膨脹土地層擴(kuò)體錨桿施工工藝及拉拔試驗(yàn)

唐延貴 岳大昌 朱維新

（成都四海巖土工程有限公司，四川成都 610094）

0 引言

成都地區(qū)二三級階地廣泛分布膨脹性黏土[1-3]，工程案例表明膨脹土基坑單純采用土釘墻和懸臂樁支護(hù)方式不利于穩(wěn)定性和變形控制，基坑邊坡事故時有發(fā)生，而雙排樁支護(hù)方式常常受到場地和基坑深度的使用限制，內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)造價高、工期長、占用主體結(jié)構(gòu)施工空間，往往也不是第一選擇，該地區(qū)采用錨拉樁支護(hù)方案較為常見。

膨脹土力學(xué)性質(zhì)受含水率變化影響較大，一方面，失水收縮開裂，導(dǎo)致土體滲水通道增加；另一方面吸水膨脹軟化，土體強(qiáng)度降低，產(chǎn)生附加力-膨脹力[4-6]。成都市對該類基坑采用常規(guī)錨桿支護(hù)進(jìn)行了限制，因此，改善錨桿力學(xué)性質(zhì)，提高錨桿抗拔力是保證錨拉樁結(jié)構(gòu)支護(hù)效果的關(guān)鍵。

在錨固段形成擴(kuò)大頭是提高錨桿抗拔力的重要途徑，目前國內(nèi)應(yīng)用較多的是以高壓旋噴射流切削和置換土體形成的旋噴擴(kuò)大頭錨桿及高壓噴射形成的囊式擴(kuò)大頭錨桿，從這兩種錨桿在成都膨脹土地區(qū)的應(yīng)用情況看[7-8]，前者錨固效果受水泥土強(qiáng)度影響較大，而后者造價偏高。后來一種機(jī)械擴(kuò)大頭錨桿在成都膨脹土基坑工程中應(yīng)用[9-10]，但是擴(kuò)孔后清渣過程需要用水將泥屑稀釋并排放出來，易給施工造成困難。

基于上述錨桿的優(yōu)缺點(diǎn)，技術(shù)人員在擴(kuò)大頭型式和擴(kuò)孔方法上進(jìn)一步探索，提出一種機(jī)械擠壓式多段擴(kuò)孔錨桿[11]。采用機(jī)械擠壓擴(kuò)孔器施工多段擴(kuò)體錨桿，進(jìn)行多級循環(huán)加載卸載試驗(yàn)，根據(jù)錨桿的荷載-位移曲線及現(xiàn)場變形破壞特征，確定抗拉錨桿變形破壞模式及承載力特征，試驗(yàn)成果可為進(jìn)一步理論探索和工程施工提供參考。

1 試驗(yàn)方案

（1）試驗(yàn)場地及地層條件

試驗(yàn)場地位于成都市成華區(qū)某工地，施工面為已開挖基坑馬道邊坡，試驗(yàn)期間無重型機(jī)械和車輛使用，試驗(yàn)錨孔深度范圍地層為上更新統(tǒng)沖洪積層黏土、粉質(zhì)黏土，褐黃-灰黃色，可塑-硬塑狀態(tài)，厚度5～6 m，其中上部黏土具弱膨脹潛勢。該場地膨脹性黏土自由膨脹率為40%～45%，膨脹力為60～110 kPa，大氣影響深度為3.0 m，大氣影響急劇層深度為1.35 m。

（2）試驗(yàn)分組及材料性能

共布置3 組（A 組、B 組、C 組）試驗(yàn)錨桿，每組各3 根， A 組、B 組為多段擴(kuò)孔錨桿（A 組：擴(kuò)孔段間距0.5 m；B 組：擴(kuò)孔段間距1.0 m），C 組為未擴(kuò)孔錨桿。錨桿布置于同一水平面上，桿體長度6.5 m，錨固體長度5.0 m，間距為3.0 m，錨孔直徑為150 mm，錨桿桿體材料采用4 束（1×7）鋼絞線，鋼絞線直徑?s=15.2 mm，極限抗拉強(qiáng)度為1860 MPa，錨桿桿體物理力學(xué)參數(shù)見表1。鉆機(jī)成孔→擴(kuò)孔→安放錨桿桿體→制漿→注漿養(yǎng)護(hù)。

