深厚淤泥地质条件下拉压应力锚杆试验分析研究与应用

刘晓英 刘 敏 贾世祥 刘晓林

1. 青建集团股份公司 山东 青岛 266011；2. 青岛地质工程勘察院（青岛地质勘查开发局） 山东 青岛 266000

临海区域的深基坑逐年增多，在施工中深基坑出现的困难也是复杂多样的。锚杆的应用在深基坑支护中起着举足轻重的作用，由于受周围场地或建筑物的影响，在锚杆设计中经常采用拉压结合的方式，但在淤泥地质条件下，拉、压应力锚杆是施工的难点，施工时经常难以达到设计要求[1-3]。本文依托某会展深基坑工程，针对淤泥地质条件锚杆进行试验，总结的施工经验具有一定的借鉴价值。

1 工程概况

某会展中心包括展馆及部分配套会议、酒店、办公和商业设施，总建筑面积约45.5万 m2，其中地上建筑面积约35.5万 m2，地下建筑面积约10万 m2。拟建酒店（地上15层、地下3层）、办公楼（地上15层、地下3层）、展厅（地上1ü 2层、无地下）、中厅（地上3层、地下3层），基坑开挖深度2.70～11.85 m。

酒店、办公楼、中厅等基坑工程采用预应力锚杆施工工艺，设计锚杆1～2道，长度19.0～28.0 m，锚筋选用φ15.2 mm钢绞线。锚杆按临时锚杆设计，分拉力型锚杆和压力型锚杆这2种类型，典型支护剖面如图1、图2所示。

图1 办公楼5单元支护剖面示意

图2 中厅4单元支护剖面示意

2 工程地质条件

1）水文地质条件：勘察期间属枯水期，钻孔中见地下水，地下水类型主要为第①层填土中的孔隙潜水，场区地下水主要接受大气降水补给。勘察期间测得钻孔内稳定水位埋深0.10～2.10 m，水位标高0.71～3.43 m，年变幅1～2 m。场区近3～5年最高地下水位标高4.00 m。

2）工程地质条件。地形：场区原为养殖池，场区北部已回填整平，场区南部以养殖池为主，地势较低，勘察期间对场区南部钻孔所在位置进行了回填整平，勘察期间孔口地面标高1.69～4.96 m。地貌：场区原地貌为滨海浅滩，后经人工回填改造。根据钻探揭露，场区第四系主要由全新统人工填土、全新统海相沼泽化层及上更新统洪冲积层组成，场区基岩主要为白垩系青山群安山岩。勘察共揭示了6个主层、10个亚层，地层描述以层为单位。

3）场区分布的软土主要以流塑状态的淤泥质土为主，厚度4～7 m。

3 拉应力和压应力锚杆试验分析

3.1 试验目的

1）工艺性试验，验证在该场区各类地层中锚杆成孔、注浆、钢绞线及承压板安放等操作可行性。

2）验证设计估算的锚杆承载力能否达到设计要求。

3）锚杆拉拔至破坏，得出地层的极限锚固力，以便设计优化调整锚杆参数。

3.2 第1次试验数量及位置

共施工试验锚杆11根，其中10根具备试验条件，1根锚杆（编号ZG1-拉）反力座不具备张拉条件。

酒店基坑试验锚杆：试验锚杆6根，其中压力Ⅰ型锚杆4根，拉力型锚杆2根。锚杆位于酒店东南侧3单元处。

中厅基坑试验锚杆：试验锚杆4根，其中压力Ⅱ型锚杆3根，拉力型锚杆1根。锚杆位于3单元南侧。

3.3 试验锚杆参数

试验锚杆参数见表1、表2。

表1 酒店锚杆试验参数

表2 中厅锚杆试验参数

3.4 锚杆基本试验

根据JGJ 120ü 2012《建筑基坑支护技术规程》[1]进行现场破坏性试验，测定锚杆极限荷载。压力型锚杆张拉时按照承载体从里到外的顺序逐个张拉，每个承载体拉至破坏后，再张拉下一个，以便得出每个承载体的极限承载力值。每个承载体承担锚杆的加载值取预应力张拉值/承载体个数。

