預(yù)應(yīng)力錨索在膨脹土層中的施工控制研究

黃全華

（廣東省基礎(chǔ)工程集團(tuán)有限公司 廣州510620）

0 引言

膨脹土因其具有顯著的遇水吸水膨脹軟化、失水收縮開裂的變形特性給膨脹土分布地區(qū)的基坑施工帶來較多困難，增加施工難度，工程問題突出［1，2］?？苫厥斟^索的結(jié)構(gòu)型式及回收施工具有其特殊性［3，4］，而膨脹土的變形特性會(huì)造成傳統(tǒng)錨索施工方法在這種地層中抗拔力低、易失穩(wěn)等質(zhì)量問題［5］。首先，在外部水源補(bǔ)給的情況下，土體發(fā)生膨脹變形給錨索的成孔帶來影響；其次，隨著基坑降水施工的影響，坑外膨脹土又會(huì)經(jīng)歷一段失水收縮的過程，易造成土體結(jié)構(gòu)改變及土體抗剪強(qiáng)度衰減，會(huì)造成錨固體與土體的不能有效粘結(jié)進(jìn)而導(dǎo)致錨固體摩阻力降低，大大減低錨索控制基坑變形的功能；第三，基坑開挖會(huì)導(dǎo)致原有土層中地下水條件的變化，進(jìn)而引起膨脹土濕脹干縮變形的頻繁發(fā)生，對基坑安全造成極大影響。通過探究可回收錨索在膨脹土中的施工控制措施［6-8］，采用適宜的施工工藝方法控制成錨質(zhì)量，在保證基坑位移變形穩(wěn)定的前提下，確保錨索的順利回收，具有較高的工程參考價(jià)值。

1 工程概況

某銀行營運(yùn)用房建設(shè)項(xiàng)目（基坑支護(hù)工程）位于廣西南寧市五象新區(qū)歌海路北側(cè)與歌韻路交叉口處，場地西、南側(cè)為市政道路，東側(cè)緊鄰某云計(jì)算中心工程項(xiàng)目用地，北側(cè)連接某中心寫字樓基坑。本工程設(shè)3層地下室，基坑面積約為6 250 m2。地下室周長約330 m，支護(hù)長度約220 m，基坑深度約為11.45～14.95 m。本工程采用“支護(hù)樁+預(yù)應(yīng)力錨索”作為基坑支護(hù)形式。因基坑?xùn)|側(cè)受錨索不能侵占鄰近項(xiàng)目用地影響，錨索的長度受到限制，東側(cè)為采用排樁+2排熔斷式可回收預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)，可回收錨索長度為25 m。

場地內(nèi)的巖土層主要為填土、膨脹性黏土、碎石土以及石炭系硅質(zhì)巖、灰?guī)r等，填土、混合土（角礫質(zhì)黏性土）、風(fēng)化巖及具脹縮性的黏土為特殊性巖土，其中膨脹土層深厚近9.0 m。支護(hù)剖面如圖1所示。

2 膨脹土工程特性分析

膨脹土主要成分由親水礦物組成，具有明顯的吸水膨脹和失水收縮性能，土體中含水量受大氣降雨或外部補(bǔ)給增加，含水量的輕微變化可使膨脹土的粘聚力、內(nèi)摩擦角及基質(zhì)吸力降低［9］。在復(fù)雜水環(huán)境下，膨脹土可反復(fù)脹縮變形，致土體承載力大大衰減，土體發(fā)生膨脹隆起或干縮裂縫對工程建設(shè)帶來很大危害，尤其在地基基礎(chǔ)工程中的膨脹土厚度不均，脹縮性不同，各部位發(fā)生的膨脹應(yīng)力及產(chǎn)生的膨脹位移和干縮裂縫應(yīng)變差較大，極易導(dǎo)致基礎(chǔ)下部及周圍土體不均勻隆起或沉降?；娱_挖后，周圍土體的膨脹性和緩傾結(jié)構(gòu)面發(fā)育程度是控制邊坡穩(wěn)定的主要因素，膨脹土受開挖或機(jī)械設(shè)備擾動(dòng)后自然應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變，雨水和地表水入滲是影響支護(hù)結(jié)構(gòu)施工的主要原因，膨脹土反復(fù)脹縮變形，土體抗剪強(qiáng)度極大衰減，殘余強(qiáng)度遠(yuǎn)低于峰值強(qiáng)度。

