囊式扩体锚杆受力原理及现场试验研究

陈梦鸥

(深圳市勘察研究院有限公司，广东 深圳 518026)

1 前 言

随着经济发展，建筑物除了向上发展之外还向地下延伸，基坑开挖深度越来越大；同时，城市用地越来越紧张，基坑周边存在各种已建的建(构)筑物，为了避免对其产生不利影响，锚杆(索)不得伸入周边建(构)筑物下方[1]，锚索长度受到限制。

为解决传统锚索长度的问题，岩土工程界开始尝试在支护工程中采用扩体锚杆(又称扩大头锚杆、扩大头锚索等)：1997年，夏柏如等就介绍了国内外土层锚杆端头扩大技术的原理及应用情况[2]；2004年，曾庆义等采用旋喷扩孔，成功将扩孔锚杆应用于深圳某基坑中[3]；2008年，孙凯等研究了扩大头压力型锚索的受力性能，并将其应用于海口某基坑工程中[4]；龚复军将扩大头锚索应用于南宁某基坑支护工程中[5]；李云峰等将扩大头锚索应用于广州某地铁基坑[6]；张小平等采用旋喷扩孔，将扩大头锚索应用于河南省郑东新区某基坑[7]。在工程应用如火如荼之际，对扩体锚杆的理论和试验研究也在紧锣密鼓地开展：曾庆义等基于多个工程的实测数据，研究了扩体锚杆的力学机制并提出了扩大头锚杆抗拔力计算公式[8]；胡建林等在研制锚杆机械扩孔器的基础上，进行了扩体锚杆的工艺试验和抗拔试验研究[9]；郭钢等通过室内模型试验，研究了砂土中竖直埋设的扩体锚杆在不同埋深条件下的竖向拉拔破坏模式，提出在工程设计中扩体锚杆应采用深埋形式[10]，并运用数字照相变形量测技术研究了扩体锚杆拉拔破坏机制[11]。

经过大量的工程应用和试验研究，发现常规的扩体锚杆不能有效利用扩体段的端承力，中国京冶工程技术有限公司开发了囊式扩体锚杆，并在多个项目中应用：由深圳市勘察研究院有限公司设计、中建二局施工的某超高层深基坑就采用了囊式扩体锚杆[12]；中铁十五局将囊式扩体锚杆应用于湖州某淤泥质土基坑中[13]；刘钟等研究了囊式扩体锚杆的承载特性和破坏形式，并统计了囊式扩体锚杆在深基坑和地下空间抗浮的应用现状(截止到发稿时)[14]。

2 囊式扩体锚杆的受力原理

囊式扩体锚杆利用液压扩孔后在孔内放入囊袋，然后在囊袋内注浆(或灌注细石混凝土)，利用囊袋增加锚固体与土体之间的摩阻力，同时有效利用囊袋头部的端压力，减短锚杆长度、增加单锚拉力。囊式扩体锚杆具有以下几个特点：

(1)囊袋式扩体段对周边土体产生挤胀作用，可增加单锚拔力，同时减少变形量；

(2)囊式扩体锚杆能利用囊袋顶部的土体端压力，单锚拉力大大提高；

(3)囊式扩体锚杆是压力型锚杆，耐久性好；

(4)囊内灌注高标号水泥浆体或者细石混凝土，锚固体强度大，可以给锚固端头承压提供强度保证。

囊式扩体锚杆的基本结构是由无黏结线材构成的自由段和带有囊式膨胀挤扩体的端承锚固段组成，其各组成部分及受力简图如图1所示[12]。

图1 囊式扩体锚杆组成及受力简图

从图1可以看出，囊式扩体锚杆与传统锚杆最显著的区别在于两者锚固段形式的差异，传统锚杆依靠锚固段与周围土体的黏结力和摩擦效应来传递荷载，所以锚固力的大小取决于有效锚固段的长度；而囊式扩体锚杆主要依靠膨胀挤扩体的端压作用承载，锚固力的大小主要取决于膨胀挤扩体的端头承载面积，所以膨胀挤扩体的长度只需满足能够对土体有效挤密的要求即可，锚固段的长度可以大大缩短。

