基于數(shù)字鉆孔成像技術(shù)的巖石錨桿基礎(chǔ)設(shè)計(jì)研究

高 峰，王連國

(1.山西大同大學(xué) 工學(xué)院，山西 大同 037003;2.中國礦業(yè)大學(xué) 理學(xué)院，深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221008)

巖石錨桿基礎(chǔ)是以水泥砂漿或細(xì)石混凝土和錨筋注入巖石人工成孔內(nèi)，使錨桿與巖體膠結(jié)成整體承受上部結(jié)構(gòu)傳來外力的基礎(chǔ)形式。巖石錨桿基礎(chǔ)主要承受拉拔力和剪應(yīng)力，適用于直接建在基巖上的柱基，及承受拉力或水平力較大的建筑物的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)［1-2］。

巖石錨桿基礎(chǔ)有因地制宜，節(jié)約建筑材料，減少巖層淺埋地區(qū)建筑物基槽或基坑開挖工程量，降低工程造價(jià)，抗拔力較大，建筑物穩(wěn)定性好、安全度高，減少基礎(chǔ)周圍巖石基面、林木植被破壞，利于水土保持和環(huán)境保護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。但選用巖石錨桿基礎(chǔ)前提是充分考慮場地條件，查明巖層的完整性，才能合理選擇錨固參數(shù)，切實(shí)發(fā)揮其社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和環(huán)保效益優(yōu)勢。

1 工程概況

華北地區(qū)某中學(xué)教學(xué)樓為3跨5層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，位于丘陵斜坡地形上，地基巖土層情況見表1。工程地質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果表明，場地地震烈度7度，無不良地質(zhì)現(xiàn)象(斷層、滑坡、溶洞等)。

2 基礎(chǔ)型式選擇

教學(xué)樓基巖坡度約30%，北側(cè)中等風(fēng)化頁巖出露地面。全部采用樁基、獨(dú)立基礎(chǔ)，勢必造成巖石地基承載能力的浪費(fèi)，同時(shí)，巖石開挖工程量大。為加快施工進(jìn)度，充分利用頁巖地基承載能力，降低工程造價(jià)，設(shè)計(jì)采用巖石錨桿基礎(chǔ)與鋼筋混凝土獨(dú)立基礎(chǔ)混合形式，基礎(chǔ)平面布置見圖1。

頁巖結(jié)構(gòu)完整與否是巖石錨桿基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的前提。為此利用TYGD10型巖層鉆孔電子窺視儀對(duì)頁巖結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀測，以反映出窺視孔所穿過的巖層裂隙發(fā)育狀況。該儀器由探頭在鉆孔中接受圖像，通過接收儀直接觀察孔壁的情況。通過探頭將頂板鉆孔內(nèi)實(shí)測圖像由電纜線傳輸?shù)斤@示器，并可用記憶卡將圖像以視頻格式保存，然后將視頻圖像傳輸?shù)诫娔X上進(jìn)行分析對(duì)比，可精確描述出巖層錯(cuò)位、破裂變化情況，能比較直觀地反映巖層結(jié)構(gòu)情況。

觀察孔打好后，用水沖洗鉆孔中浮渣，鉆孔中無滴水后，進(jìn)行鉆孔觀察，結(jié)果如圖2所示。

圖1 教學(xué)樓基礎(chǔ)平面示意

圖2 鉆孔圖像

由圖2可見0～0.6 m深度范圍內(nèi)，頁巖裂隙發(fā)育，不適宜于做基礎(chǔ)持力層;1.6 m深度以下，巖層完整性較好。

3 巖石錨桿設(shè)計(jì)計(jì)算

3.1 基底尺寸估算

結(jié)構(gòu)計(jì)算采用軟件PKPM，角柱由上部結(jié)構(gòu)傳至基礎(chǔ)的最不利荷載標(biāo)準(zhǔn)組合值為:Fk=1 400 kN，Mxk=435 kN·m，Myk=420 kN·m。基礎(chǔ)埋深取 H/12，即2.0 m。由《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》［4］按式(1)估算基底面積為5.60 m2，考慮到偏心受壓增大10%，即6.16 m2。