圖1 支護(hù)剖面Fig.1 Support Profile

在南寧地區(qū)，氣候炎熱、雨水充沛，基坑開挖后表土裸露面積增加，給膨脹土發(fā)生干濕交替循環(huán)創(chuàng)造了條件，根據(jù)預(yù)應(yīng)力錨索受力特點(diǎn)，鋼絞線與注漿體結(jié)合形成的錨固體是錨索的主要受力和傳力部件，與錨固體粘結(jié)的膨脹土發(fā)生脹縮變形將一定程度削弱錨索的錨固力［10，11］，如未采取一定的施工控制措施，則難以達(dá)到設(shè)計(jì)要求，直接影響到深基坑支護(hù)體系的護(hù)壁質(zhì)量。

3 施工控制要點(diǎn)

3.1 可回收預(yù)應(yīng)力錨索的施工控制措施

3.1.1 設(shè)置止水帷幕

基坑開挖往往會(huì)引起土層中地下水的滲透流動(dòng)，進(jìn)而改變土層原有地下水分布狀況，地下水條件的變化會(huì)直接引起膨脹土濕脹干縮特性變形的發(fā)生。因設(shè)計(jì)方未考慮膨脹土特性對預(yù)應(yīng)力錨索施工可能帶來的影響，項(xiàng)目部經(jīng)過與設(shè)計(jì)方進(jìn)行技術(shù)溝通并獲得建設(shè)方認(rèn)可，采取在膨脹土區(qū)間的樁間設(shè)置止水帷幕，可有效阻隔基坑內(nèi)外土層中地下水體流動(dòng)，防止基坑開挖后基坑外地下水往基坑內(nèi)流動(dòng)引起的基坑外膨脹土失水收縮變形，維持土層中原始地下水條件，避免給錨索施工帶來直接影響。本項(xiàng)目膨脹土區(qū)域樁間設(shè)置φ800@2 000高壓旋噴樁，在支護(hù)樁間設(shè)置止水帷幕，經(jīng)過對地下水位的監(jiān)測，取得了很好的止水效果，達(dá)到保持土體原始結(jié)構(gòu)特征的目的。

3.1.2 錨索端部擴(kuò)孔施工

在南寧地區(qū)，膨脹土受雨水或地下水的影響是大概率事件，而膨脹土含水量變化將顯著改變地層中膨脹土的粘聚力、內(nèi)摩擦角及基質(zhì)吸力的大小，從而使錨固體摩阻力降低。本項(xiàng)目選取6根錨索分兩組進(jìn)行施工前工藝試驗(yàn)，一組錨索按設(shè)計(jì)孔徑成孔，另一組錨索采取對錨索端部1/3長度的錨固段進(jìn)行擴(kuò)孔施工，經(jīng)過兩組錨索的預(yù)應(yīng)力損失檢查情況對比，發(fā)現(xiàn)擴(kuò)孔錨索未出現(xiàn)預(yù)應(yīng)力損失情況，而非擴(kuò)孔錨索全部出現(xiàn)預(yù)應(yīng)力損失的情況，個(gè)別錨索預(yù)應(yīng)力損失較大。說明擴(kuò)孔施工明顯增大了注漿體與土體的有效結(jié)合面積，以彌補(bǔ)膨脹土粘聚力、摩阻力等降低造成的錨索拉拔力不足的質(zhì)量問題，如表1所示。

表1 預(yù)應(yīng)力損失對比Tab.1 Comparison of Prestress Loss

可知，錨索的擴(kuò)孔施工措施將取得較好的效果，保證錨索拉拔力達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

3.1.3 成孔方法、設(shè)備的選取

可回收錨索施工穿過素填土、膨脹土層及強(qiáng)風(fēng)化硅質(zhì)巖層?？紤]膨脹土遇水膨脹的影響因素，為保證成孔質(zhì)量，宜采用全套管護(hù)壁鉆進(jìn)成孔及水泥漿噴射擴(kuò)孔相結(jié)合的成孔工藝。

