扩大头压力型锚索的现场试验研究

刘国楠, 温科伟, 李中国, 胡荣华

（1.中国铁道科学研究院深圳研究设计院，广东 深圳 518034;2.深圳市岩土工程有限公司，广东 深圳 518034）

0 前言

压力型锚索具有较好的防腐耐久性等特点，在永久性工程中应用具有技术优势[1]。扩大头或分段扩大头压力型锚索利用专制的钻头或高压喷射注浆等方法，在锚固段形成一个或多个扩大头，可提高锚固效率和单锚承载力，具有更好的经济性[1-2]。由于扩大头锚索施工工艺较为复杂，而且需要专用的扩孔机具，目前应用还不普及，实际工程经验较少。为了了解该类锚索的工作性能并验证其设计参数，本文结合深圳市某地质灾害治理工程实际[3]，利用铁科院自行研制的可调直径伞状扩孔钻头，进行多组扩大头和分段扩大头压力型锚索现场试验。并将试验结果与普通拉力型锚索进行对比分析，以期对扩大头压力型锚索的设计方面工程提供依据。

1 试验条件

1.1 试验工点地质条件

试验工点主要地层为坡积土和残积土土层；下卧基岩岩性为流纹质凝灰岩，块状构造，自上而下依次为强风化、中风化和微风化岩(图1)。

该场地主要地层土的物理力学性质指标见表1。

图1 试验工点地层剖面Fig.1 The stratigraphic section of the test site.

表1 土层物理性质参数

1.2 扩孔钻头与施工工艺

锚索钻孔采用回旋钻机，循环水排渣，钻孔直径 130 mm。扩孔采用铁科院研制的可调直径伞状扩孔钻头，钻头最小直径90 mm，扩孔直径130～270 mm（可调）。当钻孔到位需要扩孔时，换上扩孔钻头，在钻杆顶推力的作用下头部扩孔臂打开，工作原理如图2所示。

图2 扩孔钻头工作原理示意图Fig.2 Working principle diagram of reaming bit.

1.3 试验分组

所有试验安排在相近的地点，地质条件无明显变化。根据工程和研究的需要布置了四种共12根锚索拉拔试验，分组如表2所列。除了现场拉拔试验之外，各种压力型锚索的锚固体按1 m间距设置了YH01100振弦式应变计，监测拉拔试验过程中锚固体的应变从而推测锚固体受力特征。

表2 试验分组

2 试验锚索的结构形式

（1）拉力型锚索

如图3(a)所示，拉力型锚索钻孔直径130 mm，自由段长度5 m，锚固段长度10 m，2根钢绞线，二次压力注浆。

（2）压力型锚索

如图3(b)所示，钻孔直径130 mm，锚索长度15 m，2根钢绞线，二次压力注浆。

图3 三种锚索的结构图Fig.3 The structures of pull-type, pressure-type and pressuretype anchor with subsection enlarged-end.

（3）扩大头压力型锚索

如图 3(c)所示，钻孔直径 130 mm，扩孔直径250 mm，每个扩孔段设置一个配置两根无粘结钢绞线的承压盘，扩大头部分二次高压注浆。试验类型分为端部扩孔和两段扩孔两种，分段扩孔锚索扩大头间距为3 m。

3 拉拔试验结果

3.1 试验方法

按照中国建设标准化协会标准《岩土锚杆（索）技术规程》（CECS22∶2005）所规定的锚杆（索）基本试验（极限抗拔试验）的方法，进行锚索的拉拔试验。在张拉荷载等级分别为20% Afptk，30%Afptk，40% Afptk，50% Afptk，60% Afptk，70% Afptk和80% Afptk下进行循环加卸载，最后一个循环将锚索加载至破坏。锚索拉力以安装在锚头的测力传感器测值为准；锚索位移为锚索的绝对伸长量；在某级荷载下位移稳定之后，读取锚固体应变值。

3.2 试验结果

（1）拉力型锚索

图4 拉力型锚索拉拔试验结果Fig.4 The pull-out test results of pull-type anchor.

（2）压力型锚索

图5 压力型锚索拉拔试验结果Fig.5 The pull-out test results of pressure-type anchor.

图6 压力型锚索注浆体实测应变分布（循环5）Fig.6 The measured strain distribution of cement-based grout in the pressure-type anchor.

