土層自旋錨桿錨固技術研究

藺云宏,羅文靜,任飛

(廣州市地下鐵道設計研究院,廣州510010)

0 引言

錨固技術能改變巖土體的力學特性,從本質上提高巖土體的自身承載性能,也就從本質上提高了工程體的內在穩定性,和支撐式結構維護巖土體穩定的方法比起來,錨固技術能達到本質安全工程。錨桿(索)的研究在近50年取得了突飛猛進的成果[1-4]。地下工程中錨桿的應用給施工帶來了質的飛躍。尤其是一些臨時支護中采用錨桿技術更是顯示出其優良的工程特點。土體錨桿的應用幾乎都是以砂漿灌注粘結式結構為錨固體[5-6]。這種錨固形式雖然取得了顯著成績,能夠廣泛適應各種土體結構工程。但其施工的復雜性,尤其是錨固體灌注后的強度等待時間往往嚴重影響工程進度。而土體的特性恰恰是需要及時的錨固才能很好的滿足工程受力。除此之外,砂漿錨固方式進行城市地下結構施工支護會給城市地下空間造成污染。這2點就大大限制了砂漿錨桿在土層的應用。因此,砂漿錨桿(索)盡管具有很多優點還是在城市地下結構應用較少。

土層錨桿中有一種螺旋錨桿技術。這種錨固結構基本上都是以一系列較大截面的旋片作為錨葉在土層中形成阻力。這一技術已經在一些樁錨技術中應用并取得很好的效果。但是,作為廣泛應用的錨桿技術還存在一些缺陷需要經過研究,目前在工程中還很少應用。為了解決土體的快速錨固技術以及回收問題,在西安地鐵2#線TJSG-4標采用了自旋擠壓錨固新技術。

1 土層錨桿技術分析

現階段土層錨桿(索)主要的錨固形式是灌注砂漿將錨固體黏裹和土體形成摩擦阻力,這是目前最為成熟和可靠的方法。砂漿錨桿具有施工適應性較強的顯著優點;但砂漿錨固技術在工程應用中存在缺陷。

1.1 砂漿錨桿顯著的缺陷

1)砂土體中成孔速度慢,有時候甚至影響工期;

2)一些砂土層難以成孔需要采用泥漿護壁成孔工藝,該工藝復雜容易造成場地泥濘;

3)錨固體灌漿后需要10d以上的凝固期和錨固圍裹土體的失水過程,從而導致不能及時支護工程結構體,有時嚴重影響工期。

1.2 砂漿錨桿的工程缺陷

現有砂漿錨桿的先天缺陷使得該品種錨桿的應用對工程產生一些不良效果:

1)有時候影響工期;

2)一些時候嚴重影響工期;

3)有時候還會造成安全問題;

4)次要問題是造成場地泥濘影響其他施工。

1.3 螺旋錨固技術

上世紀初期應用的螺旋錨桿是以較大的旋片形成錨葉,通過較大面積的土體內阻力形成錨固。這種錨固方式由于其旋片的大間隔使得其錨固效果穩定性欠佳,一般只用于輔助錨固。

2 新型土層可回收自旋錨桿

為了克服砂土層砂漿錨桿和普通螺旋錨桿技術的缺陷,課題組對砂土層的螺旋錨桿技術進行了錨固機理分析。把錨葉阻力和摩擦阻力結合考慮,對原來螺旋錨桿的錨固段的進行了改變。采用高密度擠壓摩擦錨固的理念設計錨桿,采用自攻旋進安裝工藝。通過在西安地區5個典型的砂土層進行可行性試驗后設計出適合砂土層的自旋錨桿。本次在西安地鐵2#線TJSG-4標段的基坑支護中經過了理論與實踐的考驗,推進了該項技術的進一步完善。

2.1 自旋可回收土層錨桿特點

土釘自旋錨桿顯著的特殊優點有3點:

