高壓噴射擴大頭錨桿在抗浮工程中的應(yīng)用及探討

張艷芳　曹磊

關(guān)鍵詞：高壓旋噴;擴大頭錨桿;抗拔力;驗收試驗

當(dāng)結(jié)構(gòu)自重加壓重與地下水浮力的比值不滿足抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)時，需采取抗浮措施，否則將引起建筑底板破壞、梁柱節(jié)點處開裂、地下室整體上浮等事故。在實際工程中，常用的抗浮措施有增加配重法、抗拔樁法、抗拔錨桿法和降低地下水位法等（黃健等，2021）。抗拔錨桿因其具有施工速度快、造價低廉、底板受力均勻等優(yōu)點得到廣泛應(yīng)用。在抗拔錨桿的設(shè)計與施工中，最重要的一個參數(shù)為錨桿的抗拔承載力。在土層中應(yīng)用抗拔錨桿時，往往通過增加錨固段的長度或減小錨桿的間距來滿足所需要的力，但是有研究表明，依靠增加錨固段的長度來提高抗拔力是有限度的，當(dāng)錨固段的長度超過某一個數(shù)值后，抗拔力并不能得到明顯的提高（曾慶義等，2004），若一味減小錨桿間距，則會產(chǎn)生“群錨效應(yīng)”，影響錨桿抗拔承載力的發(fā)揮，從而限制了錨桿的使用。

高壓噴射擴大頭錨桿是一種新型錨固結(jié)構(gòu)，采用高壓流體在錨孔底部按設(shè)計長度對土體進行噴射切割擴孔并灌注水泥漿或水泥砂漿，形成直徑較大的圓柱狀注漿體的錨桿，其增大了錨固體與土層間的接觸面積，充分利用了變截面處的端承效應(yīng)，大大提高了錨桿的抗拔承載力，可解決普通錨桿存在的問題，近年來被廣泛應(yīng)用于基坑支護、邊坡及基礎(chǔ)抗浮工程中（陳城，2020;胡亮等，2020;吳勇軍等，2019;李小園，2019）。

本文分析了高壓噴射擴大頭錨桿的抗拔力特點，通過河北廊坊某地下室抗浮錨桿工程實例，詳細闡述了擴大頭錨桿的施工工藝及技術(shù)要點，并與相同條件下的普通錨桿的施工成本和工期進行了對比，以期為類似工程提供借鑒。

1高壓噴射擴大頭錨桿的抗拔力

圖1為擴大頭錨桿的結(jié)構(gòu)示意圖，其極限抗拔承載力T_uk可由式（1）計算：

可以看出，擴大頭錨桿的抗拔力由普通錨固段注漿體與土層之間的摩阻力、擴大頭段注漿體與土層間的摩阻力及擴大頭前端面土體對擴大頭的抗力三部分組成，屬于摩擦-端壓型錨桿，相較于摩擦型的普通錨桿，長度相同時單根抗拔承載力得到了大幅提高。研究表明，北京地區(qū)某項目的擴大頭錨桿極限抗拔承載力可達普通錨桿的2.5～3.5倍（周子舟等，2019）。因此高壓噴射擴大頭錨桿特別適用于基坑深度大、土質(zhì)條件差、周邊環(huán)境復(fù)雜的基坑支護工程、土質(zhì)邊坡及基礎(chǔ)抗浮工程。

相比普通錨桿，擴大頭錨桿的位移較小。某污水處理池擴大頭抗浮錨桿設(shè)計抗拔力為280 kN，通過有限元數(shù)值模擬分析得出，當(dāng)加載到280 kN時，位移僅為8 mm，荷載繼續(xù)加載至395 kN時，位移為15 mm（陳城，2020）。因此，擴大頭錨桿特別適用于對位移要求高的項目。

