公路护坡用变直径钢筋笼扩大头锚杆受力特性试验研究

黄家建

（柳州市城市投资建设发展有限公司，广西 柳州 545000）

0 引言

锚杆支护是在边坡、岩土深基坑等地表工程及隧道、采场等地下硐室施工中常见的一种加固支护方式。常规锚杆用金属件、木件、聚合物件或其他材料制成杆柱，打入地表岩体或硐室周围岩体预先钻好的孔中，利用其头部、杆体的特殊构造和尾部托板（亦可不用），或依赖于粘接作用将围岩与稳定岩体结合在一起而产生悬吊效果、组合梁效果、补强效果，以达到支护的目的，具有成本低、支护效果好、操作简便、使用灵活、占用施工净空少等优点。由于普通锚杆的扩体锚固段与杆体的粘接效果比较有限，抗拔力偏小，而采用变直径钢筋笼扩大头锚杆，可显著提高其抗拔力[1]。本文重点通过试验来研究变直径钢筋笼扩大头锚杆抗拔承载力特征。

1 工程地质概况

根据融安至从江高速公路一期工程（融安至安太段）地质资料及工程地质调绘成果，结合钻探揭示的岩性特征，高边坡路段地层在揭示深度范围内由第四系残坡积（Q4el+dl）、上板溪群合桐组下段（Ptbh1）绢云板岩组成，场址岩层产状为270°∠35°，呈强、中、微风化状态，揭露深度50.0m地层岩性自上而下依次为：

（1）黏土（Q4el+dl）：黄色，硬塑状，无摇震反应，手按无明显凹痕，含角砾约40%，角砾砾径多为10～50mm，无磨圆度。该层分布在斜坡表层，揭露层厚2.3m，根据土工试验结果，该层土非特殊性岩土，土石工程分类为Ⅱ级普通土。

（2）强风化娟云板岩（Ptbh1）：灰红色，泥质结构，板状构造，强风化节理裂隙强烈发育，岩体破碎，进尺较快。难取岩芯，多数呈粉砂状、碎块状少量短柱状，取芯率较低。钻孔揭露16.70m，取岩样1组，经点荷载试验换算岩块饱和单轴极限抗压强度（Raj）：1.76MPa，属Ⅳ级软石。

（3）中风化娟云板岩（Ptbh1）：灰黑色，泥质结构，板状构造，节理裂隙较发育，岩体较为完整，岩芯呈碎块状或柱状，进尺稍快，返水正常，岩芯采取率约60%。钻孔揭露15.5m，取岩样1组，经试验得岩块饱和单轴极限抗压强度（Raj）：9.85MPa，属Ⅳ级软石。

（4）微风化娟云板岩（Ptbh1）：灰色，微风化，泥质结构，板状构造，节理裂隙微发育，岩体完整，钻进进尺平稳缓慢，岩芯呈长柱状，少量呈机械碎块状，岩芯断面新鲜，岩石较硬，敲击声清脆，岩芯采取率为82%。钻孔揭露15.50m，取岩样1组，经试验得岩块饱和单轴极限抗压强度（Raj）：24.53MPa，属Ⅴ级次坚石。

变直径钢筋笼扩大头锚杆应用研究选择融安至从江高速公路一期工程（融安至安太段），K 线K40+380～K40+560段右侧，长约180m的边坡。

2 变直径钢筋笼扩大头锚杆施工工艺

（1）锚杆钻机调试：调节孔位置，调节夹头角度，并将夹头固定好。

（2）扩大头锚杆钻孔：用钻杆和旋喷式钻头进行钻孔到扩大端部。

（3）高压喷射扩孔：把一个高压抽水机连接到一个干净的水池上，并把它开启到一个预定的压力（孔的直径由水压力调节），起动螺旋钻，使高喷射钻具上下移动，从而达到膨胀的压力。