3.5 试验数据

根据锚杆极限抗拔试验结果绘制了荷载-位移曲线，部分详见图3。

图3 荷载-位移曲线

3.6 试验结果分析

1）试验情况分析：酒店和中厅的拉力型锚杆承载力较高，高于设计要求的轴向拉力设计值700、450 kN；压力型锚杆承载力较低，与设计要求轴向拉力设计值仍有一定差距；通过对锚杆JG4-压、JG5-压、JG6-拉的3组试块进行无侧限抗压强度试验，其强度在30～38 MPa，基本满足设计要求；试块抗压强度普遍较低，强度为17～24 MPa；通过在将ZG4-压锚杆的承载体2强行拉出的过程中发现，并没有相应的水泥浆锚固体被带出，即压力型锚杆承载体与锚固体之间的黏结情况达不到设计要求。综合分析，拉力型锚杆极限承载力较高且均匀稳定，可以看出拉力型锚杆在该地层中同一施工条件下质量稳定可靠。压力型锚杆总体承载力偏低，且不稳定，同一根锚杆不同承载板间承载力差别很大，压力型锚杆在该淤泥地质条件下承载力离散型较大。

2）问题分析：由于施工所用水泥浆、工艺、设备、操作人员等均一致，在这种情况下拉力型锚杆承载力明显大于压力型锚杆，故认为该淤泥地层中采用拉力型锚杆更为适合。

在将ZG4-压锚杆的承载体2强行拉出的过程中未发现柱状锚固体，分析是由于对中支架过小，锚杆在钻孔中不能实现居中，杆体贴近钻孔下缘，导致承载力较低。压力型锚杆未能达到设计要求张拉力，首先需要从施工角度进行问题分析，同时进行了受力模拟试验。制作了3根压力型锚杆，模拟锚杆在土体内的情况进行试验，第1根为钢绞线偏心，第2根为锚固头偏心，第3根为正常受力。第1根锚杆张拉失败，钢绞线未锚固好，直接被拉出。锚杆锚固体无裂缝。第2根锚杆设置为钢绞线偏心，张拉后水泥浆锚固体出现弯曲，然后在锚固体部位开始出现裂缝，水泥浆体开始碎裂，直至破坏。

通过试验看出，钢绞线及锚头偏心受力是压力型锚杆失败的一个主要原因，对中支架太小，无法真正起到对中的作用；另外本工程锚杆长度长，最长的达到24 m，所使用的套管钻机的能力已经接近极限，因淤泥质土层太软，钻杆钻进过程中会出现向下偏移的情况，也会使得锚杆张拉时出现偏心受力的情况；锚杆注浆质量，浆体饱满程度，浆体强度是否达到设计要求，均使得压力型锚杆可能无法达到设计抗拉强度。

4 结语

综合以上2次试验结果，得出如下结论：

1）在深厚淤泥地质条件下，受力最稳定的是拉力型锚杆。因受力形式的不同，拉力型锚杆全长有黏结，通过张拉钢绞线使得整个锚固浆体与土体产生的摩擦力来抗拉，因此地质情况对锚杆的影响相对较小；压力型锚杆是通过张拉钢绞线作用力在锚杆内部的锚固体上，通过锚固体来挤压锚杆浆体锚固体而产生抗拉力，因此是通过局部锚固体反压的形式来受力。试验表明，锚杆的长度、锚杆的安放、注浆的时间和强度等都会对压力型锚杆最终的抗拉力产生较大影响。影响因素这么多，使得锚杆的受力很不稳定，同时因锚杆太长，对钻机的要求非常高，所以普通压力型锚杆在这种深厚淤泥地质下受力很不稳定，在本工程中未能达到设计受力要求。

2）压力型锚杆的受力形式相对复杂，因此整个锚杆施工中每一步都需要严格控制施工质量。同时压力型锚杆不易设置过长，本工程中压力型锚杆长度最长达到24 m，以现有的锚杆钻机，如此长度下全套管跟进施工，支撑杆件的支撑强度已经达到极限，很难保证整个锚杆孔体成形质量，一旦出现向下弯曲的情况，对后续锚杆受力将产生较大影响。因此压力型锚杆的施工长度宜控制在18 m以内。

3）压力型锚杆的对中支架的选型，安装固定方法对锚杆最终受力的影响较大。试验分析锚杆在孔体内的偏心程度对锚杆拉力影响很大，对中支架是控制锚杆在孔洞中位置的唯一措施。对中支架首先不能太小，与孔洞大小必须相符，同时还要考虑能否顺利安装到位，本工程后续调整对中支架直径为170 mm。然后对中支架需要牢固地安装在锚杆上，在将钢绞线固定的同时也能够保证自身的位置。