2工程實例

2.1工程概況

項目位于廊坊市大廠縣辛杜莊村，包括9棟4F—17F公寓樓及群樓、1棟3F公共配套樓、2棟1F變配電室及地下車庫等。其中地下車庫為2層，采用筏板基礎(chǔ)形式。項目區(qū)典型地層剖面如圖1所示，地下車庫基礎(chǔ)底板以下土層的力學(xué)參數(shù)見表1，各土層具體描述如下（圖2）：

④層粉質(zhì)黏土：褐灰色，軟塑—可塑狀態(tài)?？梢婅F質(zhì)銹染，稍有光澤，局部與粉土呈互層狀分布。屬中—高壓縮性土。

④₁層粉土：黃灰色，飽和，中密—密實?？梢婅F質(zhì)銹染，局部夾粉質(zhì)黏土或粉砂薄層。屬中壓縮性土，黏粒含量平均值ρ_c=9.3%。

⑤層粉砂：灰色，飽和，中密一密實，砂質(zhì)純凈，礦物成分以長石、石英為主，少量云母，級配一般，局部夾粉土或粉質(zhì)黏土薄層。標貫實測擊數(shù)平均值N=33.9擊。

⑥層粉質(zhì)黏土：灰褐色，軟塑一可塑狀態(tài)?？梢婅F質(zhì)銹染，稍有光澤，含少量小姜石，局部夾粉土薄層。屬中一高壓縮性土。

⑦層粉細砂：褐灰色，飽和，密實，砂質(zhì)純凈，礦物成分以長石、石英為主，少量云母，級配一般，局部夾粉質(zhì)黏土薄層。標貫實測擊數(shù)平均值N=44.4擊。

勘察期間在鉆孔內(nèi)實測地下水位穩(wěn)定埋深為2.80～4.50 m，水位絕對高程為13.10～14.19 m。地下水類型為第四系孔隙潛水。補給方式以大氣降水及河流側(cè)向補給為主，排泄方式以自然蒸發(fā)、人工開采及側(cè)向徑流為主。根據(jù)區(qū)域水文地質(zhì)資料，地下水受大氣降水影響較大，水位常年變幅在2.00 m左右，近期內(nèi)年最高水位高程為16.00m。

建設(shè)場地+0.00標高為18.5 m，地下車庫基礎(chǔ)底絕對標高為8.24 m，自然地面標高約17.7 m。基底埋置于④層中，抗浮設(shè)防設(shè)計水位高程按16.5 m考慮。由于上部結(jié)構(gòu)自重?zé)o法抵御水浮力，需采取抗浮措施。

2.2擴大頭抗浮錨桿設(shè)計情況

地下車庫面積約20 783 m₂，要求單位面積提供不少于38 kN的抗浮力，抗浮措施采用了永久性高壓噴射擴大頭抗浮錨桿，錨桿安全等級為Ⅱ級，具體設(shè)計參數(shù)如下：錨桿的有效總長度14 m，擴大頭段長度為4m，直徑為600 mm，非擴大頭段長度為10 m，直徑為200 mm，根據(jù)土層參數(shù)及抗拔力計算公式，設(shè)計擴大頭錨桿抗拔承載力特征值按保守取值為283 kN，擴大頭端部位于⑦粉細砂層。錨桿桿體采用4根直徑25 mmHRB400級螺紋鋼筋，沿桿體方向每隔1.0 m設(shè)置1個定位器，整個地下車庫共布置2846根擴大頭錨桿。水泥采用P.0.42.5普通硅酸鹽水泥。由于地下水具有微腐蝕性，抗浮錨桿采用Ⅲ級防腐措施，即外涂防腐涂層，涂層鋼筋基層的附著力不低于5 MPa，涂層厚度大于280μm。

擴大頭錨桿設(shè)計詳見圖3。

3高壓噴射擴大頭錨桿施工技術(shù)

高壓噴射擴大頭施工工藝流程見圖4所示。

3.1錨孔測放及鉆機就位

施工場地整平并達到三通一平后，根據(jù)設(shè)計要求和地層條件，將錨孔位置準確測放在設(shè)計位置上，并做出標記，孔距誤差不得超過100 mm。準確安裝固定鉆機，并嚴格認真進行機位調(diào)整，確保錨桿鉆孔角度偏差控制在2.0°以內(nèi)。

