擴大頭錨索在成都膨脹土地區(qū)的應用

趙蜀健，張蓮花，趙石力

(成都理工大學 環(huán)境與土木工程學院， 四川 成都 610059)

1872年，在英國北威爾士的一家板巖采石場，第一批錨桿投入使用，并且獲得成功[1]。1966年，受擴底樁啟發(fā)而研發(fā)出擴大頭預應力錨索在美國成功使用[2]。時至今日，擴大頭錨桿(索)技術不斷發(fā)展且成功應用于巖土工程中。

隨著社會的發(fā)展，城市人口不斷攀升。這種變化使得城市中的交通、綠化等問題愈發(fā)凸出，城市的空間利用率也自然而然成為城市發(fā)展中的一個重要指標。在此基礎上，地下工程與深基坑項目成為提高城市空間利用率的一個重要手段，越來越多的深基坑開始出現(xiàn)，而錨索則在深基坑作業(yè)中扮演著至關重要的角色，在幫助社會及城市建設的同時，也產生了巨大的經濟效益。

1 膨脹土與擴大頭錨索

1.1 膨脹土特性

膨脹土在我國范圍內分布廣泛，是一種典型的“問題”土[3]，其含有較多的膨脹性黏土礦物，因此具有“裂隙性、脹縮性和超固結性”的特征[4-5]。由于含有膨脹性黏土礦物且具有微結構和孔隙的特征，使得膨脹土的滲透特性與普通黏性土相比顯得更為復雜[6]。以上諸多特征，讓膨脹土在經歷氣候等周期性變化所導致的干濕循環(huán)及漲縮變形后，其力學性能指標會發(fā)生明顯的變化[7-9]，這也對膨脹土地區(qū)的巖土工程施工造成了巨大的影響。

1.2 擴大頭錨索受力與破壞形式

傳統(tǒng)錨索與擴大頭錨索都由三個部分組成(見圖1)：錨頭、自由段和錨固段[10]，兩者的區(qū)別在于錨固段。傳統(tǒng)錨索錨固段為等直徑體，完全依靠錨固體與周圍土體間的摩阻力和粘結力將錨固段固定在土(巖)層中，被稱為純摩擦型錨索[11]，這種錨索在增大摩擦力時在一極限值[12-13]，而存擴大頭錨桿抗拔力來源除了錨固體的側向摩擦力之外，還有擴大頭錨固體的前端土體所帶來的正壓力，屬于摩擦-端壓型錨索。擴大頭錨索的抗拔力T應如圖2所示，由三部分構成[14]即：

T=T1+T2+T3

(1)

T1=πD1L1τf

(2)

T2=πτfdL2D2

(3)

(4)

式中：T1/T2為錨索普通/擴大頭錨固段與土地間摩擦力；T3為擴大頭部分最前端擠壓土體所產生的端阻力；L1/L2為錨索普通/擴大頭錨固段長度；D1/D2為錨索普通/擴大頭錨固段直徑；τf/τfd為錨索普通/擴大頭錨固段與土體間摩擦系數(shù)；σd為擴大頭部分最前端擠壓土體產生的端阻力系數(shù)。

圖1 擴大頭錨索結構示意圖

圖2擴大頭錨索受力示意圖

2 工程應用

2.1 工程概況

試驗依托于成都市龍泉驛區(qū)帝一廣場基坑支護工程，其土層參數(shù)指標如表1所示[15]。

表1 帝一廣場基坑土層各項參數(shù)指標

基坑深度15.3 m～15.8 m，基坑安全等級為一級，支護采用排樁+錨索支護結構，錨索傾角均為20°，桿體材料采用5Φs17.8鋼絞線，錨索錨固部分普通段成孔直徑150 mm，擴大頭段擴孔直徑600 mm，注漿材料為素水泥漿，水泥采用P.O 42.5級，水灰比為0.4，支護結構具體分布如圖3所示。

圖3支護剖面圖

2.2 施工參數(shù)實驗

此項目為確定的高壓旋噴施工參數(shù)對于工程質量的影響，設計了6組高壓旋噴擴大頭錨索，用于對比施工中旋噴壓力和旋噴時間對于錨索成品質量的影響。實驗采用的高壓旋噴擴大頭錨索全長10 m，其中擴大頭部分長度為5 m。結果如表2所示(其中M0為旋噴開始前150 mm成孔直徑所對應的理論周長)。

(1) 將M0、M1、M2、M3、M4作為一組，比較旋噴壓力與錨固體周長之間的關系，進行回歸分析，分別求得線性與非線性擬合公式：

表2 實驗所取參數(shù)及實驗結果

c=-0.016P2+2.25P+47.31；

R2=0.986

(5)

c=1.71P+48.91；R2=0.979

(6)

式中：c為錨固體周長；P為旋噴壓力；R為相關系數(shù)。

從圖4和上述公式中都可以看出，錨固體周長隨旋噴壓力增大而增大。式(5)與式(6)中相關系數(shù)相近，非線性擬合所得結果略優(yōu)于線性擬合，對式(5)進行求導可得，旋噴壓力70 MPa時，周長達到最大值126 cm。

