土層自旋錨桿錨固技術(shù)研究

藺云宏,羅文靜,任飛

(廣州市地下鐵道設(shè)計(jì)研究院,廣州510010)

0 引言

錨固技術(shù)能改變巖土體的力學(xué)特性,從本質(zhì)上提高巖土體的自身承載性能,也就從本質(zhì)上提高了工程體的內(nèi)在穩(wěn)定性,和支撐式結(jié)構(gòu)維護(hù)巖土體穩(wěn)定的方法比起來(lái),錨固技術(shù)能達(dá)到本質(zhì)安全工程。錨桿(索)的研究在近50年取得了突飛猛進(jìn)的成果[1-4]。地下工程中錨桿的應(yīng)用給施工帶來(lái)了質(zhì)的飛躍。尤其是一些臨時(shí)支護(hù)中采用錨桿技術(shù)更是顯示出其優(yōu)良的工程特點(diǎn)。土體錨桿的應(yīng)用幾乎都是以砂漿灌注粘結(jié)式結(jié)構(gòu)為錨固體[5-6]。這種錨固形式雖然取得了顯著成績(jī),能夠廣泛適應(yīng)各種土體結(jié)構(gòu)工程。但其施工的復(fù)雜性,尤其是錨固體灌注后的強(qiáng)度等待時(shí)間往往嚴(yán)重影響工程進(jìn)度。而土體的特性恰恰是需要及時(shí)的錨固才能很好的滿足工程受力。除此之外,砂漿錨固方式進(jìn)行城市地下結(jié)構(gòu)施工支護(hù)會(huì)給城市地下空間造成污染。這2點(diǎn)就大大限制了砂漿錨桿在土層的應(yīng)用。因此,砂漿錨桿(索)盡管具有很多優(yōu)點(diǎn)還是在城市地下結(jié)構(gòu)應(yīng)用較少。

土層錨桿中有一種螺旋錨桿技術(shù)。這種錨固結(jié)構(gòu)基本上都是以一系列較大截面的旋片作為錨葉在土層中形成阻力。這一技術(shù)已經(jīng)在一些樁錨技術(shù)中應(yīng)用并取得很好的效果。但是,作為廣泛應(yīng)用的錨桿技術(shù)還存在一些缺陷需要經(jīng)過(guò)研究,目前在工程中還很少應(yīng)用。為了解決土體的快速錨固技術(shù)以及回收問(wèn)題,在西安地鐵2#線TJSG-4標(biāo)采用了自旋擠壓錨固新技術(shù)。

1 土層錨桿技術(shù)分析

現(xiàn)階段土層錨桿(索)主要的錨固形式是灌注砂漿將錨固體黏裹和土體形成摩擦阻力,這是目前最為成熟和可靠的方法。砂漿錨桿具有施工適應(yīng)性較強(qiáng)的顯著優(yōu)點(diǎn);但砂漿錨固技術(shù)在工程應(yīng)用中存在缺陷。

1.1 砂漿錨桿顯著的缺陷

1)砂土體中成孔速度慢,有時(shí)候甚至影響工期;

2)一些砂土層難以成孔需要采用泥漿護(hù)壁成孔工藝,該工藝復(fù)雜容易造成場(chǎng)地泥濘;

3)錨固體灌漿后需要10d以上的凝固期和錨固圍裹土體的失水過(guò)程,從而導(dǎo)致不能及時(shí)支護(hù)工程結(jié)構(gòu)體,有時(shí)嚴(yán)重影響工期。

1.2 砂漿錨桿的工程缺陷

現(xiàn)有砂漿錨桿的先天缺陷使得該品種錨桿的應(yīng)用對(duì)工程產(chǎn)生一些不良效果:

1)有時(shí)候影響工期;

2)一些時(shí)候嚴(yán)重影響工期;

3)有時(shí)候還會(huì)造成安全問(wèn)題;

4)次要問(wèn)題是造成場(chǎng)地泥濘影響其他施工。

1.3 螺旋錨固技術(shù)

