有限循环压力注浆技术在锚固工程中的应用研究

李明

（江西省地质工程（集团）公司/赣中南地质矿产勘查研究院，南昌 330029）

1 引言

目前，工程领域锚固结构(包括锚杆、锚索)传统压浆方法均采用“一次单向压浆法”，但该法压浆存在不能有效控制浆液扩散范围及桩端浆液分布不均匀、可控性差等问题，长期以来，一直影响制约着锚固结构有效抗拔力的提高。在为解决此技术难题的背景下，江地集团课题组进行了大量理论研究，并结合实际工程项目试验攻关，开发完成了“锚固工程中有限循环压力注浆技术”，可大幅提高锚杆的有效抗拔锚固力，有效解决了传统“一次单向压浆法”的固有缺陷问题。

2 研究关键技术难题

针对锚固结构的一次单向压浆法现状及缺陷，本课题在以下2方面关键技术难题开展研究工作：

1）循环压力注浆锚杆承载性能机理分析；

2）有限循环压力注浆参数对结构锚固力的数值影响分析。

3 背景试验研究

3.1 试验场地概况

试验场地位于常州某工程项目地块内。场地地貌单元隶属长江三角洲冲湖积平原地貌，勘察深度内地基土自上而下地质情况为：（1）～（2）杂填土 /素填土；（3）粉质黏土 /粉质黏土夹粉土；（4）粉土夹粉质黏土；（5）a 粉质黏土；（6）粉质黏土；（7）粉土；（8）黏土；（9）粉质黏土；（10）a 粉质黏土；（11）粉质黏土；（11）a 细砂；（12）细砂；（13）粉质黏土；（14）细砂；（15）粉质黏土；（16）粉细砂；（17）粉质黏土；（18）细砂；（19）粉质黏土～黏土；（20）细砂夹中粗砂。

3.2 锚杆试验设计参数

为了解不同条件下循环压浆次数对锚固结构受力特性的影响[1]，在该试验场地设计了3组试验，共9根锚杆。压浆次数分1次、2次、3次和4次；锚杆长度分6m和9m 2种规格；锚杆直径分25mm、28mm和32mm 3种规格，1组/2组设在（2）层粉质黏土层，3 组穿过（2）层粉质黏土层和（3）层粉质黏土夹粉土层。为了解在拉拔荷载作用下，锚杆应力沿轴线分布情况，在锚杆上按一定间隔各设置了5个钢筋计。

3.3 锚杆循环注浆试验实施情况

3.3.1 循环注浆工艺

循环注浆工艺流程如下：（1）锚孔施工；（2）循环注浆管路与锚杆绑扎在一起，循环注浆装置距锚杆末端50cm，注浆管绑扎在锚杆端部；（3）锚杆安放后，进行第一次注浆；（4）待浆液初凝后（3～4h）进行第二次注浆；（5）第二次注浆后5～6h进行第三次注浆；（6）第三次注浆后5～6h进行第四次注浆；（7）卸下注浆接头。

3.3.2 准备工作与浆液的配制

准备工作与浆液配制应注意以下事项：

1）压浆管于安装前应进行清洗，以清除管内杂物；

2）压浆前，进行压浆管及接头耐压试验，并认真检查高压设备及管路系统，确保设备正常运转；

3）压浆水泥采用P·O42.5或P·O32.5普通硅酸盐水泥，可根据需要加入外加剂。浆液水灰比：第一次注浆，0.5；第二次、第三次、第四次注浆，0.5～0.6。浆液配制程序：先放水，再加外加剂，搅拌均匀后加水泥；

4）严格控制浆液配比，搅拌时间不少于2min，浆液应具有良好的流动性，不离析，不沉淀，浆液进入储浆桶时必须用16目纱网进行2次过滤，防止杂物堵塞压浆孔及管路；

5）试桩浆液最终配方必须通过现场试配确定，确认达到性能指标后，再付诸使用。

3.3.3 锚杆循环注浆装置

锚杆循环注浆装置[2]由注浆管和循环注浆器构成,其中循环注浆器为江地集团开发的“水清式多次循环注浆器”专利技术(专利号：ZL2010 2 0646674.6)。

1）注浆管。注浆管为2根，分别为进口管和出口管，直径20mm，采用黑铁管或胶质管，要求最大耐压5MPa。本次试验采用黑色胶质管；

2）循环注浆器。安装于进口管和出口管底部，将注浆管连接为1个回路。循环注浆器为一“U”形结构，在侧壁布置5～8排φ6～8mm对穿孔，每个钻孔单独制作，形成1个类似单向阀作用细微孔。其构成由3层组成： 第一层为逆止孔；第二层为弹性密封层；第三层为固定保护层。专利技术“水清式多次循环注浆器”。

注意事项：（1）制作前，压浆管密封部位应用细砂纸打磨；（2）施工前注浆器应进行地面试压试验，如图1所示。

图1 水清式多次循环注浆器(专利产品)

3.3.4 锚杆循环注浆技术要点

1）确保钻孔施工质量。安装锚杆拉筋时，确保不损坏压浆管路，不得强行扭转和冲撞。

2）压浆管路清洗要点：（1）进浆口压浆时，打开回路的出浆口阀门，先排出注浆管内的清水，当出浆口流出的浆液浓度与进口浆液的浓度基本相同时，关闭出浆口阀门，开始注浆；（2）每循环压浆完成后立即用清水彻底冲洗干净，再关闭阀门；（3）在每一循环压浆过程中，必须保证压浆施工的连续性，压浆停顿时间超过30min，应对管路进行清洗。