3.2鉆孔

成孔機具采用高強牌新型大扭矩打樁鉆機（ZGZ-A型），該鉆機的最大成樁深度為18.5 m，成樁直徑最大達0.9 m。項目鉆孔成孔直徑200 mm，為確保錨孔深度，實際鉆孔深度要求大于設(shè)計深度0.2～0.5 m。鉆進過程中做好現(xiàn)場施工記錄，如遇塌孔、縮孔、涌砂流土等不良鉆進現(xiàn)象時，須立即停鉆，及時進行固壁灌漿處理，待水泥砂漿初凝后，重新掃孔鉆進。當(dāng)成孔過程中遇不明障礙物時，查明其性質(zhì)后再繼續(xù)鉆進。

3.3擴孔

高壓旋噴擴孔流程如圖5所示。高壓噴射擴孔過程中的噴射壓力、提升速度、擴孔遍數(shù)是最重要的工藝參數(shù)，應(yīng)給予足夠的重視，嚴格按照設(shè)計要求執(zhí)行。當(dāng)其他參數(shù)相同時，提高噴射壓力或減小提升速度，均會使擴孔段直徑增加，進而影響擴大頭錨桿的抗拔承載力。項目設(shè)計施工參數(shù)為：旋噴提升速度10～20 cm·nin^-1，旋轉(zhuǎn)速度10～15轉(zhuǎn).min^-1，水泥漿為水灰比1.0的純水泥漿，旋噴壓力為25～30 MPa，漿量75L·min^-1。

項目擴大頭段長度為4.0 m，需分段擴孔。為保證整個擴大頭段的連續(xù)性，噴射管分段提升過程中搭接長度不少于100 mm。采用水泥漿液擴孔，需至少上下往返擴孔兩遍。擴孔過程中如果出現(xiàn)壓力驟降或者上升時，應(yīng)立即停止作業(yè)，查明原因，排除故障，恢復(fù)正常后方可繼續(xù)施工，噴射被迫中斷后，恢復(fù)旋噴時的搭接長度不小于0.5 m。

3.4桿體制作及安放

項目錨桿桿體采用4根直徑25mm HRB400級螺紋鋼筋，沿桿體方向每隔1.0m設(shè)置1個定位器，鋼筋接長采用直螺紋套筒連接。制作前鋼筋應(yīng)平直、除銹并外涂防腐涂層。

擴孔完成后，立即取出噴管并迅速將桿體放入錨孔直到設(shè)計深度，以免漿液沉淀和凝固導(dǎo)致增加桿體放入的難度。桿體的角度偏差控制在2%以內(nèi)。注漿管與鋼筋桿體綁扎在一起放入鉆孔。

3.5注漿

注漿的目的是將鉆孔和擴孔的泥漿和較稀的水泥漿置換出來，因此要求注漿管到孔底的距離宜小于300mm，自下而上連續(xù)不斷地灌注。項目采用高壓注漿工藝，水泥凈漿灌注，水泥漿液應(yīng)攪拌均勻，隨攪隨用，并應(yīng)在初凝前用完，注漿管路需保持暢通。注漿水灰比0.5，注漿體設(shè)計強度不小于30 MPa。當(dāng)孔口溢出漿液或排氣管排出的漿液與注入漿液顏色和濃度一致時方可停止注漿。注漿完畢應(yīng)將外露的鋼筋清洗干凈，不得隨意敲擊桿體或在桿體上懸掛重物。

4應(yīng)用效果

4.1驗收試驗

驗收試驗的目的是為了檢驗所施工的錨桿質(zhì)量能否達到設(shè)計要求，根據(jù)規(guī)范要求，項目選取抗浮錨桿總數(shù)的5%共144根錨桿進行抗拔力驗收試驗。當(dāng)注漿體滿28 d齡期或注漿體強度達到設(shè)計強度的80%后進行試驗。

