压力型高压旋喷扩大头锚索在深基坑支护工程中的应用

2021-01-25赵多银徐继忠邓木君

四川建筑 2020年6期

赵多银，柯灵，徐继忠，程刚，邓木君

(中冶成都勘察研究总院有限公司，四川成都 610000)

1 扩大头锚索

锚索作为基坑支护工程中控制基坑变形的重要手段之一，因其支护方式有利于土方开挖和地下结构施工、大大缩短工期、降低工程造价，故在深基坑支护工程中应用普遍。近年来，该领域新出现的扩大头锚索有着自身独特的优势，引起相关学者的大量研究。从力学机制的角度考虑[1-4]，传统锚索(图1)的抗拔力主要源于锚固体与土体侧阻力，属于摩擦型锚索，而扩大头锚索(图2)的抗拔力主要包括两部分，普通锚固段锚固体侧壁+扩大头侧壁与土体的侧阻力和土体对扩大头端部的端阻力，其属于摩擦-端承型锚索。有学者为验证同等条件下扩大头锚索的抗拔力优势，开展了大量的现场试验[2][5-7]，试验结果证明扩大头锚索的极限抗拔承载力是普通锚索的1～3倍左右，土质条件越好的区域，增大倍数越大，且锚索的位移离散型较小。该工艺已成功应用于多个大型深基坑支护项目[8-12]，取得了理想的工程价值，相对普通锚索施工工艺，其施工简单、效率高、施工质量好、大大提高了抗拔力、工程造价低，且能够克服复杂土质条件，应用范围广。然而，扩大头锚索在膨胀土地区的应用及研究相对较少，本文基于成都膨胀土地区某深基坑桩护项目，阐述了该新型工艺的工作力学机制、施工工艺和工程价值，这对该工艺在膨胀土地区的进一步推广有实际参考价值。

图1 普通锚索结构示意

图2 扩大头锚索结构示意

2 工程实例

2.1 工程概况

拟建场地位于成都某一膨胀土地区，基坑支护周长约744m，面积约31 467.5m2，基坑开挖底标高为496～497.8m，基坑顶标高为506.7m，基坑深度为8.9～10.7m，安全等级一级，基坑重要性系数1.1，支护方式采用φ1.2m/1.5m@2m旋挖灌注桩+3s15.2钢绞线扩大头锚索的支柱体系。基坑临时支护结构使用年限为1年(自基坑工程竣工起)。

2.2 工程地质

场地土层为：第四系全新统填土(Q4ml)、第四系中下更新统冰水沉积(Q1-2fgl)的黏性土、粉质黏土、粉砂、含卵石粉质黏土、卵石及白垩系灌口组 (K2g)泥岩。各岩土层特征分述如下：

(1)第四系全新统。

填土(Q4m1)：褐黄色或暗灰色，主要由黏性土构成，含少量植物根，在场地内分布连续，层厚0.5～5.5m。

(2)第四系中下更新统。

①黏土(Q1-2fgl)：褐黄色或褐灰色，主要为硬塑状，局部为可塑状，干强度、韧性较高，无摇震反应，稍有光泽，裂隙较发育，其中间夹杂灰白色高岭土，以及含有少量的氧化铁矿物，层厚6.9～10.6m。②粉质黏土(Q1-2fgl)：褐黄色或褐灰色，呈可塑状，干强度韧性中等，无摇震反应，稍有光泽，其中夹杂灰白色高岭土，以及含有少量的氧化铁矿物，层厚0～5.5m。③粉砂(Q1-2fgl)：褐灰色，矿物成份以石英、长石为主，颗粒级配较差，只在场地局部地段分布，层厚0.6～4.4m。④含卵石粉质黏土(Q1-2fgl)：主要由粉质黏土与含20 %～40 %卵石组成，粉质黏土为可塑状，粘聚力较好，卵石由花岗岩、石英岩组成，卵石粒径一般为10～20mm。⑤卵石(Q1-2fgl)：含50 %～70 %卵石，充填物主要为细砂并包含少量黏性土，中密，局部夹有稍密卵石，卵石由花岗岩、石英岩组成，卵石粒径一般为10～30mm，最大粒径有50mm。

(3)白垩系灌口组。

①强风化泥岩(K2g)：紫红色，泥质结构，层状构造，岩芯主要呈碎块状，局部为短柱状，长度约为20～60mm，节理裂隙发育，夹有中等风化岩块或薄层。②中等风化泥岩(K2g)：紫红色，泥质结构，层状构造，岩层较完整，岩芯呈柱状、短柱状，长度约为15～30cm,最长长度达100cm,岩芯采取率为80 %～90 %，该层未穿透，最大勘探厚度达10m。

