攪拌水泥土錨桿的電測試驗研究

陸林龍 吳大中

1 攪拌水泥土錨桿簡介

土層錨桿是巖土錨固工程領(lǐng)域的重要分支，其原理是將作用于結(jié)構(gòu)物上的荷載傳遞給深部土體。在巖土工程中采用錨固技術(shù)，能充分挖掘巖土能量，調(diào)用巖土的自身強度和自承能力，大大減輕結(jié)構(gòu)自重，節(jié)約工程材料，取得顯著的經(jīng)濟效果，并保證施工安全與工程穩(wěn)定。

土作為錨固工程的重要組成部分，在工程中的應用起始于20世紀70年代，由于其獨特的效應、簡便的工藝、廣泛的用途、經(jīng)濟的造價，在巖土工程領(lǐng)域中顯示旺盛的生命力[1］。

近年來為了適應不同地質(zhì)條件及工作條件的需要，對土層錨桿進行了一系列新的改進與研究，國內(nèi)基坑圍護工程中的土層錨桿其形式與結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)多樣化[2-4］。由于寧波地區(qū)地處深厚軟土分布區(qū)(以淤泥質(zhì)黏土為主)，在軟土地基中采用基坑圍護方案成功與否的關(guān)鍵是錨桿需提供較大且穩(wěn)定的錨固力。

為此，針對寧波等軟土地區(qū)的地質(zhì)條件，介紹了一種工藝更簡單、可應用于軟土基坑支護工程中的土層錨固工法——“攪拌水泥土錨桿工法”，簡稱 MCS錨桿。

攪拌水泥土錨桿借鑒了水泥土攪拌樁施工工藝，視錨桿為斜向水泥土攪拌樁，為拉力集中型錨桿，采用普通腳手架鋼管作為一次性鉆桿，將前端帶有多組攪拌葉片的鉆桿以設(shè)計角度旋轉(zhuǎn)打入土層，在推進過程中同時注入水泥漿液，葉片切削土體并與水泥漿攪拌混合，在土中形成直徑可以控制的水泥土固結(jié)體。到預定深度后，鉆桿及葉片作為加筋體留置在土中，與水泥土固結(jié)體共同形成可承受拉力的錨固體，從而形成強度顯著提高的攪拌水泥土錨桿。

2 攪拌水泥土錨桿作用機理

攪拌水泥土錨桿之所以能錨固在土層中作為一種新型受拉桿件，主要是由于錨桿在土層中具有一定的抗拔力。如圖1所示，當錨固段錨桿受力，首先通過錨索與周邊水泥土握裹力傳到水泥土中，然后通過水泥土傳到周圍土體。

圖1 攪拌水泥土錨桿的受力機理

傳遞的過程隨著荷載的增加，錨索與水泥土的粘結(jié)力(握裹力)逐漸發(fā)展到錨桿下端，待錨固段內(nèi)發(fā)生最大粘結(jié)力時，就發(fā)生與土體的相對位移，隨即發(fā)生土體與錨固的摩阻力，直到極限摩阻力。當拔力小時錨桿位移量也小，拔力增大，位移量也增加;當拔力達到一定量時，位移不穩(wěn)定，甚至不加力，位移仍不停止，此時認為錨桿已達破壞階段，也就是錨桿與土體間的摩阻力超過了極限狀態(tài)。

3 攪拌水泥土錨桿的電測試驗

3.1 攪拌水泥土錨桿電測試驗概況

制作2根21 m長試驗錨桿，自由段長度3 m，錨固段長度18 m，錨桿接管長度順序為6 m+6 m+6 m+3 m;在其錨頭位置向下1 m，3 m，4 m，6 m，8 m，10 m，12 m，14 m，16 m，18 m，20 m 的位置對稱粘貼電阻應變片(見圖2)，并用環(huán)氧樹脂膠進行保護，錨桿加筋體鋼管外側(cè)焊小直徑無縫鋼管，導線由此穿過，防止導線在錨桿打入土體過程中被破壞。