3.3.5 锚杆循环注浆试验情况

本研究项目在江浙沪地区展开了多次有限循环压力注浆锚固工程试验。以下以常州某项目深基坑支护体系工程为例，介绍锚固试验情况。

试验时间为2017年11月21日06:40～11月22日02:37，对直径分别为φ25mm、φ28mm、φ32mm、长 6m、9m的3组共9根锚杆展开4次循环压浆对比试验工作。本次试验情况如下：

1）注浆设备：采用YSB-2型挤压式注浆机。有关参数：排浆量 1.2～1.8m3/h，工作压力2.0MPa，电机功率2.2/2.8kW，输送高度50m，输送距离150m，质量250kg。

2）试验工作内容：锚孔成孔、清孔、锚杆机注浆装置放置、4次循环压力注浆（之间清洗管路）、封堵自然养护。

3.4 锚杆拉拔现场试验

待3组共9根锚孔压浆自然养护28d后，即可对锚杆的锚固力进行拉拔试验，拉拔试验情况如下。

3.4.1 锚杆拉拔试验现场介绍

试验锚杆在基坑中的竖向分布布置。循环压浆试验施工分为：锚孔成孔、锚杆与循环注浆装置安装、注浆管路连接、锚孔循环压力注浆、锚杆拉拔试验等工序。

3.4.2 锚杆拉拔试验原理与方法

1）锚杆拉拔试验原理

锚杆拉拔试验的主要设备包括穿心千斤顶、油泵、百分表和承载板等。加压时，千斤顶以坑壁提供的反力向外拉锚杆，从而得到不同拉拔力作用下的位移值。

2）拉拔试验方法

采用循环加载，初始荷载宜取fptk的0.1倍，每级加载增量宜取fptk的1/10～1/15；在每级加载观测时间内，当锚头位移增量不大于0.1mm时，可施加下一级荷载；不满足时应在锚头位移增量2h以内小于2mm时，再施加下一级荷载。

加载锚杆试验终止条件：（1）后一级荷载产生的锚头位移增量达到或超过前一级荷载位移增量2倍；（2）某级荷载下锚头总位移不收敛；（3）锚头总位移超过设计允许位移值。

3.4.3 锚杆拉拔试验结果

压浆工程完成1个月后，锚杆拉拔试验从2017年12月21日15：20开始，至2017年12月26日14：25结束，共对3组12根锚杆进行了试验。

3.4.4 锚杆拉拔试验结果分析

根据现场试验结果，对同一排同长度的锚杆在不同压浆次数情况下得到的极限承载力对比结果如表1所示。

试验表明,采用有限循环压浆技术后，锚杆极限拉拔力大幅提高。由表1试验结果分析， 可初步得出以下有限循环压浆锚固力数值规律：

1）第一组：2次压浆比 1次注浆提高 68.3%，3次压浆比2次注浆提高48.5%，3次压浆比1次注浆提高144.05%～150%；4次压浆比3次注浆提高4.57%；4次压浆比1次注浆提高167.14%。第二组：2次压浆比1次注浆提高22.0%，3次压浆比2次注浆提高100.7%，3次压浆比1次注浆提高142.04%～144.9%；4次压浆比3次注浆提高7.33%；4次压浆比1次注浆提162.85%。第三组：2次压浆比1次注浆提高54.5%，3次压浆比2次注浆提高94.2%，3次压浆比1次注浆提高190.75%～200%；4次压浆比3次注浆提高6.25%；4次压浆比1次注浆提218.75%。

2）根据上述试验数据表明，极限拉拔力提高幅度与循环压浆次数有极大关系：（1）3次内循环压浆效果：第一组和第二组长度6m锚杆：3次相对1次提高幅度接近为142.04%～150%；第三组长度12m锚杆：3次相对1次提高幅度接近为190.75%～200%。（2）4次内循环压浆效果：第一组和第二组长度6m锚杆：4次相对1次提高幅度接近为161.43%～162.85%；4次比3次压浆提高4.57%～7.33%；；第三组长度12m锚杆：4次相对1次提高幅度接近为218.75%，但4次比3次压浆提高6.25%，与前2组相差不大。

4 研究结论

通过本项目大量试验研究得出以下主要结论：

表1 锚杆拉拔试验结果对比表

4.1 循环压力注浆锚杆承载性能机理结论

第一次注浆起填充作用，第二次～第四次注浆为后压力注浆[3]。二次后压力注浆为劈裂注浆：提高锚固力的机理是在不增大钻孔直径的基础上,通过高压注浆，使浆液对一次注浆形成的锚固体及其周围土体产生劈裂充填作用，使锚固段浆体的直径得到有效增加，同时将原来浆体与孔壁岩土体的平整的面接触改变成浆脉状的锯齿形接触，从而明显地提高了锚固段的抗剪强度，大大提高了锚杆的承载力。

4.2 有限循环压力注浆参数对结构锚固力的数值影响结论

根据试验结果分析， 可初步得出有限循环压浆锚固力数值规律结论：

1）三次循环压浆锚固力值提高非常显著：二次较一次/三次较一次压浆锚固力值平均约提高0.5～2倍，锚固力与压浆次数呈非线性倍数增长； 四次循环压浆锚固力值提高不明显：四次循环压浆虽然也能提高锚固力值，但从3组数据看，四次较三次仅仅提高4.57%、7.33%及6.25%。

2）有限循环压浆锚固施工建议：循环压浆次数不是循环次数越多越好，施工循环压浆次数不宜过多是有限的，根据试验建议控制在3次为宜，此状态下力学效果与经济成本之比最佳，如压浆次数再增加到4，5，…，n次，锚固力虽有增加，但数值有限，却大幅度增加材料、工时等施工成本，效费比极差。据此，建议根据工程实际情况，压浆次数控制在3次以内的有限循环,以保证项目的技术效果与经济成本的综合平衡性。