在膨脹土層中錨索成孔設(shè)備應(yīng)避免選用氣動(dòng)型鉆機(jī)，因氣動(dòng)型鉆機(jī)在鉆進(jìn)過程中對土體擾動(dòng)作用較大，破壞錨孔周圍土體結(jié)構(gòu)的平衡，加劇土體膨脹變形。宜選用操作方便、成孔質(zhì)量高、效率高的液壓履帶式錨固鉆機(jī)完成鉆孔施工作業(yè)。

3.2 可回收預(yù)應(yīng)力錨索施工工藝

⑴ 錨索施工準(zhǔn)備工作

制定施工方案，布置施工場地，搭設(shè)操作平臺、防護(hù)欄桿，確保施工安全。鉆孔前錨桿鉆機(jī)需安放穩(wěn)固、按設(shè)計(jì)要求調(diào)整方位角和入射傾角（誤差不超過：傾角±0.5°，方位角±1°）。開鉆前必須再次復(fù)核方位角、傾角及孔位標(biāo)高，確保滿足設(shè)計(jì)要求。

⑵ 索成孔控制方法

錨索孔位精準(zhǔn)測量定位，鉆機(jī)準(zhǔn)確調(diào)整好方位角和傾角，套管護(hù)壁跟進(jìn)鉆孔。初鉆時(shí)，先以低速鉆進(jìn)，避免鉆頭發(fā)生晃動(dòng)偏離孔位，觀察鉆進(jìn)保持穩(wěn)定后，再以中速鉆進(jìn)，直至達(dá)到設(shè)計(jì)孔深。鉆孔過程中應(yīng)經(jīng)常檢查孔的方位角及傾角是否發(fā)生偏斜，尤其在土層巖性改變附近處，若偏斜過大，要及時(shí)調(diào)整鉆機(jī)鉆桿方位、角度，保證錨孔孔徑盡量近似直線推進(jìn)，降低錨孔軸向壓縮與錨固段孔壁剪切變形影響，確保錨索順直下放。鉆孔深度應(yīng)比設(shè)計(jì)深度超鉆約50 cm，鉆進(jìn)達(dá)到設(shè)計(jì)深度后，需穩(wěn)鉆3～5 min。鉆進(jìn)過程如遇孔內(nèi)有塌孔跡象，立即停止鉆進(jìn)，在不擾動(dòng)孔壁下，小心拔出鉆桿，采取注入水泥砂漿和水玻璃混合液的固壁措施，防止孔壁塌孔，固壁注漿1 d后再重新鉆進(jìn)，以保證成孔質(zhì)量（見圖2）。

圖2 套管跟進(jìn)鉆孔施工Fig.2 Casing Follow-up Drilling Construction

⑶ 錨孔清理

錨孔滿足設(shè)計(jì)深度后，通過泥漿循環(huán)，將套管內(nèi)的泥漿和鉆渣清理干凈，避免錨索和注漿體受污染。

⑷ 可回收錨索制作安裝

錨索的制作由專業(yè)的可回收錨索廠家按照設(shè)計(jì)圖紙要求制作完成，確保錨索制作滿足質(zhì)量要求，錨索安裝前再運(yùn)至施工現(xiàn)場進(jìn)行施工安裝。安裝時(shí)錨索勻速推送入孔內(nèi)，防止鋼絞線在孔內(nèi)扭轉(zhuǎn)或彎曲。

⑸ 錨索注漿控制方法

為確保注漿錨固體與膨脹土體的粘結(jié)效果，錨索注漿時(shí)，水泥砂漿攪拌過程應(yīng)增加高效減水劑，增強(qiáng)漿液的流動(dòng)性，減少水的摻入量，提高漿體早期強(qiáng)度，達(dá)到控制水對膨脹土影響的目的。同時(shí)，嚴(yán)格執(zhí)行二次注漿，合理控制注漿時(shí)間，可適當(dāng)提高注漿壓力和注漿體強(qiáng)度，使?jié){液和膨脹土體更廣泛充分的結(jié)合，增大摩阻力。

