攪拌水泥土錨桿的電測(cè)試驗(yàn)研究

陸林龍 吳大中

1 攪拌水泥土錨桿簡(jiǎn)介

土層錨桿是巖土錨固工程領(lǐng)域的重要分支，其原理是將作用于結(jié)構(gòu)物上的荷載傳遞給深部土體。在巖土工程中采用錨固技術(shù)，能充分挖掘巖土能量，調(diào)用巖土的自身強(qiáng)度和自承能力，大大減輕結(jié)構(gòu)自重，節(jié)約工程材料，取得顯著的經(jīng)濟(jì)效果，并保證施工安全與工程穩(wěn)定。

土作為錨固工程的重要組成部分，在工程中的應(yīng)用起始于20世紀(jì)70年代，由于其獨(dú)特的效應(yīng)、簡(jiǎn)便的工藝、廣泛的用途、經(jīng)濟(jì)的造價(jià)，在巖土工程領(lǐng)域中顯示旺盛的生命力[1］。

近年來(lái)為了適應(yīng)不同地質(zhì)條件及工作條件的需要，對(duì)土層錨桿進(jìn)行了一系列新的改進(jìn)與研究，國(guó)內(nèi)基坑圍護(hù)工程中的土層錨桿其形式與結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)多樣化[2-4］。由于寧波地區(qū)地處深厚軟土分布區(qū)(以淤泥質(zhì)黏土為主)，在軟土地基中采用基坑圍護(hù)方案成功與否的關(guān)鍵是錨桿需提供較大且穩(wěn)定的錨固力。

為此，針對(duì)寧波等軟土地區(qū)的地質(zhì)條件，介紹了一種工藝更簡(jiǎn)單、可應(yīng)用于軟土基坑支護(hù)工程中的土層錨固工法——“攪拌水泥土錨桿工法”，簡(jiǎn)稱 MCS錨桿。

攪拌水泥土錨桿借鑒了水泥土攪拌樁施工工藝，視錨桿為斜向水泥土攪拌樁，為拉力集中型錨桿，采用普通腳手架鋼管作為一次性鉆桿，將前端帶有多組攪拌葉片的鉆桿以設(shè)計(jì)角度旋轉(zhuǎn)打入土層，在推進(jìn)過(guò)程中同時(shí)注入水泥漿液，葉片切削土體并與水泥漿攪拌混合，在土中形成直徑可以控制的水泥土固結(jié)體。到預(yù)定深度后，鉆桿及葉片作為加筋體留置在土中，與水泥土固結(jié)體共同形成可承受拉力的錨固體，從而形成強(qiáng)度顯著提高的攪拌水泥土錨桿。

2 攪拌水泥土錨桿作用機(jī)理

攪拌水泥土錨桿之所以能錨固在土層中作為一種新型受拉桿件，主要是由于錨桿在土層中具有一定的抗拔力。如圖1所示，當(dāng)錨固段錨桿受力，首先通過(guò)錨索與周邊水泥土握裹力傳到水泥土中，然后通過(guò)水泥土傳到周圍土體。

圖1 攪拌水泥土錨桿的受力機(jī)理

傳遞的過(guò)程隨著荷載的增加，錨索與水泥土的粘結(jié)力(握裹力)逐漸發(fā)展到錨桿下端，待錨固段內(nèi)發(fā)生最大粘結(jié)力時(shí)，就發(fā)生與土體的相對(duì)位移，隨即發(fā)生土體與錨固的摩阻力，直到極限摩阻力。當(dāng)拔力小時(shí)錨桿位移量也小，拔力增大，位移量也增加;當(dāng)拔力達(dá)到一定量時(shí)，位移不穩(wěn)定，甚至不加力，位移仍不停止，此時(shí)認(rèn)為錨桿已達(dá)破壞階段，也就是錨桿與土體間的摩阻力超過(guò)了極限狀態(tài)。

3 攪拌水泥土錨桿的電測(cè)試驗(yàn)

3.1 攪拌水泥土錨桿電測(cè)試驗(yàn)概況

制作2根21 m長(zhǎng)試驗(yàn)錨桿，自由段長(zhǎng)度3 m，錨固段長(zhǎng)度18 m，錨桿接管長(zhǎng)度順序?yàn)? m+6 m+6 m+3 m;在其錨頭位置向下1 m，3 m，4 m，6 m，8 m，10 m，12 m，14 m，16 m，18 m，20 m 的位置對(duì)稱粘貼電阻應(yīng)變片(見(jiàn)圖2)，并用環(huán)氧樹(shù)脂膠進(jìn)行保護(hù)，錨桿加筋體鋼管外側(cè)焊小直徑無(wú)縫鋼管，導(dǎo)線由此穿過(guò)，防止導(dǎo)線在錨桿打入土體過(guò)程中被破壞。