（3）端部扩孔压力型锚索

图7 端部扩大头压力型锚索拉拔试验结果Fig.7 The pull-out test results of pressure-type anchor with enlarged-end in topping.

图8 端部扩大头压力型锚索注浆体实测应变分布Fig.8 The measured strain distribution of cement-based grout in the pressure-type anchor with enlarged-end in topping.

（4）两段扩孔压力型锚索

图9 两段扩大头压力型锚索拉拔试验结果Fig.9 The pull-out test results of pressure-type anchor with two segment enlarged-end.

图10 两段扩大头压力型锚索注浆体实测应变分布Fig.10 The measured strain distribution of cement-based grout in the pressure-type cable with t wo segment enlarged-end.

3.3 拉拔力统计

按照规范的方法确定锚索的极限抗拔力，以及荷载为0.5 Afptk时的塑性位移如表3所列。2根钢绞线时，0.5 Afptk对应拉拔荷载220 kN，4根绞线时对应450 kN。

表3 0.5 Afptk时的塑性位移

4 试验结果分析

4.1 极限抗拔力的比较

试验得出拉力型锚索极限抗拔力均值267 kN，同样长度压力型锚索抗拔力均值283 kN，压力型锚索相比拉力型抗拔力增加6%；总长8 m，锚固段长3 m扩孔一倍的端部扩大头压力型锚索抗拔力均值290 kN，相比拉力型增加8%；而两段扩大头压力型锚索的极限抗拔力均值613 kN，基本上是单个扩大头压力型锚索极限抗拔力的两倍，说明选用扩大头间距3 m（一倍扩孔段长）是合理的。

利用压力型锚索的极限抗拔力试验结果，反算土层与锚固体的粘结强度为70 kPa，可初略计算扩孔段摩阻力提供的极限抗拔力分量为165 kN，端部土体承载力提供的极限抗拔力分量为125 kN，说明扩孔锚索扩孔前端土体提供的抗拔力占重要部分。

前端土体提供的极限抗拔力可以用下式计算：

式中1d为扩孔直径；2d为钻孔直径；q代表土层的快剪强度。

4.2 变形特性

锚索拉拔试验时的总位移量主要取决于自由段的长度和塑性位移量，由于本次试验锚索的长度不一，总位移量的比较意义不大。塑性位移量的大小能反映锚索工作时的变形特性。拉力型锚索可以看成是一端固定的模式，试验结果表明在锚索的锚固体达到滑移破坏之前，锚索卸载时的塑性位移量很小。当最大荷载0.5 Afptk时，拉力型锚索卸载回弹实测塑性位移均值4.21 mm；各类压力型锚索实测塑性位移均超过10 mm。由此可见压力型锚索的预张拉消除塑性位移量是十分重要的。

4.3 压力型锚索摩阻力分布特性

根据实测结果，圆柱形压力型锚索锚固段注浆体的压应变近似呈三角形分布，扩大头段压应变近似呈梯形分布。分段扩大头锚索的前后段压应变的分布规律一致，大小有区别，前扩孔段变形大，后扩孔段变形较小，荷载大时较为明显。主要原因在于前后单元的钢绞线长度不一致，在等位移拉拔作用下较短拉杆锚索受力较大。该结果说明分段扩大头压力分散型锚索有必要分单元张拉，或者进行较长锚索单元预先补偿张拉。

5 结论

(1) 在同等条件下，压力型锚索的极限抗拔力大于拉力型锚索；

(2) 扩大头压力型锚索的扩大头前端土体提供重要的抗拔作用，可以近似利用土体强度指标计算；

(3) 压力型锚索有较大的塑性位移，在张拉锁定时应采用大于工作荷载的拉力预张拉，以消除塑性位移；

(4) 在扩大头合理间距条件下，压力分散型锚索的总抗拔力为各单元抗拔力之和；一倍扩孔段长度作为扩大头间距是合理的；

(5) 分段扩大头压力型锚索应采用分单元张拉或补偿张拉方式，以消除拉杆长度不同而产生的荷载集中。

[1]苏自约,林强有,丁国贵,等.岩土锚固技术的新发展与工程实践[M].北京：人民交通出版社,2008.

[2]林振湖,何国金.土层扩大头锚杆挡土墙[J].建筑结构学报,1980：65.

[3]刘国楠,潘效鸿.深圳地区地质灾害治理新技术的研究报告[R].2010.