⑹ 錨索張拉控制方法

冠梁、腰梁及注漿體達(dá)到設(shè)計(jì)要求強(qiáng)度后方可進(jìn)行錨索張拉，可回收錨索的張拉采用補(bǔ)償張拉方法。錨索張拉施工前應(yīng)按要求選取一定數(shù)量的錨索進(jìn)行現(xiàn)場基本試驗(yàn)，以獲取適合本場地的施工參數(shù)。正式張拉前，為使鋼絞線繃直拉緊與承載體結(jié)合緊密，采用10%～20%設(shè)計(jì)荷載的張拉力對單元錨索進(jìn)行預(yù)張拉。錨索張拉結(jié)合布設(shè)間距采用跳開張拉法，張拉達(dá)到設(shè)計(jì)拉力后持荷10～15 min，卸荷至0，再張拉鎖定。鎖定2 d內(nèi)或應(yīng)力損失基本穩(wěn)定后，若鎖定的張拉力低于設(shè)計(jì)值，必須再次補(bǔ)償張拉。

⑺ 錨索回收

本項(xiàng)目采用的可回收錨索為壓力分散型熱熔式結(jié)構(gòu)型式，熱熔式錨索的回收操作快速便捷，通過外置電源通電使錨頭上的電加熱環(huán)襯套熔化，解除鋼絞線束縛，使用小型自動(dòng)回收機(jī)夾住鋼絞線的一端拉出，實(shí)現(xiàn)錨索回收。

3.3 基坑支護(hù)效果

基坑土方開挖后，對基坑監(jiān)測項(xiàng)目進(jìn)行定期實(shí)測，基坑?xùn)|側(cè)可回收錨索段實(shí)測最大累計(jì)變化值如表2所示。

表2 位移監(jiān)測Tab.2 Displacement Monitoring

各項(xiàng)監(jiān)測數(shù)據(jù)累計(jì)變化均在設(shè)計(jì)控制值范圍內(nèi)，達(dá)到預(yù)期效果，基坑的整體安全穩(wěn)定性較高。土體深層水平累計(jì)位移、基坑開挖效果如圖3、圖4所示。

圖3 土體深層水平位移Fig.3 Horizontal Displacement of Soil Depth

圖4 基坑開挖效果圖Fig.4 Foundation Pit Excavation Effect

4 施工參數(shù)優(yōu)化

對可回收錨索長度設(shè)計(jì)參數(shù)及錨索注漿壓力控制施工參數(shù)的選取進(jìn)行分析研究，提出改進(jìn)建議。

4.1 錨索長度設(shè)計(jì)參數(shù)

可回收錨索在選用壓力分散型錨索的結(jié)構(gòu)型式時(shí)，充分利用了壓力分散型錨索與注漿體結(jié)合處于受壓狀態(tài)、注漿體與巖土體耐壓的力學(xué)特性，使錨固體與土體膨脹力較好的結(jié)合，提供更高的承載能力，因此在錨索長度方面，在相同的土壓力分布和相同豎向間距下，可回收錨索的設(shè)計(jì)長度可結(jié)合擴(kuò)孔工藝進(jìn)行一定程度的優(yōu)化。進(jìn)一步降低土體脹縮特性對錨索拉拔力的影響，還可節(jié)約材料，更利于錨索的成孔控制及回收。

4.2 錨索施工參數(shù)

錨索在成孔及注漿施工時(shí)，不可避免會(huì)造成膨脹土與水的作用反應(yīng)，土體遇水后具有一定的膨脹性，為避免錨索在張拉鎖定后，土體失水收縮變形、摩阻力降低、錨索預(yù)應(yīng)力損失，合理控制注漿時(shí)間，適當(dāng)提高注漿壓力，水泥漿加入適量微膨脹劑，可使?jié){液和膨脹土體更廣泛充分的結(jié)合，經(jīng)施工驗(yàn)證取得較好效果。

5 結(jié)語

采取設(shè)置止水帷幕等合理有效的控制措施，減少場地膨脹土受地下水條件變化發(fā)生脹縮變形給錨索施工帶來的影響，給錨索施工創(chuàng)造了有利條件。同時(shí)，合理選擇在膨脹土層中適宜的錨索成孔設(shè)備及擴(kuò)孔工藝，采取在水泥漿液中添加適量的微膨脹劑及適當(dāng)提高注漿壓力等措施，確保了成錨質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)錨索成功回收。通過對設(shè)計(jì)及施工參數(shù)的優(yōu)化，不斷加以改進(jìn)施工工藝方法，使可回收錨索在膨脹土中的應(yīng)用更有參考價(jià)值和意義。