扩大头锚索在成都膨胀土地区的应用

赵蜀健，张莲花，赵石力

(成都理工大学 环境与土木工程学院， 四川 成都 610059)

1872年，在英国北威尔士的一家板岩采石场，第一批锚杆投入使用，并且获得成功[1]。1966年，受扩底桩启发而研发出扩大头预应力锚索在美国成功使用[2]。时至今日，扩大头锚杆(索)技术不断发展且成功应用于岩土工程中。

随着社会的发展，城市人口不断攀升。这种变化使得城市中的交通、绿化等问题愈发凸出，城市的空间利用率也自然而然成为城市发展中的一个重要指标。在此基础上，地下工程与深基坑项目成为提高城市空间利用率的一个重要手段，越来越多的深基坑开始出现，而锚索则在深基坑作业中扮演着至关重要的角色，在帮助社会及城市建设的同时，也产生了巨大的经济效益。

1 膨胀土与扩大头锚索

1.1 膨胀土特性

膨胀土在我国范围内分布广泛，是一种典型的“问题”土[3]，其含有较多的膨胀性黏土矿物，因此具有“裂隙性、胀缩性和超固结性”的特征[4-5]。由于含有膨胀性黏土矿物且具有微结构和孔隙的特征，使得膨胀土的渗透特性与普通黏性土相比显得更为复杂[6]。以上诸多特征，让膨胀土在经历气候等周期性变化所导致的干湿循环及涨缩变形后，其力学性能指标会发生明显的变化[7-9]，这也对膨胀土地区的岩土工程施工造成了巨大的影响。

1.2 扩大头锚索受力与破坏形式

传统锚索与扩大头锚索都由三个部分组成(见图1)：锚头、自由段和锚固段[10]，两者的区别在于锚固段。传统锚索锚固段为等直径体，完全依靠锚固体与周围土体间的摩阻力和粘结力将锚固段固定在土(岩)层中，被称为纯摩擦型锚索[11]，这种锚索在增大摩擦力时在一极限值[12-13]，而存扩大头锚杆抗拔力来源除了锚固体的侧向摩擦力之外，还有扩大头锚固体的前端土体所带来的正压力，属于摩擦-端压型锚索。扩大头锚索的抗拔力T应如图2所示，由三部分构成[14]即：

T=T1+T2+T3

(1)

T1=πD1L1τf

(2)

T2=πτfdL2D2

(3)

(4)

式中：T1/T2为锚索普通/扩大头锚固段与土地间摩擦力；T3为扩大头部分最前端挤压土体所产生的端阻力；L1/L2为锚索普通/扩大头锚固段长度；D1/D2为锚索普通/扩大头锚固段直径；τf/τfd为锚索普通/扩大头锚固段与土体间摩擦系数；σd为扩大头部分最前端挤压土体产生的端阻力系数。

图1 扩大头锚索结构示意图

图2扩大头锚索受力示意图

2 工程应用

2.1 工程概况

试验依托于成都市龙泉驿区帝一广场基坑支护工程，其土层参数指标如表1所示[15]。

表1 帝一广场基坑土层各项参数指标

基坑深度15.3 m～15.8 m，基坑安全等级为一级，支护采用排桩+锚索支护结构，锚索倾角均为20°，杆体材料采用5Φs17.8钢绞线，锚索锚固部分普通段成孔直径150 mm，扩大头段扩孔直径600 mm，注浆材料为素水泥浆，水泥采用P.O 42.5级，水灰比为0.4，支护结构具体分布如图3所示。

图3支护剖面图

2.2 施工参数实验

此项目为确定的高压旋喷施工参数对于工程质量的影响，设计了6组高压旋喷扩大头锚索，用于对比施工中旋喷压力和旋喷时间对于锚索成品质量的影响。实验采用的高压旋喷扩大头锚索全长10 m，其中扩大头部分长度为5 m。结果如表2所示(其中M0为旋喷开始前150 mm成孔直径所对应的理论周长)。

(1) 将M0、M1、M2、M3、M4作为一组，比较旋喷压力与锚固体周长之间的关系，进行回归分析，分别求得线性与非线性拟合公式：

表2 实验所取参数及实验结果

c=-0.016P2+2.25P+47.31；

R2=0.986

(5)

c=1.71P+48.91；R2=0.979

(6)

式中：c为锚固体周长；P为旋喷压力；R为相关系数。

从图4和上述公式中都可以看出，锚固体周长随旋喷压力增大而增大。式(5)与式(6)中相关系数相近，非线性拟合所得结果略优于线性拟合，对式(5)进行求导可得，旋喷压力70 MPa时，周长达到最大值126 cm。