（4）复喷扩孔：把高喷的钻头从顶部移动到变直径钢筋笼扩大头锚杆的顶部，然后再按反时针方向旋转，进行复喷扩孔。

（5）高压喷射注浆：将高压水泵与水泥浆水池（水灰比1.0～1.5）相连，并使用锚固装置。然后，利用钻具带动高喷射井口旋转和上升，从而实现对高喷射井口进行高压注浆。

（6）钢套管跟进护臂：将钻头从井底拔起，并用钢套筒对其进行防护，直至钻至预定的水平面为止。

（7）水泥浆洗孔置换：将水泥从钢制套管中灌注水泥砂浆（水灰比0.45～0.55），从而达到水泥浆洗孔置换的目的。

（8）安放锚杆杆体：将打好的螺栓穿出套管，安装至设计高度。在同一时间内将螺钉主体放入。

（9）注浆：用注浆管道将泥浆从钻孔喷至钻孔底，直至出现孔口反浆。不断地向桩子灌浆，直到符合设计要求。

3 现场对比试验

3.1 试验目的

针对变直径钢筋笼扩大头锚杆设计使用中的问题，开展等截面常规锚杆与变直径钢筋笼扩大头锚杆现场足尺抗拔比较实验，并结合实验测量结果，对变直径钢筋笼扩大头锚杆的受力-变形关系的分析，探索变直径钢筋笼扩大头锚杆在工程应用的实用性及受力特征。具体地讲，就是探讨变直径钢筋笼扩大头锚杆在扩大头锚固段直径和扩大头锚固段长度改变的情况下，受力与变形之间的关系。

3.2 实验方案

对6个变直径钢筋笼扩大头锚杆的抗拔实验进行研究，其设计方案见表1。

表1 抗拔试验设计方案

3.3 试验过程及方法

利用1000kN的水力穿芯式千斤顶进行加载试验，用压力表读出加载参数，并用机械式百分表测锚杆位移。加载系统是一种人工油泵，加载装置是一种支墩横梁反力装置，它是一种利用天然地基来提供支座反力，将穿心式千斤顶放置在横梁上，并使用夹具将锚杆与穿心式千斤顶进行连接。本研究采取分层加载试验方式，在每个加载观察期间，测量3个锚杆的位移，并对其进行数值模拟。前一阶段的试验载荷维持10min[2]。变直径钢筋笼扩大头锚杆测试结束条件：

（1）变直径钢筋笼扩大头锚杆与锚具一起被拉出；

（2）加载压力是设计荷载或者最大荷载的两倍；

（3）变直径钢筋笼扩大头锚杆的主体结构被破坏；

（4）后一种荷载造成锚杆的变形增大，相当于前一种荷载的两倍或更多。

3.4 实验结果对比分析

试验所得数据见表2。

表2 试验结果

3.5 实验结果分析

3.5.1 1号等截面锚杆与3号钢筋笼扩大头锚杆荷载-位移结果分析

图1为1号与3号两种模型的锚杆荷载与位移量之间的关系，1号等截面的锚杆的张力是420kN，而将锚杆的锚杆直径增大到400mm时的张力是810kN。

图1 1号等截面锚杆与3号钢筋笼扩大头锚杆荷载-位移曲线

结果表明：3号钢筋笼扩大头锚杆的Q-S曲线较为平滑，其抗拔承载力约为相同断面的一倍；然而，当其拉伸失效时，由于其力学特性不佳，当其达到极限时，其对应的位移量也很低，同时，其载荷-变形曲线有显著的突变，说明其拉伸失效具有很强的突变性。在荷载低于350kN的情况下，钢筋笼扩大头锚杆的载荷-位移曲线接近于常规锚杆，这时锚杆的抗拔承载力主要由土锚的水平摩阻力决定；随着荷载的增加，常规锚的横向摩擦系数逐步增加，其承载力也随之增加；但是，当加筋土锚固时，不仅会发生摩擦力，还会发生挤土效应，最终导致更多的土发生剪力损伤，进而引发更多的土效应，最终导致加筋土锚固支护范围内的土发生剪力损伤，并最终影响加筋土锚固支护结构的承载能力。研究发现，即使是在较大的变形情况下，扩大头锚杆的承载力也是不断增加的，也就是说，这种加载-变形关系是缓慢变化的。相对于常规锚固方式，变直径钢筋笼扩大头锚杆方式具有更大的受力及变形，因而有更高的安全性。