表1 桿材物理力學(xué)參數(shù)

（4）成孔和擴(kuò)孔

鉆孔所用的鉆桿統(tǒng)一規(guī)格，鉆孔實(shí)際深度為桿體長度+500 mm?？孜缓徒嵌葒?yán)格測量，實(shí)際孔位允許偏差水平方向?yàn)?00 mm，垂直方向?yàn)?0 mm。鉆孔完成后逐根裝上?25 mm 鋼風(fēng)管至孔底，用高壓風(fēng)清孔，直至孔內(nèi)返風(fēng)無渣為止。將鉆頭換成擴(kuò)孔器，鉆機(jī)將擴(kuò)孔器送入預(yù)定擴(kuò)孔深度，然后加壓使擴(kuò)孔器擴(kuò)孔，擴(kuò)完一段后，將擴(kuò)孔器向外拉到下一段位置進(jìn)行擴(kuò)孔，直至全部完成（見圖2-圖4）。

圖1 擴(kuò)孔器模型和實(shí)體照片

圖2 擴(kuò)孔后孔內(nèi)照片

圖3 錨桿擴(kuò)大段照片（中間段）

圖4 錨桿擴(kuò)大段照片（端部）

錨孔注漿材料采用M30 水泥砂漿。按錨桿與錨固砂漿間黏結(jié)強(qiáng)度控制的錨桿抗拔承載力Nd由式（1）計(jì)算：

經(jīng)計(jì)算，Nd=1.35×4×3.14×15.2×5×0.8=1030 kN。

2 錨桿的制作與施工

（1）錨桿的制作

錨桿由4 束鋼絞線制成，錨固長度為5.0 m，地面以上預(yù)留1.5 m 桿體進(jìn)行拉拔試驗(yàn)；錨桿隔離支架間距為1.0 m，對中支架間距為1.5 m。

（2）機(jī)械設(shè)備

錨桿施工主要機(jī)械設(shè)備包括空壓機(jī)（21 m3/min）、錨桿鉆機(jī)、擴(kuò)孔器[12]（專利號ZL 2017 2 1663748.5）、制漿機(jī)和注漿機(jī)。擴(kuò)孔器模型和現(xiàn)場實(shí)體照片見圖1。

（3）施工流程

施工主要流程為：修坡/網(wǎng)噴施工→測放孔位→

（5）錨桿安裝和注漿

安裝前用高壓風(fēng)清孔一次，核對錨索編號與孔號是否一致。安裝時注漿管一并隨錨索到孔底，隨后應(yīng)向外拉出200 mm，確保注漿管暢通。注漿管采用?25 mmPVC 管，注漿后可拔出重復(fù)使用。預(yù)應(yīng)力錨索注漿采用純水泥漿（M30），施工時加適量早強(qiáng)劑和速凝劑；水泥漿初凝后終凝前進(jìn)行補(bǔ)漿，補(bǔ)漿壓力2.0 MPa。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)束后開挖、實(shí)測的錨桿尺寸為：未擴(kuò)大段錨固體直徑158～169 mm，擴(kuò)大段錨固體直徑208～223 mm，擴(kuò)大段平均長度200 mm。

3 試驗(yàn)裝置及加載方式

（1）試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置由混凝土墊塊（現(xiàn)澆）、千斤頂（型號YCW200B，規(guī)格200 t，經(jīng)校準(zhǔn)標(biāo)定后使用）、油壓泵、百分表（規(guī)格型號100 MPa，經(jīng)校準(zhǔn)標(biāo)定后使用）等部件組成。其中，混凝土墊塊面積按預(yù)計(jì)施加最大荷載等于地基能提供的反力驗(yàn)算。

