可回收快锚扩体锚杆结构的提出及试验研究

2022-06-08刘国盛

地震工程学报 2022年3期

刘国盛,连博

(1.兰州理工大学甘肃省土木工程防灾减灾重点试验室,甘肃兰州 730050;2.西部土木工程防灾减灾教育部工程研究中心,甘肃兰州 730050)

0 引言

我国是一个多地震的国家[1]。地震产生的地质灾害和岩土工程问题时有发生,特别是2008年汶川地震后,地震作用下边坡稳定的问题引发了学术界高度关注,使支挡结构在抗震性能方面的研究和新型抗震支护结构的研发进入了快速发展的阶段[2]。同时,随着国家对绿色发展理念[3-4]的重视,对现行的建筑材料及施工技术和管理提出了新的要求[5-6]。锚杆支护作为岩土锚固技术的重要手段[7],虽然可有效解决不稳定土层的锚固问题,但因工程支护结束后大量锚杆被废弃于地下岩土体中,造成资源极大浪费的同时也“污染”了地下空间环境[8];繁琐的工艺,较高的技术要求,使工程质量得不到很好的保证;随着边坡规模的变大变陡,普通锚杆锚固性能已显得心余力绌,而逐渐被其他技术所替代。扩大头锚杆的出现虽然在一定程度上缓解了普通锚杆锚固力不足的缺陷,但对地下施工超越建设“红线”和地震作用下支挡结构抗震问题还没有有效的解决方法[9],致使建筑工程中对普通扩大头锚杆的应用有了一定程度的局限。而可回收快锚扩体锚杆正是克服了上述锚杆的技术缺陷,利用可回收锚杆的优点与扩大头锚杆的锚固优势而提出的一种新型锚固结构。

目前,国内外虽然有一些可回收锚杆的专利,但其理论研究和应用还相对较少,这项新技术理论的研究仍处于起步阶段。有学者试图通过理论分析,数值模拟及试验来探究各种可回收锚杆的力学特性[10]。王国庆等[11]通过创新,将锚杆与气囊相结合,设计出了新型可回收锚杆,通过试验分析验证得出,由于锚杆没有与浆体接触,并不能使锚杆的锚固力得到增加;康全玉等[12]较详细地介绍了新研制的粘结式杆体全长可回收树脂金属锚杆的结构并对其做了现场试验,通过试验数据分析,也未说明可回收锚杆对于传统锚杆在其承载力方面的优势;庞有师等[13]根据大量工程实践经验自主开发了一种新型可回收式锚杆专利技术,通过对其进行现场抗拔试验研究和有限元模拟得出该可回收锚杆具有较高的承载力。邵孟新等[14]在稍密以上的中粗砂层和坡残积土层中,对高压喷射扩大头锚杆进行了现场试验,得出其抗拔承载力是很大的,采用超过1 000 kN以上的设计抗拔力是可行的。刘剑平等[15]对扩体锚杆承载特性进行了研究,通过现场试验得出了扩体锚杆与普通锚杆相比,扩体锚杆极限承载力提高明显;陈杨[16]通过对国恒西溪公馆基坑支护中采用的可回收浆囊式锚杆进行现场试验,表明浆囊式浆液锚杆可大幅度提高锚杆的抗拔力。张继红[17]通过研究伞式自扩锚后指出该锚达到极限抗拔力需要较大的拔出位移,可以通过自扩再沿拉杆灌浆,形成扩孔型灌浆锚杆,以进一步获取更大锚固力。以上学者对不同类型的锚杆进行了研究,对扩大头锚杆在其承载力方面的优势均作了相应说明,但对可回收锚杆在其承载力方面并没有明确结论表明其相较于传统锚杆存在明显优势。

现有的可回收锚杆虽然能够进行回收,但其多数只是对杆体部分进行回收,如我国自主研发的U形可回收锚索、日本国土防灾株式会社开发出的JCE型可回收锚索、日特建设公司研制的一种自行切断式可回收锚索都只能对杆体部分进行回收。此外,可回收锚杆的可回收性与其承载力的提高是相互矛盾的,承载力的提高依赖于更大的锚固单元与索体面积,但更大的锚固单元与索体面积往往会增加回收的困难性。同时锚杆(索)在回收的过程中通常需要更大的拉拔力来进行,这必然造成对锚杆(索)的损伤,影响其二次使用的效果和安全性。