图4旋喷压力与锚固体周长关系图

(2) 将M0、M2、M5、M6作为一组，比较旋喷时间与锚固体周长之间的关系，进行回归分析，分别求得线性与非线性拟合公式，图5及公式如下：

图5旋喷时间与锚固体周长关系图

c=-0.068t2+3.72t+47.15；

R2=0.999

(7)

c=2.12t+49.93；R2=0.933

(8)

式中：c为锚固体周长；t为旋喷压力；R为相关系数。

从图5和上述公式中都可以看出，锚固体周长随旋喷时间增大而增大。式(7)与式(8)中相关系数相差较大，非线性拟合所得结果明显优于线性拟合，对式(7)进行求导可得，旋喷时间27 min时，周长达到最大值102 cm。

2.3 锚索基本试验检测

(1) 锚索参数及试验方法。在基坑支护施工完成，锚索的固结体强度达到设计强度的75%时，文本中取A区第一道、第二道、第三道、B区第三道，共计12根锚索进行比较，编号方式为：区号-道数-自选编号，锚索基本数据见表3。

表3 锚索基本参数

检测采用千斤顶反复加载，精密百分表测量位移。试验采用循环加、卸载法，共分6个循环，具体加、卸载方式及判定条件采用《四川省建筑地基基础检测技术规程》[16](DBJ51/T014—2013)中附录H里H.1中基本试验的要求。在实验进行中出现下列情况之一时终止加载：① 桩头位移不收敛；② 某级荷载作用下，桩头上拔量达到前一级荷载作用下的5倍。

(2) 试验结果。试验结果见表4。

表4 基本试验检测结果

2.4 试验结果分析

将试验数据进行如下分组见表5。

表5 试验数据分组

(1) 对比第一组与第三组、第二组与第四组数据可以发现，在锚索长度减小、锚固长度和锚固形式等条件不变的情况下，增加锚固深度，可以在一定程度上提高锚固能力。第二组对比第四组数据，锚固深度在3.5 m基础上增加4.0 m，在试验最大荷载提升2.6%的情况下，最大累计拔出量基本保持不变；第一组对比第三组数据，锚固深度在3.5 m基础上增加7.0 m，在试验最大荷载提升15.5%的情况下，最大累计拔出量只增长了4%，效果明显。

(2) 对比第三组与第四组数据可以发现，在锚索长度减小、总锚固长度不变、锚固深度不变、扩孔直径不变的情况下，增大扩大头部分在锚固段所占比例，可有效提高锚固效果。第三组对比第四组数据，可以看出只是将10.0 m锚固段的扩大头长度从3.5 m提升至4.0 m，从前文式(1)、式(2)、式(3)得知，增大了扩大头锚固段与土体之间的摩擦力T2，减小了普通锚固段与土体摩擦力T1，但总体的锚固力T增加了；从工程实际效果来看，在试验最大荷载提升2.5%的情况下，最大累计拔出量反而降低了3.2%，与理论结果相符。

2.5 成都膨胀土地区囊式扩大头应用对比

除旋喷扩大头锚索外，也有学者[17]在成都龙泉驿膨胀土地区进行了囊式扩大头锚索试验，试验土层各项参数指标见表6。

试验中使用的囊式扩大头锚索分为两类，共计六根。所有锚索采用P.O 42.5级，水灰比0.4的素水泥浆作为注浆材料，倾角为30°，成孔直径150 mm，扩孔直径600 mm，采用4Φs15.2钢绞线。试验采用分级循环法，实验结果见表7。

表6 龙泉驿区某工地土层各项参数指标

表7 囊式扩大头锚索抗拔承载力试验结果

对比前文中帝一广场基坑项目的试验数据，可以发现虽然囊式扩大头锚索由于多种原因，在最大位移量较上文旋喷扩大头锚索有较大量的增长。但囊式扩大头锚索和旋喷扩大头锚索的最大试验荷载都达到了1 000 kN以上且并未发生破坏，相比于传统锚索有巨大的提升，并且完全满足了工程需要。

3 结 论

通过工程项目的试验分析与对比，结论如下：

(1) 根据对帝一广场基坑项目的施工参数实验结果分析得出，在此次实验条件下，旋喷时间为20 min时，旋喷压强为70 MPa可获得最优效果；旋喷压强为25 MPa时，旋喷时间为27 min可获得最优效果。

(2) 旋喷扩大头锚索与囊式扩大头锚索在膨胀土地区使用时有良好的表现，两者承载能力要远高于传统锚索；随着埋深越深和扩大头段距离越长，扩大头锚索的承载力也越增大，锚索的位移则越小。