圖2 電阻應(yīng)變片布置位置

3.2 攪拌水泥土錨桿電測(cè)試驗(yàn)結(jié)果

本試驗(yàn)檢測(cè)均按中國(guó)工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)《巖土錨桿(索)技術(shù)規(guī)程》[5］中的要求進(jìn)行。本試驗(yàn)采用1/4橋路連接測(cè)量加筋體在荷載作用下的應(yīng)變值(如表1，表2所示，表中未顯示應(yīng)變代表該測(cè)點(diǎn)應(yīng)變片損壞，應(yīng)變單位為1×10-6m)，根據(jù)彈性力學(xué)理論計(jì)算錨桿加筋體各測(cè)點(diǎn)的軸力值，換算出粘結(jié)應(yīng)力沿錨桿桿長(zhǎng)的分布情況。

由表1，表2測(cè)得的錨桿各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變值可進(jìn)而得到錨桿的軸力。

攪拌水泥土錨桿的軸力隨錨桿桿長(zhǎng)的分布圖見(jiàn)圖3，圖4。

由圖3，圖4錨桿在各測(cè)點(diǎn)的軸力圖可知，錨桿在軸向拉力荷載作用下，軸力沿錨桿桿長(zhǎng)方向逐漸遞減，到達(dá)一定深度后軸力衰減至接近零。在各級(jí)荷載作用下，21 m錨桿的軸力在距錨桿頂端14 m后，其軸力接近零，即長(zhǎng)度增加對(duì)錨桿抗拔力的提高無(wú)明顯效果。

表1 1號(hào)錨桿電測(cè)應(yīng)變值

表2 2號(hào)錨桿電測(cè)應(yīng)變值

圖3 1號(hào)錨桿的軸力圖

圖4 2號(hào)錨桿的軸力圖

由圖3，圖4錨桿的軸力圖可進(jìn)一步得到錨桿的區(qū)段粘結(jié)應(yīng)力分布圖，如圖5，圖6所示。

圖5 1號(hào)錨桿的區(qū)段粘結(jié)應(yīng)力圖錨桿區(qū)段

由圖5，圖6錨桿的區(qū)段粘結(jié)應(yīng)力圖可知，21 m錨桿在沿桿長(zhǎng)分布的粘結(jié)應(yīng)力存在應(yīng)力集中的現(xiàn)象，且應(yīng)力集中不止一處，但應(yīng)力峰值主要集中在8 m～14 m這一區(qū)段中，即21 m錨桿在沿桿端往下8 m～14 m的區(qū)段中所受粘結(jié)應(yīng)力最大，因此21 m錨桿在設(shè)計(jì)施工時(shí)應(yīng)對(duì)8 m～14 m這一區(qū)段進(jìn)行局部加強(qiáng)。

圖6 2號(hào)錨桿的區(qū)段粘結(jié)應(yīng)力圖錨桿區(qū)段

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)寧波地區(qū)以水泥土為錨固體的錨桿施工工藝，分析了攪拌水泥土錨桿的受力機(jī)理，并對(duì)其進(jìn)行電測(cè)試驗(yàn)以進(jìn)一步了解攪拌水泥土錨桿的應(yīng)力分布狀況。

1)攪拌水泥土錨桿是適用于軟土地區(qū)的一種新型土層錨桿。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)電測(cè)試驗(yàn)分析可知，錨桿在軸向拉力荷載作用下，軸力沿錨桿桿長(zhǎng)方向逐漸遞減，到達(dá)一定深度后軸力衰減至接近零。

2)攪拌水泥土錨桿的受力存在一臨界長(zhǎng)度，由試驗(yàn)所得21 m錨桿的臨界長(zhǎng)度為14 m左右。

3)攪拌水泥土錨桿沿桿長(zhǎng)方向上的粘結(jié)應(yīng)力存在不同程度的應(yīng)力集中現(xiàn)象，由試驗(yàn)所得21 m錨桿的應(yīng)力集中部位主要在沿桿端往下8 m～14 m的區(qū)段中，因此21 m錨桿在設(shè)計(jì)施工時(shí)應(yīng)對(duì)8 m～14 m這一區(qū)段進(jìn)行局部加強(qiáng)。

[1]程良奎.巖土錨固研究與新進(jìn)展[J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2005，11(21):23-25.

[2]蔡鐘業(yè)，鄭必勇.爆擴(kuò)土錨桿穩(wěn)定深基坑邊坡的加固理論及設(shè)計(jì)施工方法[J］.巖土工程學(xué)報(bào)，1989，11(1):33-42.

[3]胡建林.可重復(fù)高壓灌漿土層錨桿[J］.巖土工程學(xué)報(bào)，1998，20(1):13-15.

[4]王 釗，王金忠，曾繁平，等.玻璃鋼螺旋錨的現(xiàn)場(chǎng)拉拔試驗(yàn)[J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2007，29(10):1439-1443.

[5]CECS 22∶2005，巖土錨桿(索)技術(shù)規(guī)程[S］.