式中，A為基礎(chǔ)底面積;Fk為上部結(jié)構(gòu)傳至基礎(chǔ)頂面的豎向荷載標(biāo)準(zhǔn)值;fa為修正后的地基承載力特征值;γ為基礎(chǔ)底面以上土與基礎(chǔ)的平均重度;h為基礎(chǔ)的埋置深度。

取基礎(chǔ)長度2.4 m，基礎(chǔ)寬度2.6 m，則基底面積為6.20 m2，滿足要求。

3.2 單錨拉拔力驗(yàn)算

由巖石錨桿基礎(chǔ)的構(gòu)造要求，初步布置9根錨桿，平面尺寸見圖3(a)。單根錨桿所承受的拉拔力N由式(2)計(jì)算得 -10 kN。

式中，Nti為荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合下，第i根錨桿所承受的拉拔力;Gk為基礎(chǔ)自重及上部土層自重;n為巖石錨桿的總根數(shù);Mxk、Myk為按荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合計(jì)算作用在基礎(chǔ)底面形心處的力矩值;xi、yi為第 i根錨桿分別至基礎(chǔ)底面形心的y、x軸線的距離。

巖石錨桿采用 φ25 mm HRB335鋼筋，孔徑85 mm，漿體與巖石間黏結(jié)強(qiáng)度特征值為0.35 MPa，則單根錨桿抗拔力為149.5 kPa，遠(yuǎn)大于單錨最大拉拔力。實(shí)際布置9φ25 mm，有效錨固長度為2.0 m，巖石錨桿基礎(chǔ)構(gòu)造詳見圖3(b)。

巖石錨桿基礎(chǔ)落入風(fēng)化巖中不少于500 mm，頁巖表面的強(qiáng)風(fēng)化巖應(yīng)徹底清除，施工工藝流程見圖4。

巖石電鉆為金剛石鉆頭，對(duì)準(zhǔn)已彈好的錨桿中心線，回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，循環(huán)水冷卻，施工效率約1.5～2.5 m/h?？卓谄撇坏么笥? mm，垂直度不允許超過10 mm，孔內(nèi)應(yīng)清理干凈。

錨桿采用無銹熱軋帶肋鋼筋;桿體中部可增設(shè)定位器，確保桿體位于孔中心線上，錨桿桿體緩慢送至孔底設(shè)計(jì)深度?？淄鈼U體用φ16 mm圓鋼點(diǎn)焊固定，保證錨桿不移位。灌漿前對(duì)錨孔用自來水反復(fù)沖洗，將桿孔內(nèi)殘留石渣、粉末等雜物洗凈。

圖3 教學(xué)樓巖石錨桿基礎(chǔ)(單位:mm)

圖4 巖石錨桿施工工藝流程

錨桿孔用C30細(xì)石混凝土灌注，摻入1‰鋁粉，以提高漿體與巖體間的黏結(jié)強(qiáng)度。錨孔內(nèi)細(xì)石混凝土鉆心取樣(圖5)表明，施工質(zhì)量良好。

圖5 細(xì)石混凝土鉆心取樣

4 結(jié)語

該巖石錨桿基礎(chǔ)工程成功借助于數(shù)字鉆孔成像技術(shù)，利用了中等風(fēng)化巖石地基承載力，避免了土石方大開挖，減少了對(duì)自然環(huán)境破壞，為該類工程的綠色施工積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)。

［1］張平郎，秦博，楊藝.巖石錨桿基礎(chǔ)工程造價(jià)對(duì)比分析［J］.電力技術(shù)，2009，19(3):7-9.

［2］朱宏銳.高地應(yīng)力下高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力錨桿快速施工技術(shù)［J］.鐵道建筑，2009(6):63-65.

［3］伊克良，徐華斌，胡佳興.全長黏結(jié)型巖石錨桿抗拔力檢測問題的探討［J］.有色金屬設(shè)計(jì)，2004，31(2):12-17.

［4］中華人民共和國建設(shè)部，國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.GB/T 50007—2002 建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2002.

［5］曾二賢，馮衡，任建法.輸電鐵塔巖石錨桿基礎(chǔ)錨固深度的理論計(jì)算及探討［J］.電力勘測設(shè)計(jì)，2010(2):60-62.