上世紀(jì)初期應(yīng)用的螺旋錨桿是以較大的旋片形成錨葉,通過(guò)較大面積的土體內(nèi)阻力形成錨固。這種錨固方式由于其旋片的大間隔使得其錨固效果穩(wěn)定性欠佳,一般只用于輔助錨固。

2 新型土層可回收自旋錨桿

為了克服砂土層砂漿錨桿和普通螺旋錨桿技術(shù)的缺陷,課題組對(duì)砂土層的螺旋錨桿技術(shù)進(jìn)行了錨固機(jī)理分析。把錨葉阻力和摩擦阻力結(jié)合考慮,對(duì)原來(lái)螺旋錨桿的錨固段的進(jìn)行了改變。采用高密度擠壓摩擦錨固的理念設(shè)計(jì)錨桿,采用自攻旋進(jìn)安裝工藝。通過(guò)在西安地區(qū)5個(gè)典型的砂土層進(jìn)行可行性試驗(yàn)后設(shè)計(jì)出適合砂土層的自旋錨桿。本次在西安地鐵2#線TJSG-4標(biāo)段的基坑支護(hù)中經(jīng)過(guò)了理論與實(shí)踐的考驗(yàn),推進(jìn)了該項(xiàng)技術(shù)的進(jìn)一步完善。

2.1 自旋可回收土層錨桿特點(diǎn)

土釘自旋錨桿顯著的特殊優(yōu)點(diǎn)有3點(diǎn):

1)自身特性?xún)?yōu)點(diǎn)。不鉆孔擠壓旋進(jìn)安裝結(jié)束立即達(dá)到錨固力。

2)工程特性?xún)?yōu)點(diǎn)。安裝完成立即投入使用,替代橫支撐大大方便施工,節(jié)約成本。

3)社會(huì)效益。必要時(shí)反旋轉(zhuǎn)取出,不污染城市地層。

2.2 自旋式可回收錨桿構(gòu)造

完整結(jié)構(gòu)的自旋錨桿包括:桿體、特制鉆頭、連接扣、封孔圈、托盤(pán)、預(yù)緊螺紋和螺母。錨桿的參數(shù)需要根據(jù)巖土層的性質(zhì)確定。施工時(shí)根據(jù)砂土層的具體情況確定采用那些構(gòu)件。圖1是西安地鐵2#線TJSG-4標(biāo)設(shè)計(jì)的自旋錨桿。

土層自旋錨桿無(wú)需打孔,利用機(jī)械鉆具直接將自旋錨桿強(qiáng)力旋進(jìn)土體中。扭進(jìn)過(guò)程中桿體所占空間的土體被強(qiáng)行擠壓向周邊分布,使得錨桿體周?chē)馏w形成不均勻擠壓區(qū),強(qiáng)化了錨桿的錨固力。在一般砂土層中錨固力可以達(dá)到11kN/m以上。在古土壤中一般可以達(dá)到25kN/m以上。錨固效果非常理想。

3 自旋土釘錨桿工程作用機(jī)理

3.1 旋柱摩擦錨固力

作為錨(anchor)作用機(jī)理,可以設(shè)計(jì)成較大的旋片,以形成較大面積的阻力。原理如圖2。

圖1 TJSG-4標(biāo)使用的自旋土層錨桿Fig.1 Screw bolt used in TJSG-4 bid section of line 2 of Xi′an Metro

圖2 單旋片張拉破壞機(jī)理Fig.2 Mechanisms of tensioning failure of single blade

這種錨固方式容易在錨葉處產(chǎn)生屈服。要克服這種缺陷可以增加更多的旋片,但過(guò)密的旋片容易嚴(yán)重破壞錨固體周?chē)馏w,錨固力反而較低。課題組采用了較粗桿體的密集小旋片的螺旋錨固方式。這種錨桿的錨固作用是以擠壓密實(shí)土體產(chǎn)生連續(xù)摩擦阻力和旋片產(chǎn)生高表面阻力的雙重效果形成綜合錨固力。圖3為錨桿體周?chē)^固力分布圖。

