高压喷射扩大头锚杆在合肥某民生中心项目的应用

胡亮，郑直，袁燊，周辉

（1.深圳市建筑设计研究总院有限公司合肥分院，安徽 合肥 230088；2.中水淮河规划设计研究有限公司，安徽 合肥 230601）

0 前言

伴随着我国城镇化建设的不断推进，项目规划建设用地日趋减少，地下空间近年来逐步朝着更深、更广的层次发展。大量的带商业裙房的多层地下室、下沉式广场及人防工程等在城市建设中不断涌现。这对锚杆抗拔承载力及相关性能提出了更高的要求。传统锚杆抗拔承载力小、变形较大，防水防腐不易处理且锚固性能不稳定，这制约了其在地下工程中广泛应用。高压喷射扩大头锚杆新技术则是基于这些深大地下空间的建设需求而出现的，它具有单根锚杆抗拔承载力高、工作位移小、施工速度快、防腐蚀能力强、耐久性好，对毗邻的地下建筑影响小等优点，具有明显的社会经济效益。

1 工程实例

1.1 工程概况

本项目位于合肥市瑶海区，长临路与梅岭路交叉口东南角，东侧为雨山路、南侧为市二院护理院。总规划用地面积为11408.5m2，总建筑面积38598.14m2。地上主要由一栋12F框剪-民生中心办公楼（局部裙房3F）、一栋5F框架-档案馆（局部裙房1F）组成，地下室共两层，层高分别为3.9m（-2F）、4.65m（-1F），地下室建筑面积16380m2，本工程设计使用年限50年，抗震设防烈度7度。

根据合肥市某勘察院有限责任公司提供的岩土工程勘察报告，本工程基础底板下土层分布情况自上而下依次为③-2层粘土：层厚5.4～8.4m，层底标高3.52～5.34m，灰黄、黄褐、褐黄、以硬塑状态为主，局部呈坚硬状态；④层粉质粘土夹粉土、粉细砂：该层未钻穿，最大揭露厚度达15.8m，灰黄、黄灰、褐灰、灰黄色等，粉质粘土呈硬塑状态，湿；所夹粉土、粉细砂以中密状态为主，该层底部粉质粘土与粉土、粉细砂呈互层状分布，局部夹薄层粘土，很湿～饱和。建设场地±0.00标高19.60m，基础埋深约10m左右，基底一般置于③-2层中，基础埋深较深，抗浮设防水位取建成后室外地坪下1.0m进行设计，抗浮措施可采取抗拔锚杆或抗拔桩等。

1.2 基础抗浮设计

由于本工程办公塔楼高度较高、档案馆的荷载较大，且主裙楼及纯地库部分均采用筏板基础，故主裙楼与地库之间会产生差异沉降。若纯地下室抗浮采用抗拔桩则由于桩基的竖向承压效应不利于调节两者间的差异沉降，故地下室抗浮采用抗拔锚杆。此外，设计阶段对基础抗浮选用普通抗拔锚杆与扩大头锚杆做了方案对比，主要工程对比详见表1。

抗浮锚杆方案工程量对比 表1

依据地勘报告提供的各土层与锚固体极限粘结强度标准值qsk：③-2层粘土、④层粉质粘土夹粉土、粉细砂分别为70kPa、50kPa。鉴于本工程基础底板下土层与锚固体粘结强度较低的特点，若采用普通抗浮锚杆，其承载力低、总数量较多布置密集且施工质量难以把控。故本工程采用高压喷射扩大头（囊式）抗浮锚杆，其锚杆的设计参数具体如下：锚杆总长度12.5m，非扩体长度为8.5m、直径180mm，扩体长度为4m、直径700mm，锚杆的端土层为④层粉质粘土夹粉土，杆体采用1T40 PSB1080级预应力混凝土用螺纹钢筋，设计锚杆抗拔力特征值Ra=500kN。整个地下室共计使用扩大头锚杆634根，采用2700x2700mm均匀布置方式，地库基础与锚杆布置示意图，详见图1。

图1 地库基础+锚杆布置示意图

2 高压喷射扩大头（囊式）扩体锚杆的施工工艺及工作原理

2.1 高压喷射扩大头（囊式）扩体锚杆的施工工艺及技术要点

根据合肥地区已有扩大头锚杆工程经验，一般情况下高压喷射扩大头扩体锚杆主要施工工艺及技术要点如下[1-3]。

①下钻成孔与旋喷扩孔：采用下图2所示的旋喷扩体锚杆施工钻机，在钻机不断钻孔过程中伴随着1～2MPa高压水流从钻头（图3）喷向周围土体，并将钻削下来的土屑排出孔外。本工程主要工艺参数如下：孔位偏差≤100mm，孔斜率≤1.0%，孔径≥180mm；采用水灰比为 1.0的水泥浆，旋喷压力25～30MPa，浆量 75L/min；旋喷提升速度 10～20cm/min，旋转速度 10～15转/min进行扩孔施工。

