，DN 350 mm的PVC管來分別模擬有布袋和普通鋼管錨桿在松散回填土中的注漿效果。首先，將布袋錨桿和普通鋼管錨桿分別放入兩根塑料管內(nèi)，在管內(nèi)填土。待管內(nèi)填土完成后，檢查錨桿是否位于塑料管中心后開始注漿。

由圖8可以看出：布袋錨桿注漿時，隨著塑料管被脹裂，土工布袋破裂后漿體流出管外。但是在布袋破裂前注入的漿體仍然留在布袋內(nèi)，最終形成直徑150 mm的圓柱形漿體包裹在錨桿周圍。

由圖9可以看出：普通鋼管錨桿注漿量少于布袋錨桿，在注漿后不久便沿著錨桿周圍形成漿液通道，漿液直接流出管道口。將塑料管破開檢查，發(fā)現(xiàn)鋼管外附著的漿液較薄，且分布不均勻，有相當(dāng)一部分管壁沒有水泥漿包裹。漿液沿著孔隙滲漏嚴(yán)重，注漿質(zhì)量難以保證，使用鋼管錨桿進(jìn)行加固，錨固力必將大大降低。相比而言，袖閥布袋錨桿具有更可靠的注漿質(zhì)量，能得到更可靠的錨固力。

2.4.3 袖閥布袋錨桿抗拔試驗

采用YCW100型千斤頂和ZB-400型電動油泵施加張拉荷載。分別在20%，40%，50%，60%，70%，80%錨桿抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值（Afptk）荷載下進(jìn)行循環(huán)加卸載，張拉荷載為80%Afptk時進(jìn)行另外一個循環(huán)的重復(fù)加卸載。

錨桿拉力采用YH1000三弦式錨索計測定。由于錨桿外端無法設(shè)定百分表測量桿的接觸點(diǎn)，錨桿的伸長量Δs分為兩部分測量。一部分為千斤頂活塞的伸長量Δs1，通過卡尺測量;另一部分是地基松軟及混凝土承載墩的相對位移Δs2，采用固定于地面上三角架的百分表測量。錨桿的伸長量Δs=Δs1-Δs2。試驗結(jié)束后通過繪制荷載與位移關(guān)系曲線、荷載-彈性位移與塑性位移曲線，確定錨桿所在錨固地層的承載力。

3 試驗結(jié)果與分析

現(xiàn)場進(jìn)行了3根袖閥布袋錨桿張拉試驗。3根錨桿循環(huán)張拉時伸長量測量結(jié)果如表2所列。由表2可見：① ANCHOR-1錨桿張拉至第6循環(huán)時由于鋼管的屈服，錨頭鎖定部分出現(xiàn)滑移導(dǎo)致無法加載而試驗結(jié)束。第6循環(huán)張拉荷載為118 kN時，累計伸長量達(dá)到最大值8.37 mm。② ANCHOR-2錨桿張拉至第6循環(huán)時，孔內(nèi)發(fā)出鋼管斷裂的巨大聲響，荷載讀數(shù)急劇下降而試驗結(jié)束。第6循環(huán)張拉荷載為140 kN時，累計伸長量達(dá)到最大值5.02 mm。③ ANCHOR-3錨桿張拉至第6循環(huán)時也是由于鋼管的屈服，錨頭鎖定部分出現(xiàn)滑移導(dǎo)致無法加載而試驗結(jié)束。錨桿在第6循環(huán)張拉荷載為126 kN時，累計伸長量達(dá)到最大值16.36 mm。

3根錨桿張拉時荷載-位移關(guān)系曲線如圖10所示，荷載-彈性位移及塑性位移曲線如圖11所示。由圖10～11可見：① ANCHOR-1錨桿張拉至第6循環(huán)張拉荷載118 kN時，累計伸長量（總位移）達(dá)到最大值8.37 mm，其中彈性位移、塑性位移分別為4.72，3.62 mm。② ANCHOR-2錨桿張拉至第5循環(huán)張拉荷載80 kN時，累計伸長量（總位移）為2.45 mm，其中彈性位移、塑性位移分別為1.00，1.45 mm。③ ANCHOR-3錨桿張拉至第5循環(huán)張拉荷載80 kN時，累計伸長量（總位移）為9.25 mm，其中彈性位移、塑性位移分別為3.80，5.45 mm。

錨桿極限抗拔力見表3。由表3可知：3根錨桿最大抗拔力平均值為128 kN，其中錨桿ANCHOR-2承載力達(dá)到極限值被拉斷，鋼管材料的抗拔承載力標(biāo)準(zhǔn)值為114 kN，其余2根錨桿的承載力也接近桿體材料的抗拔承載力標(biāo)準(zhǔn)值。因此，3根錨桿最大抗拔力為桿體抗拔承載力標(biāo)準(zhǔn)值的103.5%～122.8%，基本上已將桿體材料強(qiáng)度完全發(fā)揮出來了，說明錨桿注漿效果十分理想。

4 結(jié) 論

（1） 袖閥布袋錨桿孔外注漿試驗表明，袖閥布袋承受的最大注漿壓力為1.4 MPa。達(dá)到極限壓力時布袋破裂，布袋破裂后仍可使?jié){體包裹在錨桿周圍，布袋抑制了漿體流動。

（2） 袖閥布袋錨桿與鋼管錨桿注漿的對比試驗表明，設(shè)置布袋后布袋注漿段形成直徑為15 cm的圓柱形注漿體包裹于錨桿周圍，注漿效果好。鋼管錨桿注漿后漿體滲漏擴(kuò)散嚴(yán)重，錨桿周圍漿體分布極不均勻，相當(dāng)一部分錨桿周圍沒有漿體分布，大大降低了錨桿錨固力。

（3） 袖閥布袋錨桿抗拔試驗表明，3根錨桿最大抗拔力為桿體抗拔承載力標(biāo)準(zhǔn)值的103.5%～122.8%，ANCHOR-2錨桿達(dá)到材料極限強(qiáng)度而斷裂，錨桿破壞時均無明顯的塑性變形，說明錨桿與地層粘結(jié)十分牢固，注漿效果良好。

（4） 袖閥布袋錨桿應(yīng)用于松軟地層加固取得了良好的注漿效果與加固效果，節(jié)約了水泥用量，保證了承載力，是一種具有推廣應(yīng)用價值的新型錨桿。

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（編輯：鄭 毅）