（2）試驗(yàn)步驟及加載方法

拉拔試驗(yàn)流程為：場地平整→混凝土墊塊澆筑、養(yǎng)護(hù)→千斤頂安裝→錨墊板、錨具安裝→油壓泵連接→預(yù)張拉→百分表安裝→試驗(yàn)加載、卸載→讀數(shù)、變形破壞現(xiàn)象觀測記錄。

本次試驗(yàn)加載是按《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》（JGJ 120-2012）附錄A.2 節(jié)規(guī)定的循環(huán)加載方式，每級荷載下觀測時間不少于5 min、測讀位移次數(shù)不少于3 次，位移增量小于0.1 mm 時，施加下一級荷載。

（3）終止加載條件

當(dāng)試驗(yàn)遇到以下情況之一時，終止加載：a. 后一級荷載產(chǎn)生的單位荷載下的錨頭位移增量大于前一級荷載產(chǎn)生的單位荷載下的錨頭位移增量；b. 錨頭位移不收斂；c. 錨桿桿體破環(huán)。

4 試驗(yàn)成果及分析

4.1 試驗(yàn)過程及成果

圖5-圖11 為錨桿在循環(huán)加卸載條件下錨頭荷載-位移（F-S）曲線。

錨桿極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值確定方法：在某級試驗(yàn)荷載下出現(xiàn)第3 節(jié)（3）規(guī)定的終止加載情況時，取終止加載前一級荷載作為錨桿極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值。

（1）A 組試驗(yàn)錨桿

由圖5 可知，當(dāng)施加荷載小于一定值時，A1 錨桿變形隨荷載增加呈非線彈性增大，當(dāng)荷載從295 kN 增加到313 kN 時，位移能穩(wěn)定在14.3 mm，當(dāng)荷載從313 kN 增加到332 kN，錨頭位移持續(xù)增大，不收斂，出現(xiàn)自動卸壓現(xiàn)象，最終位移超過23.8 mm。A1 錨桿極限拉拔力取313 kN。

圖5 A1 錨桿錨頭荷載-位移曲線

由圖6 可知，當(dāng)施加荷載小于一定值時，A2 錨桿變形隨荷載增加呈非線彈性增大，當(dāng)荷載從276 kN 增加到295kN 時，位移能穩(wěn)定在17.2 mm，當(dāng)荷載從295 kN 增加到313 kN 的過程中，錨頭位移持續(xù)增大，不收斂，出現(xiàn)自動卸壓現(xiàn)象，荷載不能穩(wěn)定在313 kN，最終位移超過23.6 mm。A2 錨桿極限拉拔力取295 kN。

圖6 A2 錨桿錨頭荷載-位移曲線

由圖7 可知，當(dāng)施加荷載小于一定值時，A3 錨桿變形隨荷載增加呈非線彈性增大，當(dāng)荷載從276 kN 增加到295 kN 時，位移能穩(wěn)定在13.9 mm，當(dāng)荷載從295 kN 增加到304 kN 后，錨頭位移持續(xù)增大，不收斂，位移超過23.8 mm。A3 錨桿極限拉拔力取295 kN。

圖7 A3 錨桿錨頭荷載-位移曲線

（2）B 組試驗(yàn)錨桿

由圖8 可知，當(dāng)施加荷載小于一定值時，B1 錨桿變形隨荷載增加呈非線彈性增大，當(dāng)荷載從239 kN增加到258 kN 時，位移能穩(wěn)定在18.1 mm，當(dāng)荷載從258 kN 增加到276 kN 的過程中，錨頭位移持續(xù)增大，不收斂，出現(xiàn)自動卸壓現(xiàn)象，荷載不能穩(wěn)定在276 kN，最終位移超過23.7 mm。B1 錨桿極限拉拔力取258 kN。