②锚杆制作与下锚：将笼芯囊安装在锚杆杆体上（锚杆采用PSB高强钢筋，严禁焊接），将注浆管接入囊袋注浆口。采取人工辅助锚杆钻机的方式将锚杆插入锚孔。应在水泥浆扩孔完成后尽快插入锚杆，最迟不得超过水泥浆的初凝时间。注浆管和排气管管口应在锚孔之外，锚杆的制作与安放见图4。

③囊袋内压力注浆：囊式扩体锚固段注浆采用高压注浆工艺，水泥净浆灌注，水泥浆液应搅拌均匀，并过筛，随拌随用，通过注浆管向囊袋内注入水灰比0.5的水泥浆。浆液使囊袋扩张从而挤压囊袋外锚孔内浆液，锚孔孔口出浆，待孔口溢出浆液与注入浆液颜色和浓度一致时方可停止注浆。

图2 旋喷扩体锚杆施工钻机

图3 高压喷射钻头

图4 锚杆的制作与安放

2.2 扩大头锚杆的工作原理

2.2.1 扩大头锚杆的破坏形式与受力过程

扩大头锚杆的破坏形式有以下3种：①杆体破坏，埋置于较好土层的扩大头锚杆，其杆体本身强度相对较弱易发生钢筋屈服或钢绞线破坏；②扩大头段注浆体与杆体握裹力破坏，当扩大头直径较大而长度较短时，理论上将发生扩大头注浆体与杆体之间的握裹力破坏，杆体将从扩大头中被拔出；③扩大头端周土体破坏，当锚杆杆体强度和杆体与扩大头之间的握裹力足够大时，将发生扩大头受压端周围土体的破坏[4-5]。

对于前面两种破坏形态一般可以通过构造予以解决。而对于第三种破坏形式一般可细分为以下3个阶段：①静止土压力阶段，当受拉力较小时，非扩体与扩体段侧壁受摩阻力，扩体段前端面受静止土压力作用；②过渡阶段，外荷载继续加大时，扩大头达到达到静摩阻，而后其端前土体进入局部塑形；③塑性区压密—扩张阶段，当外拉荷载继续增大，扩大头向前发生较大位移，塑性区土体受外围土体围压约束，进行应力状态和塑性区范围的调整。

2.2.2 扩大头锚杆的受力组成

普通锚杆（索）其抗拔承载力主要靠锚固体与周围土体间的摩阻力提供。而扩大头锚杆属于摩擦-端压型锚杆，考虑扩大头端部土体破坏（上述2.2.1节的第三种种破坏形式），力学模型见图5，其抗拔力由3部分组成[6]，

图5 扩大头锚杆力学模型

上式中T1为非扩大头段锚固侧壁与土体的摩阻力，T1＝πD1L1τf，D1为锚杆钻孔直径，L1为非扩体段长度，τf为非扩体段地层与锚固体侧壁之间的摩阻强度；T2为扩大头段侧壁与土体的摩阻力，T2＝πD2L2τfd，D2、L2为扩大头段直径、长度，τfd为扩大头侧壁与地层之间的摩阻强度；T3为土体对扩大头端部的正压力，，PD为土体作用于扩大头端面上的正压力强度，主要与扩大头段端面土体性质以及锚杆的工作状态相关。

3 锚杆检测与分析

锚杆的抗拔试验采用穿心张拉千斤顶配合反力支承平板系统提供试验反力，采用分级循环加载，直至达到最大试验荷载。根据《高压喷射扩大头锚杆技术规程》[2]规定，初始荷载取 50kN（即0.1倍锚杆抗拔力特征值Ra），分级加荷值取 Ra的 50%、75%、100%、120%、135%和150%，最大试验荷载取750kN，锚杆加荷等级与观测时间见表2。

以本工程试验锚杆 35#、172#、242#、287#、320#、346#为例，其荷载 -位移（Q-s）曲线见图6。由试验曲线可知，锚杆的位移离散性很小、可靠性高，且在最大试验荷载作用下，锚头位移稳定，锚杆实际弹性变形值在理论计算范围以内，承载力均满足设计要求。

4 结论

高压喷射扩大头锚杆具有单根锚杆抗拔承载力高、工作位移小、施工速度快、耐久性好等诸多优点，特别适用于多层地下室抗浮设计。结合实际工程案例，分析了采用高压喷射扩大头（囊式）锚杆的原因，介绍了施工工艺分析了扩体锚杆的受力机理，并得到了现场试验检测的验证。采用高压喷射扩大头（囊式）锚杆具有明显的社会经济效益，对合肥地区类似工程推广应用高压喷射扩大头锚杆具有一定借鉴意义。

加荷等级与观测时间 表2

图6 锚杆承载力试验Q-s曲线