圖2 電阻應變片布置位置

3.2 攪拌水泥土錨桿電測試驗結(jié)果

本試驗檢測均按中國工程建設(shè)標準化協(xié)會標準《巖土錨桿(索)技術(shù)規(guī)程》[5］中的要求進行。本試驗采用1/4橋路連接測量加筋體在荷載作用下的應變值(如表1，表2所示，表中未顯示應變代表該測點應變片損壞，應變單位為1×10-6m)，根據(jù)彈性力學理論計算錨桿加筋體各測點的軸力值，換算出粘結(jié)應力沿錨桿桿長的分布情況。

由表1，表2測得的錨桿各測點的應變值可進而得到錨桿的軸力。

攪拌水泥土錨桿的軸力隨錨桿桿長的分布圖見圖3，圖4。

由圖3，圖4錨桿在各測點的軸力圖可知，錨桿在軸向拉力荷載作用下，軸力沿錨桿桿長方向逐漸遞減，到達一定深度后軸力衰減至接近零。在各級荷載作用下，21 m錨桿的軸力在距錨桿頂端14 m后，其軸力接近零，即長度增加對錨桿抗拔力的提高無明顯效果。

表1 1號錨桿電測應變值

表2 2號錨桿電測應變值

圖3 1號錨桿的軸力圖

圖4 2號錨桿的軸力圖

由圖3，圖4錨桿的軸力圖可進一步得到錨桿的區(qū)段粘結(jié)應力分布圖，如圖5，圖6所示。

圖5 1號錨桿的區(qū)段粘結(jié)應力圖錨桿區(qū)段

由圖5，圖6錨桿的區(qū)段粘結(jié)應力圖可知，21 m錨桿在沿桿長分布的粘結(jié)應力存在應力集中的現(xiàn)象，且應力集中不止一處，但應力峰值主要集中在8 m～14 m這一區(qū)段中，即21 m錨桿在沿桿端往下8 m～14 m的區(qū)段中所受粘結(jié)應力最大，因此21 m錨桿在設(shè)計施工時應對8 m～14 m這一區(qū)段進行局部加強。

圖6 2號錨桿的區(qū)段粘結(jié)應力圖錨桿區(qū)段

4 結(jié)語

針對寧波地區(qū)以水泥土為錨固體的錨桿施工工藝，分析了攪拌水泥土錨桿的受力機理，并對其進行電測試驗以進一步了解攪拌水泥土錨桿的應力分布狀況。

1)攪拌水泥土錨桿是適用于軟土地區(qū)的一種新型土層錨桿。經(jīng)過現(xiàn)場電測試驗分析可知，錨桿在軸向拉力荷載作用下，軸力沿錨桿桿長方向逐漸遞減，到達一定深度后軸力衰減至接近零。

2)攪拌水泥土錨桿的受力存在一臨界長度，由試驗所得21 m錨桿的臨界長度為14 m左右。

3)攪拌水泥土錨桿沿桿長方向上的粘結(jié)應力存在不同程度的應力集中現(xiàn)象，由試驗所得21 m錨桿的應力集中部位主要在沿桿端往下8 m～14 m的區(qū)段中，因此21 m錨桿在設(shè)計施工時應對8 m～14 m這一區(qū)段進行局部加強。

[1]程良奎.巖土錨固研究與新進展[J］.巖石力學與工程學報，2005，11(21):23-25.

[2]蔡鐘業(yè)，鄭必勇.爆擴土錨桿穩(wěn)定深基坑邊坡的加固理論及設(shè)計施工方法[J］.巖土工程學報，1989，11(1):33-42.

[3]胡建林.可重復高壓灌漿土層錨桿[J］.巖土工程學報，1998，20(1):13-15.

[4]王 釗，王金忠，曾繁平，等.玻璃鋼螺旋錨的現(xiàn)場拉拔試驗[J］.巖土工程學報，2007，29(10):1439-1443.

[5]CECS 22∶2005，巖土錨桿(索)技術(shù)規(guī)程[S］.