1)自身特性優點。不鉆孔擠壓旋進安裝結束立即達到錨固力。

2)工程特性優點。安裝完成立即投入使用,替代橫支撐大大方便施工,節約成本。

3)社會效益。必要時反旋轉取出,不污染城市地層。

2.2 自旋式可回收錨桿構造

完整結構的自旋錨桿包括:桿體、特制鉆頭、連接扣、封孔圈、托盤、預緊螺紋和螺母。錨桿的參數需要根據巖土層的性質確定。施工時根據砂土層的具體情況確定采用那些構件。圖1是西安地鐵2#線TJSG-4標設計的自旋錨桿。

土層自旋錨桿無需打孔,利用機械鉆具直接將自旋錨桿強力旋進土體中。扭進過程中桿體所占空間的土體被強行擠壓向周邊分布,使得錨桿體周圍土體形成不均勻擠壓區,強化了錨桿的錨固力。在一般砂土層中錨固力可以達到11kN/m以上。在古土壤中一般可以達到25kN/m以上。錨固效果非常理想。

3 自旋土釘錨桿工程作用機理

3.1 旋柱摩擦錨固力

作為錨(anchor)作用機理,可以設計成較大的旋片,以形成較大面積的阻力。原理如圖2。

圖1 TJSG-4標使用的自旋土層錨桿Fig.1 Screw bolt used in TJSG-4 bid section of line 2 of Xi′an Metro

圖2 單旋片張拉破壞機理Fig.2 Mechanisms of tensioning failure of single blade

這種錨固方式容易在錨葉處產生屈服。要克服這種缺陷可以增加更多的旋片,但過密的旋片容易嚴重破壞錨固體周圍土體,錨固力反而較低。課題組采用了較粗桿體的密集小旋片的螺旋錨固方式。這種錨桿的錨固作用是以擠壓密實土體產生連續摩擦阻力和旋片產生高表面阻力的雙重效果形成綜合錨固力。圖3為錨桿體周圍錨固力分布圖。

圖3 錨桿體周圍錨固力分布Fig.3 Distribution of anchoring force around bolt

3.2 全長錨固工程作用機理

力學上傳統的預應力錨索是以強大的預應力抵消土體壓力為設計原理的。工程支護中應用到樁錨結構的基坑支護中,這種預應力往往不能克服強大的灌注樁和冠梁形成的結構體系的抗力對土體施加預應力。

自旋錨桿不屬于強有力預應力形式。這種錨固形式的力學作用主要是以全程形成錨固力來克服土體本身的力學“松弛”。或者說是錨桿改變了土體系的力學參數而達到了錨桿改善土體系穩定性的目的。這是從本質上改善結構體系穩定性的本質安全型支護方式。

4 自旋土釘錨桿工業性試驗

根據擠壓摩擦錨桿的力學機理試制的自旋錨桿土釘在西安市地鐵2#線TJSG-4標張家堡基坑進行了試驗。

4.1 試驗基坑地質

地表一般分布有厚度不等的全新統人工填土;其下為全新統的沖積黃土狀土、粉質黏土、粉細砂、中砂、粗砂,局部為礫砂、圓礫;上更新統沖積的粉質黏土,中、粗砂層,局部為粉細砂、礫砂。地層特征及描述如下:

1)第四系全新統(Q4)

雜填土和素填土:雜色,松散,以建筑垃圾為主,含少量黏性土和植物根系等,厚度變化大;本層厚度0.90～5.40m,層底深度0.90～5.40m。

黃土狀土和粉質黏土:稍濕,可塑;針狀孔及蟲孔發育;本層厚度5.00～13.70m,層底深度10.3～15.1 m;最淺埋深12.20m。

粉細砂、中砂和粗砂:中密至密實,含少量礫石或圓礫;層底深度15.50～25.50m。

2)第四系上更新統(Q3)