圖3 錨桿體周?chē)^固力分布Fig.3 Distribution of anchoring force around bolt

3.2 全長(zhǎng)錨固工程作用機(jī)理

力學(xué)上傳統(tǒng)的預(yù)應(yīng)力錨索是以強(qiáng)大的預(yù)應(yīng)力抵消土體壓力為設(shè)計(jì)原理的。工程支護(hù)中應(yīng)用到樁錨結(jié)構(gòu)的基坑支護(hù)中,這種預(yù)應(yīng)力往往不能克服強(qiáng)大的灌注樁和冠梁形成的結(jié)構(gòu)體系的抗力對(duì)土體施加預(yù)應(yīng)力。

自旋錨桿不屬于強(qiáng)有力預(yù)應(yīng)力形式。這種錨固形式的力學(xué)作用主要是以全程形成錨固力來(lái)克服土體本身的力學(xué)“松弛”。或者說(shuō)是錨桿改變了土體系的力學(xué)參數(shù)而達(dá)到了錨桿改善土體系穩(wěn)定性的目的。這是從本質(zhì)上改善結(jié)構(gòu)體系穩(wěn)定性的本質(zhì)安全型支護(hù)方式。

4 自旋土釘錨桿工業(yè)性試驗(yàn)

根據(jù)擠壓摩擦錨桿的力學(xué)機(jī)理試制的自旋錨桿土釘在西安市地鐵2#線TJSG-4標(biāo)張家堡基坑進(jìn)行了試驗(yàn)。

4.1 試驗(yàn)基坑地質(zhì)

地表一般分布有厚度不等的全新統(tǒng)人工填土;其下為全新統(tǒng)的沖積黃土狀土、粉質(zhì)黏土、粉細(xì)砂、中砂、粗砂,局部為礫砂、圓礫;上更新統(tǒng)沖積的粉質(zhì)黏土,中、粗砂層,局部為粉細(xì)砂、礫砂。地層特征及描述如下:

1)第四系全新統(tǒng)(Q4)

雜填土和素填土:雜色,松散,以建筑垃圾為主,含少量黏性土和植物根系等,厚度變化大;本層厚度0.90～5.40m,層底深度0.90～5.40m。

黃土狀土和粉質(zhì)黏土:稍濕,可塑;針狀孔及蟲(chóng)孔發(fā)育;本層厚度5.00～13.70m,層底深度10.3～15.1 m;最淺埋深12.20m。

粉細(xì)砂、中砂和粗砂:中密至密實(shí),含少量礫石或圓礫;層底深度15.50～25.50m。

2)第四系上更新統(tǒng)(Q3)

粉質(zhì)黏土和中砂:灰色,密實(shí),可塑,針狀孔較發(fā)育;該層分布不穩(wěn)定,厚度變化大,局部地段缺失;在本場(chǎng)地最大揭露厚度6.10～15.2m。

4.2 支護(hù)施工參數(shù)

基坑長(zhǎng)度263m,寬度55m?；由喜糠牌麻_(kāi)挖,使用 φ37×3 000mm自旋土釘和 φ6鋼筋網(wǎng)作為錨網(wǎng)結(jié)構(gòu),噴射混凝土封閉。錨桿間排距1 200mm×1 500 mm。

下部垂直開(kāi)挖,采用 φ800灌注樁,間距1 100 mm;樁間 φ600旋噴樁;冠梁1 000mm×800mm;錨桿采用直徑 φ44自旋錨桿,錨桿長(zhǎng)11～14.5m。

施工現(xiàn)場(chǎng)見(jiàn)圖4。

4.3 自旋錨桿的工程力學(xué)特征

自旋錨桿在安裝過(guò)程中對(duì)土體擠壓破壞,安裝結(jié)束后土壤再生形成錨固力。在錨桿安裝后的一段時(shí)間內(nèi),由于土體的結(jié)構(gòu)變形會(huì)使得錨桿的錨固力有顯著上升。圖5是3個(gè)測(cè)點(diǎn)的錨固力檢測(cè)值。