采用單循環(huán)試驗方法，利用穿心千斤頂對錨桿施加拉拔力，通過地基土提供反力，對錨桿逐級施加荷載，直至最大荷載，試驗示意圖見圖6a。

根據(jù)規(guī)范要求，試驗初始荷載取錨桿抗拔力特征值的10%，最大試驗荷載取錨桿抗拔力特征值的1.5倍。分級加荷值取錨桿抗拔力特征值的50%、75%、100%、120%、135%、150%，每級荷載的穩(wěn)定時間不少于5min。在每級加載等級觀測時間內(nèi)，測讀錨頭位移不少于3次。最大試驗荷載觀測10 min，待位移穩(wěn)定后即卸載至錨桿抗拔力特征值的10%并量測位移。錨桿驗收合格的標準是在最大試驗荷載作用下，錨頭位移收斂穩(wěn)定。

項目抗浮錨桿施工完成lOd后進行驗收試驗，圖6b所示為1#—4#試驗錨桿的荷載一位移曲線變化圖，在最大試驗荷載作用下，錨頭位移變化量穩(wěn)定，試驗過程中沒有出現(xiàn)錨桿被破壞的現(xiàn)象，驗收合格。同時錨桿的位移離散性小、可靠性高，說明錨桿的質(zhì)量性能非常穩(wěn)定。

4.2施工成本和工期分析

在工程地質(zhì)、水文地質(zhì)、上部結(jié)構(gòu)等條件均相同的情況下，若采取普通抗浮錨桿的方案，則抗浮錨桿長度取14 m，桿體直徑200 mm，抗拔承載力特征值取140 kN，錨桿桿體采用3根直徑25 mm的HRB400級螺紋鋼筋，則需設(shè)置約5760根普通抗浮錨桿。

兩種抗浮錨桿的成本組成見表3。可以看出，擴大頭錨桿雖然在水泥用量及人工、機械費方面存在劣勢，但總成本仍比普通錨桿降低了約13.3%。工期按投入1臺設(shè)備算，采用套管護壁鉆孔方法施工，擴大頭錨桿雖然施工效率較慢，但因數(shù)量減少了50.3%，總工期可節(jié)省99.6 d，約25.9%。同時，可節(jié)省因工期產(chǎn)生的其他費用，如降水費用。

4.3對環(huán)境的影響分析

由于抗浮錨桿施工范圍內(nèi)存在粉土及砂層，粉土在受擾動時易出現(xiàn)涌砂流土，砂土在鉆孔時易發(fā)生塌孔，因此普通錨桿施工需采用套管護壁鉆孔。施工場地內(nèi)需留設(shè)泥漿池，并采取措施以保證基底不被泥漿破壞，且隨著國家對環(huán)保的要求越來越嚴，很多卸土點不接受泥漿的直接堆放，產(chǎn)生的泥漿需在施工現(xiàn)場曬干后才能進行清運。而采用新型大扭矩打樁鉆機（ZGZ-A型）施工，擴大頭錨桿不需要泥漿護壁，不會產(chǎn)生泥漿污染，也減少了泥漿外運的麻煩。

5結(jié)論

1）高壓噴射擴大頭錨桿技術(shù)先進，工藝成熟，可以大規(guī)模應(yīng)用于基坑支護、邊坡及基礎(chǔ)抗浮工程中，有推廣使用價值。

2）河北省廊坊市某地下車庫采取了高壓噴射擴大頭錨桿抗浮，施工質(zhì)量合格，且在成本、工期及環(huán)境保護等方面均具有一定的優(yōu)勢，可為類似工程的設(shè)計與施工提供參考。

3）在選擇抗浮方案時，要注意擴大頭錨桿工程量與材料用量的減少是否能彌補水泥用量及機械費的增加對成本的影響，以及錨桿數(shù)量的減少是否能彌補施工效率較慢對工期的影響。