3 囊式扩体锚杆在某项目中的应用

某项目位于深圳市，设4层地下室，基坑总体开挖深度约 20 m，局部坑中坑处开挖深度约 25 m，支护周长 427 m，面积约 10 000 m2。

场地内自上而下可分为人工填土层(厚度 3 m～9 m)、粗砂(厚度 0.7 m～3.8 m)、砾质粉质黏土(厚度 3.6 m～41.4 m)，下伏燕山期粗粒花岗岩。

场地周边分布有密集的管线和建、构筑物，且靠近正在运营的地铁，锚索长度受限；若采用桩撑支护，则支撑梁体量较大、立柱较多，造价高昂且影响施工工期。综合比选之后，本项目采用灌注桩+囊式扩体锚杆进行支护。

本项目地层参数如表1所示。

本项目地层参数 表1

本项目典型支护剖面图如图2所示。

图2 典型支护剖面图

4 现场试验及支护效果

因本项目支护结构安全等级为一级，正式施工前另行施工3根囊式扩体锚杆进行了基本实验，基本实验循环加载至扩体锚杆轴向拉力标准值的1.8倍即 828 kN，3根囊式扩体锚杆均未发生破坏，仍处于良好的工作状态。其中的1#实验锚索的荷载—位移曲线如图3所示，荷载—弹性位移曲线如图4所示，荷载—塑性位移曲线如图5所示。

图3 基本实验锚索的荷载—位移曲线

图4 基本实验锚索的荷载—弹性位移曲线

图5 基本实验锚索的荷载—塑性位移曲线

从图3～图5可以看出，当实验荷载517 kN(接近锚杆工作荷载)时，实验锚杆的弹性变形约为 14.6 mm，塑性变形约为 16 mm；当实验荷载 620 kN时，实验锚杆的弹性变形约为 19 mm，塑性变形约为 20 mm；当实验荷载达到 724 kN时，实验锚杆的弹性变形约为 27.3 mm，塑性变形约为 23.3 mm；当实验荷载达到最大值 828 kN时，实验锚杆的弹性变形约为 49 mm，塑性变形约为 37 mm。以上数据说明，实验锚索在循环加载过程中锚索锚固段未发生较大的位移，锚索仍处在正常工作状态，锚索的轴向拉力标准值可取为 460 kN。

根据本项目的地质条件，同长度的普通锚索轴向拉力标准值只能达到 250 kN～280 kN，本项目采用囊式扩体锚杆后拉力标准值得到显著提高。

施工过程中第三方监测数据表明，本项目基坑开挖到底后地面水平位移最大值仅约 29 mm，与基本实验接近锚索工作荷载时的锚索弹性变形与塑性变形之和接近，且满足规范和设计要求。

5 结论与建议

(1)囊式扩体锚杆由于充分利用了囊袋端部的土体承载力，可有效减短锚杆(索)长度、提高锚杆(索)拉力标准值，并可有效控制变形。在本项目中，囊式扩体锚杆的拉力标准值从 250 kN～280 kN提高到了 460 kN，提高幅度达到了64%～84%。

(2)囊式扩体锚杆可用在深圳地区的冲洪积层之黏性土、砂层中以及残积土层中，但因其囊袋端部受力较大的特点，目前尚未见用于淤泥及淤泥质土等软弱地层中的文献，用于淤泥及淤泥质土等软弱地层中前需进一步研究其效果。

(3)在周边条件受限的情况下采用囊式扩体锚杆可取得较好的经济效果。

(4)本项目囊式扩体锚杆在施工过程中采用了液压扩孔工艺，该工艺在淤泥及淤泥质土等软弱地层中易塌孔，需在扩孔前采取其他如旋喷等预防塌孔的措施。

(5)囊式扩体锚杆为工厂定制，其囊袋有固定尺寸，设计及施工前需了解囊袋的常用尺寸，以免现场二次加工。

(6)囊式扩体锚杆端部体积大，需充分考虑避免群锚效应的锚杆间距；同时，若锚杆端部相近，易出现锚杆端部上方土体整体被拉裂的情况，设计时应注意避免。