2.3 锚索施工机械

该工程采用两种成孔机械施工，一种为干成孔+高压旋喷扩孔模式(图3)，另一种为泥浆护壁+高压旋喷扩孔模式(图4)，两种模式的相同点是：成孔均分为两阶段施工，即引孔阶段和扩孔阶段。不同点是：第一种成孔模式在自由段和普通锚固段长度范围内成孔时，采用干成孔螺旋钻进，之后在扩大头锚固段采用高压旋喷扩孔；第二种成孔模式在整个引孔阶段均采用泥浆护壁钻进，钻杆利用其侧壁高压水孔向孔周边喷射水体形成泥浆护壁。

图3 干成孔作业机械

图4 泥浆护壁作业机械

3 扩大头锚索

3.1 扩大头锚索工作原理

岩土锚杆(锚索)技术规程中[13]，按锚索的力学作用机理将其分为拉力型预应力锚索和压力型预应力锚索，扩大头锚索是在普通压力型锚索的基础上创新发展的一种新型工艺。该工程采用的压力型扩大头锚索结构示意图如图5所示，其中自由段和普通锚固段直径均为200mm，扩大头段直径为500mm，锚索均采用3束钢绞线组成，锚固段架线环每隔1.5m设置一道，自由段每隔2m设置一道架线环，锚孔外预留1m张拉段。

图5 压力型扩大头锚索结构示意

其正常工作到破坏过程大致分为三个阶段：首先，基坑变形初始阶段，自由段锚索紧拉，普通锚固段与侧壁土体摩阻力开始发挥主要作用；其次，基坑变形较大时，普通锚固段和侧壁土体摩阻力逐渐达到摩阻力极限值，此时扩大头锚固段与侧壁土体摩阻力开始发挥主要作用；最后，扩大头锚固段发挥端承-摩擦综合效应直至锚索失去其功能，基坑变形严重破坏。

3.2 扩大头锚索工作力学机制

锚索抗拔力包括三部分，如图2所示。F1为普通锚固段和土体的侧阻力，F2为扩大头锚固段和土体的侧阻力，F3为扩大头初始端与土体的正压力。

F=F1+F2+F3

(1)

式中：F扩大头锚索抗拔力。

F1=πdLdτd

(2)

式中：d为普通锚固段直径；Ld为普通锚固段长度；τd为普通锚固段侧阻应力。

F1=πDLDτD

(3)

式中：D为扩大头锚固段直径；LD为扩大头锚固段长度；τD为扩大头锚固段侧阻应力。

F3=π(D-d)2σ

(4)

式中：σ为扩大头初始端压应力，由试验获得。

3.3 扩大头锚索施工工艺

扩大头锚索的施工工艺为：测量定位放点—钻机就位—引孔—高压旋喷扩孔(至少两道)—清孔—锚索下放—注浆(直至孔口出漏纯水泥浆)—锚索张拉锁定(注浆后至少10天)。相对普通锚索而言，扩大头锚索施工工艺多了高压旋喷扩孔阶段，此阶段的关键技术在于扩孔的顺序、次数、扩孔压力、扩孔速度的控制等。其中扩孔顺序是钻孔先钻至设计深度，然后上提至扩孔位置，先采用清水扩孔，从上往下进行扩孔，然后在用水泥浆从下往上复扩。其余技术参数见表1。

表1 压力型扩大头锚索施工关键技术参数

4 工程价值

4.1 拉拔试验结果分析

本次现场拉拔试验采用循环加载，循环次数为6次，位移取累计值。逐级循环荷载和累计位移关系曲线，如图6所示。设计要求试验张拉值按设计轴向拉力标准值的2倍进行，由图6和表2可知六级循环最大荷载为787.83kN，选取试验段锚索设计轴向力标准值为330kN，试验最大值达到了设计值的2.38倍，此时最大累计位移62.18mm，平均绝对位移10.30mm，结果远小于预警值25mm，结果证明该工艺施工效果安全性高。

表2 循环加载荷载及位移变化统计

图6 循环荷载-位移曲线变化

4.2 工程造价对比分析

普通锚索和扩大头锚索在工程造价方面也有一定的差异。普通锚索通常采用加大锚索长度或缩小锚索水平间距的办法来提高抗拔力。然而，增加锚索长度来提高抗拔力有两个弊端，一是在周边环境复杂，建(构)筑物密集的区域，锚索长度是有限度的，二是锚索长度和抗拔力在一定长度范围内是成线性增长，但超过某一长度值后对抗拔力的提升贡献不大，反而是工程造价大幅提升。锚索间距过小的弊端是会产生“群锚效应”降低锚索的工作性能。普通锚索提高抗拔力采取的两项措施均会使锚索工程造价大幅提高。两种类型各100根锚索的成本预算见表3。