圖4 自旋土釘錨桿應(yīng)用工程基坑(單位:mm)Fig.4 Foundation pit where screw bolts are used(mm)

圖5 自旋錨桿在2009年不同時(shí)間的錨固力Fig.5 Anchoring force of screw bolts on different dates in 2009

5 討論

5.1 土層自旋錨桿的自身特性

自旋錨桿揚(yáng)棄土層大錨葉傳統(tǒng),采用自攻旋進(jìn)方式在安裝過(guò)程中將錨桿周?chē)翆訑D壓使其物理力學(xué)特性大大提高,使得較小的桿體就可以獲得較高的錨固力;自旋錨桿無(wú)需鉆錨桿孔直接自攻旋進(jìn)安裝,比起傳統(tǒng)的砂漿錨桿(索)施工速度提高十幾倍,錨桿安裝完成就立刻達(dá)到錨固力,使結(jié)構(gòu)得到最及時(shí)加固,大大提高施工安全;自旋錨桿具有回收功能,在必要時(shí)可以很方便地回收;自旋錨桿土釘安裝后期錨固力有一定的上升提高,對(duì)結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性非常有利。

5.2 自旋錨桿工程優(yōu)點(diǎn)

用自旋錨桿代替支撐系統(tǒng)的錨索,能在最短時(shí)間內(nèi)加固圍護(hù)結(jié)構(gòu)和土層,尤其是這種錨桿的錨固方式能改變圍護(hù)結(jié)構(gòu)外部土體的力學(xué)特性,形成本質(zhì)安全型;錨桿支護(hù)替代橫支撐使得基坑內(nèi)有較大的空間,挖土施工效率提高200%,永久結(jié)構(gòu)施工加快30%。施工期大大縮短;自旋式可回收錨桿對(duì)地層不會(huì)造成城市地層污染,可回收再用降低成本;自旋錨桿的參數(shù)可根據(jù)工程隨時(shí)調(diào)整,在遇到工程薄弱部位時(shí)迅速加打自旋錨桿對(duì)工程局部進(jìn)行加固,因此可以保證工程有足夠的安全度;自旋錨桿施工后可立即施加預(yù)應(yīng)力,以控制結(jié)構(gòu)的變形量;施工速度比傳統(tǒng)錨桿(索)提高十倍以上,可實(shí)現(xiàn)安全高效快速施工。

5.3 自旋土釘錨桿應(yīng)用領(lǐng)域

樁錨體系應(yīng)用能迅速及時(shí)施工,給開(kāi)挖和永久結(jié)構(gòu)施工創(chuàng)造良好的條件,加快工程進(jìn)度;替代傳統(tǒng)的砂漿土釘,施工快速經(jīng)濟(jì);用作土層隧道大管棚替代傳統(tǒng)的管棚施工,能實(shí)現(xiàn)大管棚小擾動(dòng),有利于土體穩(wěn)定;在人工開(kāi)挖的土層隧道的徑向錨桿使用自旋錨桿與鋼拱架結(jié)構(gòu)結(jié)合,能夠克服傳統(tǒng)砂漿錨桿需要長(zhǎng)時(shí)間凝固的缺陷和向上傾斜施工的無(wú)法克服的困難;可大大提高施工速度;對(duì)局部不安全因素,用自旋錨桿可以及時(shí)加固砂土體結(jié)構(gòu),提高砂土體自身的安全性。

6 結(jié)論

1)自旋錨桿安裝過(guò)程能擠壓密實(shí)再生土體結(jié)構(gòu),較小的錨固體較能獲得較高的錨固力。

2)自旋錨桿是目前土體錨固速度最快的一種,非常有利于土體地下工程施工。

3)自旋錨桿的全長(zhǎng)錨固方式能改變砂土體本身的物理力學(xué)參數(shù),有利于形成本質(zhì)安全性工程。

4)自旋錨桿作為土層隧道大管棚和徑向錨桿能改善隧道圍護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)性能,大幅度提高安全度和施工速度。

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