综上所述,本文通过克服传统锚杆、扩大头锚杆及可回收锚杆存在的不足,提出了一种可快速形成锚固力、承载能力好、能完整回收、可重复利用、环保节能,对杆体无损伤的可回收快锚扩体锚杆,为快速治理因地震等发生的边坡自然灾害、保护地下环境、深基坑开挖等问题提供了一种全新的锚固结构,并阐述其构造和工作原理;对该结构进行现场试验对其承载力进行验证,为今后在工程实际应用中提供理论依据。

1 可回收快锚扩体锚杆的提出及工作原理

1.1 结构构造

可回收快锚扩体锚杆结构由承载构件及辅助构件两部分组成,其中承载构件包括锚头和钢绞线(螺纹杆),辅助构件由内、外套管组成,其结构组成与剖面如图1所示。锚头由承力板、转轴、空心螺栓杆,支座和齿盖构成。支座外截面呈六边形,内截面为圆形车削螺纹;将承力板套于转轴后嵌于支座凹槽内,通过齿盖与螺栓将四部分连接成一整体;钢绞线(螺纹杆)的一端设有球形扩大头,另一端穿过空心螺栓杆,空心螺栓杆与支座通过螺纹连接形成锚杆。

图1 可回收快锚扩体锚杆结构Fig.1 Structure of retrievable quick underreamed ground anchor

1.2 工作原理

可回收快锚扩体锚杆是结合可回收锚杆能够重复利用的优点及扩大头锚杆锚固优势,克服两者各自的缺陷,集快速锚固、承载力高、可重复利用等优点于一体的新型锚固结构,其工作原理主要包括以下两个部分。

(1) 支挡锚固原理

可回收快锚扩体锚杆采用承载能力较好的微磁力刚性锚头与柔性锚索(杆)的结合,能够更好地适用于各种地质及支护变形的控制,在钻孔完成后采用双套管导向定位,利用套管双向作用力和反作用力原理在孔底展开锚头使用即可。在施作锚杆时外套管套在支座上固定,内套管穿过钢绞线(螺纹杆)套在空心螺栓杆上,通过内套管的旋转,促使空心螺栓杆顶升承力板,使其像花瓣一般在孔壁内展开。在承载板展开的过程中,对孔壁周围的土体进行剪切和挤密,同时形成扩大头,实现对坡体的锚固。

(2) 作用力与反作用力原理

待锚杆完成支护任务后,卸除锚具和垫板,外套管套在支座上固定,内套管穿过螺纹杆(钢绞线)套在空心螺栓杆上,通过内、外套管作用力与反作用力使得锚头展开进行锚固支护或卸载支撑锚头展开的力,使向外拔锚杆(索)时能够在土体约束作用下承力板自动收缩,进而顺利拔出锚杆(索),实现锚杆的回收。再者,通过内外套管的配合可以对锚杆的锚固进行精准定位使其处于钻孔中心轴线,更利于锚杆发挥其承载能力。

1.3 可回收快锚扩体锚杆的受力机理

可回收快锚扩体锚杆的工作机制是利用可回收锚杆的可回收特性,扩大头锚杆展开可获得更大抗拔力,提高边坡稳定性等原理所研发。根据该锚杆的拉拔力与土体相互作用的情况可将其受力机理分为3 个阶段:

第1 阶段:可回收快锚扩体锚杆展开后在较小的荷载作用下,承力板近端土体处于弹性压缩阶段,此时锚杆外拔位移小,承力板近端土体对其的阻力还未完全发挥,土体应力均小于该点的抗剪强度,锚杆未发挥其全部作用,将这一阶段视为土体的弹性压缩阶段。

第2 阶段:当锚杆拉拔力荷载大于一定数值时,从承力板边缘开始,某点或某小区域内的各点发生剪切破坏,剪应力等于该处土的抗剪强度,土体处于屈服极限平衡状态,此时的荷载可视为锚杆的极限荷载也就是锚杆的极限抗拔承载力,这一阶段为土体的剪切阶段。