3.5.2 变直径钢筋笼扩大头直径对抗拔承载力的影响

图2所示为不同口径的2号、3号、4号变直径钢筋笼扩大头锚杆所加荷载与对应位移量之间的关系。从图2中可以看出，在上拔荷载小时，增大端锚的变形对增大端锚的尺寸影响很小，这是因为荷载没有向增大端锚的基部转移，而增大端锚的变形是由正常的锚固截面确定的。举例来说，在荷载低于350kN时，2号、3号、4号扩大头锚杆的变形非常接近，而在上拔荷载较大时，荷载已经转到了扩大头，扩大头逐步表现出了承载的能力，并且其直径的差别更加显著。在实际应用中，应针对具体的工程情况，选择适当的扩径，通常是常规扩径的2～3倍。

图2 2号、3号、4号变直径钢筋笼扩大头锚杆荷载-位移曲线

3.5.3 变直径钢筋笼扩大头长度对抗拔承载力的影响

图3为4号、5号、6号变直径钢筋笼扩大头锚杆荷载与位移量之间的关系，这些锚杆具有不同的伸缩性长度。如图3所示，在加大扩大头直径为600mm时，扩大头长度由3.5m增至5.5m，对锚杆抗拔承载力有轻微的改善，加大扩大头长度对承载力的影响不大。因此，在实际应用中，增大端部的尺寸对端部的受压能力没有显著的效果，因此，端部的尺寸不宜太大。

图3 4号、5号、6号变直径钢筋笼扩大头锚杆的荷载-位移曲线

3.6 变直径钢筋笼扩大头抗拔锚杆受力分析

根据试验结果得出，变直径钢筋笼扩大头锚杆受力特征可分为三个阶段[3]，变直径钢筋笼扩大头锚杆受力特征见图4所示。

图4 变直径钢筋笼扩大头锚杆受力特征图

（1）弹性阶段。当桩端锚固荷载增大较小时，受力主要受锚固断面的摩擦阻力影响，载荷-变形曲线呈直线，并随荷载增大而增大，此时的土处于弹塑性变形状态。

（2）弹塑性阶段。随着荷载的增大，在正态断面的摩擦系数达到最大值时，由于锚索周围的土壤和锚索之间存在剪切作用，使得锚索的锚索强度降低，其变形增大。在过去，通常采用侧向承载力来决定锚杆支挡的受力与变形特征；在这一进程中，由于锚固区侧摩阻力的作用，在桩头向外扩张的同时，会对其前面的土层产生压缩作用，从而提高其抗剪能力；同时，由于其自身的抗剪能力会加速其变形速率，从而使桩身-桩基系统由弹性转化为弹塑性。

（3）塑性区发展阶段。随着荷载的增加，锚杆的位移量将迅速增大，同时由于周围土体的限制，锚杆前面的土体将被压缩，使得锚杆自身的应力状态和塑性区更为突出。随着不断地压缩，膨胀头两端的土体与膨胀头之间的摩擦力逐渐增大，直到膨胀头周边的土体破碎。当变直径钢筋笼扩大头抗拔锚杆承载力达到极限值后，锚杆周边土体发生显著的塑性变形，表现为局部剪力破坏。

4 结束语

根据现场抗拔试验并对其结果进行分析，扩大头锚杆具有超过普通锚杆2倍以上的承载能力，同时，通过增加扩大头直径，可进一步提高扩大头锚杆的抗拔承载力。因此，在实际工程中，根据工程地质条件，选择上部普通锚固段直径的2～3倍作为扩大头直径是较为合适的。此外，将扩大头长度从4m增加到6m，锚杆的抗拔承载力略有增加，但扩大头长度对承载力的影响并不明显。因此，在实际工程中，通常建议选择锚杆全长的1/3作为扩大头长度，以满足工程要求。