圖8 B1 錨桿錨頭荷載-位移曲線

由圖9 可知，當(dāng)施加荷載小于一定值時，B2 錨桿變形隨荷載增加呈非線彈性增大，當(dāng)荷載從276 kN增加到295 kN 時，位移能穩(wěn)定在11.2 mm，當(dāng)荷載從295 kN 增加到313 kN 后，錨頭位移持續(xù)增大，不收斂，位移超過18.9 mm。B2 錨桿極限拉拔力取295 kN。

圖9 B2 錨桿錨頭荷載-位移曲線

由圖10 可知，當(dāng)施加荷載小于一定值時，B3 錨桿變形隨荷載增加呈非線彈性增大，當(dāng)荷載從295 kN 增加到313 kN 時，位移能穩(wěn)定在10.7 mm，當(dāng)荷載從313 kN 增加到332 kN，錨頭位移持續(xù)增大，不收斂，出現(xiàn)自動卸壓現(xiàn)象，最終位移超過19.5 mm。B3 錨桿極限拉拔力取313 kN。

圖10 B3 錨桿錨頭荷載-位移曲線

（3）C 組試驗(yàn)錨桿

因?yàn)槭┕ぴ?，?dǎo)致C2、C3 錨桿拉拔試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)異常，僅獲得C1 錨桿拉拔試驗(yàn)荷載-位移曲線（見圖11），由圖可知，當(dāng)施加荷載小于一定值時，A1錨桿變形隨荷載增加呈非線彈性增大，當(dāng)荷載從118 kN 增加到146 kN 時，位移能穩(wěn)定在11.5 mm，當(dāng)荷載從146 kN 增加到165 kN，錨頭位移持續(xù)增大，不收斂，出現(xiàn)自動卸壓現(xiàn)象，最終位移超過21.1 mm。C1 錨桿極限拉拔力取146 kN。

圖11 C1 錨桿錨頭荷載-位移曲線

4.2 成果分析

（1）錨桿破壞模式

拉拔試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)加載至一定荷載后，錨桿位移均不收斂，多段擴(kuò)體錨桿最大加載量為276～313 kN，小于桿體極限強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值以及按桿體與錨固體極限黏結(jié)強(qiáng)度控制的承載力值，均為錨固體與土層之間黏結(jié)界面破壞。

（2）錨桿極限承載力取值

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析，A 組錨桿極限承載力平均值為301 kN，B 組錨桿極限承載力平均值為288 kN，C組錨桿極限承載力為146 kN，A 組比B 組僅提高4.1%，提高幅度不大，但A 組、B 組相對于C 組分別提高1.06 倍、0.97 倍（見表2）。

表2 錨桿極限承載力取值

5 結(jié)論

（1）膨脹土地層多段擠壓擴(kuò)體錨桿施工工藝可行，相對于未擴(kuò)孔錨桿其抗拔承載力高，實(shí)際工程中能滿足較高拉拔力的需求，兩種多段擴(kuò)體試驗(yàn)錨桿承載力比未擴(kuò)孔錨桿提高1 倍左右。試驗(yàn)錨桿破壞方式為錨固體與土層之間黏結(jié)界面破壞。

（2）擴(kuò)大段間距為0.5 m 的錨桿承載力比間距為1.0 m 的僅提高4.1%，由于擴(kuò)大段間距越密，施工難度越大，實(shí)際應(yīng)用時可選擇間距為1.0 m 的多段擴(kuò)體錨桿。

（3）試驗(yàn)結(jié)果可為進(jìn)一步探索膨脹土體含水率、擴(kuò)體段數(shù)、錨桿總長度對承載力的影響以及錨桿破壞機(jī)理等提供一定的參考。另外，可在提高擴(kuò)孔效率及在其他地層適用性方面做進(jìn)一步嘗試。