第3 阶段:当锚杆拉拔力进一步增大,承力板两侧以下土体塑性区贯通并连成一片,承力板上、下侧土体挤出,此时很小的荷载增量都会引起很大的外拔位移,这个位移主要不是由土的压缩引起的,而是由锚头近端土体的塑性流动引起的,使其完全丧失锚固能力而处于失效状态,称为土体的流塑阶段。

1.4 优势及适用性

可回收快锚扩体锚杆结构各个配件可进行工厂化制作,安装拆卸方便快捷,完全依靠机械扩张获得锚固力。其钻孔直径要比普通锚杆小,成孔容易,减少了注浆工序及其他不必要的施工工序,同时省去了浆液形成锚固力的时间,大大缩短了施工时间。能够在短时间内快速获得可观的抗拔承载力,是一种既能回收再利用又能够获得较大承载力的锚固结构。其施工速度快,工艺简便,节约物资人力及时间成本。

基于以上优点,该型锚杆更加适用于为快速治理边坡灾害、保护地下环境、深基坑开挖,可以适用于机械扩孔的土质边坡及隧道中。

2 现场试验

2.1 试验仪器及设备

试验过程中所用到的施工机械包括装载机、挖掘机、小型压路机及电动夯锤。锚杆拉拔仪器采用北京天地星火产XH-50T锚杆拉力计,测量范围 0～500 kN,油缸中心孔径仪器设备由手动泵、液压缸、数显压力表、高压油表、锚具、垫板组成。数据采集仪器使用北京天地星火产XHYL-60锚杆综合参数测定仪。试验场地的土体物理力学性指标如表1所列。

表1 边坡土体力学参数Table 1 Mechanical parameters of slope soil

2.2 抗拔试验方案

考虑试验条件及材料的相关性能,结合工程实际应用条件确定试验方案。按试验设计方案并综合考虑对比效果,试验锚杆共分为5组,前4组锚杆为新型锚杆,每组各有完全相同的3根锚杆。第5组锚杆是现场预制的砂浆锚杆,用于与可回收快锚扩体锚杆试验数值的对比分析。具体设计情况可见表2,其中新型锚杆试件尺寸为锚头半径长度与锚杆长度,传统锚杆长度为锚固段半径尺寸和锚固长度。图2为锚杆平面布置图,图3为锚杆拉拔现场试验图。

表2 锚杆结构设计参数Table 2 Design parameters of bolt structure

图2 锚杆平面布置图Fig.2 Layout plan of anchor bolt

图3 锚杆拉拔现场试验图Fig.3 In-situ pull-out test of bolt

2.3 试验结果分析与讨论

通过对可回收快锚扩体锚杆进行抗拔试验,试验结果见图4及表3所示。

(1) 可回收快锚扩体锚杆Q-S特征曲线分析

根据《公路挡土墙设计与施工技术细则》规定,局部破坏抗拔力由锚定板拉拔试验得出的荷载-位移曲线确定。在荷载-位移曲线中,若施加荷载接近极限抗拔力时位移会出现突然增大的现象,荷载-位移曲线出现拐点,斜率突然增大,故以荷载-位移曲线中拐点或者直线段的起点作为局部破坏抗拔力。本次试验以此为判定依据。

图4(a)为第1组试验的三根可回收快锚扩体锚杆拉拔试验。可以看出可回收快锚扩体锚杆1号在小于58.3 kN荷载作用下,位移基本呈线性增长趋势,变化趋势比较平缓,增长比较缓慢,此阶段可以看作承载板近端土体处于弹性压缩阶段,此时外拔位移小,土体对其的阻力还未完全发挥,土体应力均小于该点的抗剪强度,可将此荷载视为锚杆的弹性极限荷载。

图4 锚杆荷载-位移曲线Fig.4 Load-displacement curves for the anchors

当荷载大于58.3 kN小于91.3 kN时,外拔位移速度明显增大,位移呈现非线性增长趋势。此阶段可以看作承载板近端土体处于剪切阶段,承载板边缘局部区域的土体中剪应力等于该处土的抗剪强度,土体处于塑性极限平衡状态,此时的荷载可视为土体的塑性极限荷载,也就是锚杆的极限抗拔承载力。