粉質黏土和中砂:灰色,密實,可塑,針狀孔較發育;該層分布不穩定,厚度變化大,局部地段缺失;在本場地最大揭露厚度6.10～15.2m。

4.2 支護施工參數

基坑長度263m,寬度55m。基坑上部放坡開挖,使用 φ37×3 000mm自旋土釘和 φ6鋼筋網作為錨網結構,噴射混凝土封閉。錨桿間排距1 200mm×1 500 mm。

下部垂直開挖,采用 φ800灌注樁,間距1 100 mm;樁間 φ600旋噴樁;冠梁1 000mm×800mm;錨桿采用直徑 φ44自旋錨桿,錨桿長11～14.5m。

施工現場見圖4。

4.3 自旋錨桿的工程力學特征

自旋錨桿在安裝過程中對土體擠壓破壞,安裝結束后土壤再生形成錨固力。在錨桿安裝后的一段時間內,由于土體的結構變形會使得錨桿的錨固力有顯著上升。圖5是3個測點的錨固力檢測值。

圖4 自旋土釘錨桿應用工程基坑(單位:mm)Fig.4 Foundation pit where screw bolts are used(mm)

圖5 自旋錨桿在2009年不同時間的錨固力Fig.5 Anchoring force of screw bolts on different dates in 2009

5 討論

5.1 土層自旋錨桿的自身特性

自旋錨桿揚棄土層大錨葉傳統,采用自攻旋進方式在安裝過程中將錨桿周圍土層擠壓使其物理力學特性大大提高,使得較小的桿體就可以獲得較高的錨固力;自旋錨桿無需鉆錨桿孔直接自攻旋進安裝,比起傳統的砂漿錨桿(索)施工速度提高十幾倍,錨桿安裝完成就立刻達到錨固力,使結構得到最及時加固,大大提高施工安全;自旋錨桿具有回收功能,在必要時可以很方便地回收;自旋錨桿土釘安裝后期錨固力有一定的上升提高,對結構的長期穩定性非常有利。

5.2 自旋錨桿工程優點

用自旋錨桿代替支撐系統的錨索,能在最短時間內加固圍護結構和土層,尤其是這種錨桿的錨固方式能改變圍護結構外部土體的力學特性,形成本質安全型;錨桿支護替代橫支撐使得基坑內有較大的空間,挖土施工效率提高200%,永久結構施工加快30%。施工期大大縮短;自旋式可回收錨桿對地層不會造成城市地層污染,可回收再用降低成本;自旋錨桿的參數可根據工程隨時調整,在遇到工程薄弱部位時迅速加打自旋錨桿對工程局部進行加固,因此可以保證工程有足夠的安全度;自旋錨桿施工后可立即施加預應力,以控制結構的變形量;施工速度比傳統錨桿(索)提高十倍以上,可實現安全高效快速施工。

5.3 自旋土釘錨桿應用領域

樁錨體系應用能迅速及時施工,給開挖和永久結構施工創造良好的條件,加快工程進度;替代傳統的砂漿土釘,施工快速經濟;用作土層隧道大管棚替代傳統的管棚施工,能實現大管棚小擾動,有利于土體穩定;在人工開挖的土層隧道的徑向錨桿使用自旋錨桿與鋼拱架結構結合,能夠克服傳統砂漿錨桿需要長時間凝固的缺陷和向上傾斜施工的無法克服的困難;可大大提高施工速度;對局部不安全因素,用自旋錨桿可以及時加固砂土體結構,提高砂土體自身的安全性。

6 結論

1)自旋錨桿安裝過程能擠壓密實再生土體結構,較小的錨固體較能獲得較高的錨固力。

2)自旋錨桿是目前土體錨固速度最快的一種,非常有利于土體地下工程施工。

3)自旋錨桿的全長錨固方式能改變砂土體本身的物理力學參數,有利于形成本質安全性工程。

4)自旋錨桿作為土層隧道大管棚和徑向錨桿能改善隧道圍護結構力學性能,大幅度提高安全度和施工速度。

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