圖4旋噴壓力與錨固體周長關系圖

(2) 將M0、M2、M5、M6作為一組，比較旋噴時間與錨固體周長之間的關系，進行回歸分析，分別求得線性與非線性擬合公式，圖5及公式如下：

圖5旋噴時間與錨固體周長關系圖

c=-0.068t2+3.72t+47.15；

R2=0.999

(7)

c=2.12t+49.93；R2=0.933

(8)

式中：c為錨固體周長；t為旋噴壓力；R為相關系數(shù)。

從圖5和上述公式中都可以看出，錨固體周長隨旋噴時間增大而增大。式(7)與式(8)中相關系數(shù)相差較大，非線性擬合所得結果明顯優(yōu)于線性擬合，對式(7)進行求導可得，旋噴時間27 min時，周長達到最大值102 cm。

2.3 錨索基本試驗檢測

(1) 錨索參數(shù)及試驗方法。在基坑支護施工完成，錨索的固結體強度達到設計強度的75%時，文本中取A區(qū)第一道、第二道、第三道、B區(qū)第三道，共計12根錨索進行比較，編號方式為：區(qū)號-道數(shù)-自選編號，錨索基本數(shù)據見表3。

表3 錨索基本參數(shù)

檢測采用千斤頂反復加載，精密百分表測量位移。試驗采用循環(huán)加、卸載法，共分6個循環(huán)，具體加、卸載方式及判定條件采用《四川省建筑地基基礎檢測技術規(guī)程》[16](DBJ51/T014—2013)中附錄H里H.1中基本試驗的要求。在實驗進行中出現(xiàn)下列情況之一時終止加載：① 樁頭位移不收斂；② 某級荷載作用下，樁頭上拔量達到前一級荷載作用下的5倍。

(2) 試驗結果。試驗結果見表4。

表4 基本試驗檢測結果

2.4 試驗結果分析

將試驗數(shù)據進行如下分組見表5。

表5 試驗數(shù)據分組

(1) 對比第一組與第三組、第二組與第四組數(shù)據可以發(fā)現(xiàn)，在錨索長度減小、錨固長度和錨固形式等條件不變的情況下，增加錨固深度，可以在一定程度上提高錨固能力。第二組對比第四組數(shù)據，錨固深度在3.5 m基礎上增加4.0 m，在試驗最大荷載提升2.6%的情況下，最大累計拔出量基本保持不變；第一組對比第三組數(shù)據，錨固深度在3.5 m基礎上增加7.0 m，在試驗最大荷載提升15.5%的情況下，最大累計拔出量只增長了4%，效果明顯。

(2) 對比第三組與第四組數(shù)據可以發(fā)現(xiàn)，在錨索長度減小、總錨固長度不變、錨固深度不變、擴孔直徑不變的情況下，增大擴大頭部分在錨固段所占比例，可有效提高錨固效果。第三組對比第四組數(shù)據，可以看出只是將10.0 m錨固段的擴大頭長度從3.5 m提升至4.0 m，從前文式(1)、式(2)、式(3)得知，增大了擴大頭錨固段與土體之間的摩擦力T2，減小了普通錨固段與土體摩擦力T1，但總體的錨固力T增加了；從工程實際效果來看，在試驗最大荷載提升2.5%的情況下，最大累計拔出量反而降低了3.2%，與理論結果相符。

2.5 成都膨脹土地區(qū)囊式擴大頭應用對比

除旋噴擴大頭錨索外，也有學者[17]在成都龍泉驛膨脹土地區(qū)進行了囊式擴大頭錨索試驗，試驗土層各項參數(shù)指標見表6。

試驗中使用的囊式擴大頭錨索分為兩類，共計六根。所有錨索采用P.O 42.5級，水灰比0.4的素水泥漿作為注漿材料，傾角為30°，成孔直徑150 mm，擴孔直徑600 mm，采用4Φs15.2鋼絞線。試驗采用分級循環(huán)法，實驗結果見表7。

表6 龍泉驛區(qū)某工地土層各項參數(shù)指標

表7 囊式擴大頭錨索抗拔承載力試驗結果

對比前文中帝一廣場基坑項目的試驗數(shù)據，可以發(fā)現(xiàn)雖然囊式擴大頭錨索由于多種原因，在最大位移量較上文旋噴擴大頭錨索有較大量的增長。但囊式擴大頭錨索和旋噴擴大頭錨索的最大試驗荷載都達到了1 000 kN以上且并未發(fā)生破壞，相比于傳統(tǒng)錨索有巨大的提升，并且完全滿足了工程需要。

3 結 論

通過工程項目的試驗分析與對比，結論如下：

(1) 根據對帝一廣場基坑項目的施工參數(shù)實驗結果分析得出，在此次實驗條件下，旋噴時間為20 min時，旋噴壓強為70 MPa可獲得最優(yōu)效果；旋噴壓強為25 MPa時，旋噴時間為27 min可獲得最優(yōu)效果。

(2) 旋噴擴大頭錨索與囊式擴大頭錨索在膨脹土地區(qū)使用時有良好的表現(xiàn)，兩者承載能力要遠高于傳統(tǒng)錨索；隨著埋深越深和擴大頭段距離越長，擴大頭錨索的承載力也越增大，錨索的位移則越小。