当荷载大于91.3 kN时,外拔位移增长速率进一步显著增大,位移呈现线性快速增长趋势。此阶段可以看作锚杆近端土体处于流塑阶段,锚头内侧土体塑性区贯通并连成一片,承载板近端土体挤出,此时很小的荷载增量都会引起很大的外拔位移。这个位移主要不是由土的压缩引起的,而是由承载板下部(坡体一侧)土体的塑性流动引起的。

其余11根可回收快锚扩体锚杆拉拔试验结果虽然不同,但荷载-位移曲线的增长变化趋势大致相近(图4及表3)。

表3 锚杆抗拔力对比表Table 3 Comparison between pullout force of bolt

(2) 锚杆极限承载力的对比分析

本文通过砂浆锚杆与可回收快锚扩体锚杆一同进行拉拔试验,以验证可回收快锚扩体锚杆在实际工程的实用性。通过两种锚杆拉拔后数值的对比可知,直径0.1 m、锚固段长4 m、总长8 m的砂浆锚杆与锚杆长6.3 m、埋深3.5 m、锚头半径0.2 m的可回收快锚扩体锚杆的承载力相近。由表3可以看出锚头部位的承载板能够有效承担拉拔荷载,锚头半径越大,端阻力越大,土体产生破坏时的抗拔承载力较大。

对比两种锚杆的拉拔位移可以发现,可回收快锚扩体锚杆与普通锚杆的破坏方式完全不同。由于可回收快锚扩体锚杆锚头在拉拔过程中应力扩散角较大,影响周边土体的范围较大,在拉拔过程中承载力不断提高,当影响范围达到最大时,锚杆承载力达到极值。同时越小的锚头对土体的剪切会愈加严重,它的破坏表现为对土体的剪切破坏,锚头不发生明显变化,锚杆从土体中被拉出。而较大的锚头对土体的剪切不严重,它的破坏表现为锚头与杆体间的分离,同时锚头出现较大的形变,连接部位被拉断,表现为拉力的快速减小,锚杆体从土体中被拉出。普通锚杆承载力主要来自于其圆柱状锚固段与周边土体的侧摩阻力,其应力扩散角较小,当锚固体周边土体出现塑性区时,锚固段与周边土体开始发生滑移,表现为锚杆承载力减小,当塑性区继续扩大时锚固体开始滑动,锚杆承载力急剧下降,直至锚杆被拔出。

经过上述试验值对比分析,证明可回收快锚扩体锚杆在承载力方面可以替代传统砂浆锚杆进行锚固支护。这为今后锚固技术的选择,提供了一种全新的结构和思路。

(3) 技术经济对比

通过对比新型锚杆与传统锚杆可知,同位置处普通锚杆相较于可回收锚杆长度较长,但可提供承载力与传统支护结构相当,可回收快锚扩体锚杆钻孔直径比普通锚杆小,成孔容易,可回收锚杆利用承力板在钻孔中扩展获得抗拔力,无需注浆作业,节约资源、降低施工难度、减少注浆同时也减少人力资本的投入。

例如按正常锚杆的成孔、注浆等工序计算其成本,参考《甘肃省建筑工程预算定额(2013)计算规则》,可大致得到一根孔径100 mm,长7 m的,采用钢筋的灌浆锚杆采用锚头半径10 cm可回收快锚扩体锚杆,其制作成本为340元/个,人工费42.17元/m,锚杆采用φ22的HRB400螺纹钢11元/m,两者进行对比,一次使用可回收快锚扩体锚杆成本相较与传统锚杆有所增加,但相比可重复使用的次数及每次分摊的成本分析,可回收快锚扩体锚杆节省成本的潜力巨大。

综上所述,可回收快锚扩体锚杆,施工速度快,承载力满足需求,可重复使用,经济效益长期来看较好,故采用可回收快锚扩体锚杆对该边坡进行支护在经济技术角度来说是比较划算的。