預應力錨桿 在黃河三角洲軟土地區的應用

一、概述

土層錨桿是在巖石錨桿基礎上發展起來的，是一種將拉力傳遞到穩定的土體的錨固體系。錨桿的一端通過腰梁與圍護樁相連，另一端錨固在土體層內，并對其施加預應力，以承受土壓力、水壓力、抗浮、抗傾覆等所產生的結構拉力，用以維護土體或結構物的穩定。具有明顯提高邊坡土體的結構強度和抗變形能力，減少側向變形，增強整體穩定性的特點。

在勝利油田1120人防深基坑工程應用中，運用了兩排預應力錨桿（局部三排），該工程支護周長513米，支護深度達13m，填補了軟土地區深大基坑應用土層預應力錨桿的空白。同時為軟土地區深基坑支護的技術發展打下了堅實的基礎。

二、預應力錨桿技術特點

預應力錨桿是一種新型的受拉桿件，它的一端與工程結構物或擋土墻相連，另一端錨固在地基的土層或者巖層中，以承受結構物的上托力、拉拔力、土壓力、水壓力，它利用地層的錨固力維持結構物的穩定。

預應力錨桿主要有以下特點：

1. 支護深度深。樁錨結構支護深度可以達10米以上，在解決深大基坑技術問題上占有優勢。

2.施工快捷靈活，因地制宜，不受現場條件限制。基本采用機械化作業，工藝簡便、施工安全、便于相關工序穿插等特點，用于應急搶險更具優勢。施工機具輕便簡單、靈活、所需工作面小、工人勞動強度低。機械、人工成本費用較低。

3.通過對錨桿施加預應力，能夠主動控制土體變形，調整土體應力狀態，有利于邊坡的穩定性。

4.施工時的噪聲及振動均很小，符合目前環保的大趨勢。

三、軟土地區預應力錨桿技術研究

預應力錨桿技術在黃河三角洲軟土地區是否具有可行性，近年來勝建集團成立課題組，對預應力錨桿技術進行了試驗研究：

（一）錨桿承載能力

錨桿的極限承載能力按照土的抗剪強度計算確定，也可按錨桿的抗拔力試驗確定。

按土的抗剪強度確定錨桿的極限承載力：

基本公式為：Tu=πDLeτ

式中：Tu --錨桿的極限抗拔力

D----錨桿鉆孔直徑

Le----錨固段有效長度

τ----錨固段周邊土的抗剪強度

錨桿的抗拔力取決于鉆孔直徑D、有效錨桿長度Le、錨固段周邊土的抗剪強度τ。其中τ的數值又受土層性質、錨桿所處的埋置深度、施工及灌漿綜藝等許多復雜因素的影響。

黃河三角洲地區屬第四紀新近沉積的粘性土、粉土及粉砂構成的沖積平原，地下水埋深一般不超過1m。根據本地區土層參數，初步設計估算預應力錨桿的錨固段長度為17m，極限錨固力為300KN，此數據需經過錨桿的抗拔力試驗驗證。

在正式應用前，應進行錨桿的錨固體與地基土之間的極限抗拔力試驗，以驗證設計所估算的錨固長度是否足夠安全，并可檢驗所采用的土質參數是否合理。

（二）錨桿參數確定

根據錨桿極限承載能力，初步確定錨桿參數如下：

錨桿長度：22米，其中錨固段17米，自由段5米。

錨桿施工傾角：15度。

注漿壓力：1～1.5MPa

注漿量：25kg／m

（三）試驗方案

黃河三角洲地區為第四紀新近沉積的粘性土、粉土及粉砂構成的沖積平原，地下水豐富。在不進行坑外降水、保證基坑周邊環境的情況下，傳統的預成孔施工方法難以實現。通過調查研究，解決該技術難題有兩種方法：一是套管跟進作業，二是采用夯擊技術。前者施工程序比較繁瑣，機械操作較難，易產生漏水流沙現象，效率低；后者不僅工效高、施工設備靈活簡便、且綜合造價較低。因此錨桿施工工藝采用夯擊錨桿施工方式。

預應力錨桿桿體由一根鋼管和一根螺紋鋼筋組成。預應力筋表面不應有油污、鐵銹或其他有害物質、并嚴格按設計尺寸下料。錨桿體在安裝前應妥善保護，以免銹蝕和機械損傷。錨頭采用焊接螺桿，在錨桿位置圍護樁墻體上做C20細石砼墊層后，錨桿頭之間由2[20鋼圍囹相連，鋼圍囹上加300×300（厚16mm）鋼墊板后用螺帽將錨桿頭鎖定。如下圖所示：

錨桿試驗施工程序主要為：

導向孔施工→制作、擊入錨管→清孔注漿→植入鋼筋、焊接錨桿頭→澆注砼墊層→安裝鋼圍囹、鋼墊層→錨桿試驗

1.導向孔施工

導向孔須采用合適的打孔機械，直徑為80mm，長度一般為100～200mm。打孔機的功率不能太大（小于5KW），孔壁順直，傾角符合設計要求，不得坍塌和松動，以便安設錨桿和注漿。

2.制作、夯擊錨管

錨管一般采用60mm×3.5mm的普通鋼管。在管壁上每隔500mm的間距以旋轉角60o成螺旋形設置注漿孔，（注漿孔應根據不同地層加以調整以達到理想的注漿效果），注漿孔直徑1mm。并在注漿口的附近焊接角鋼支架，以減少地基土進入注漿管內，并使漿液向土中擴散，增大錨固體的錨固強度，使錨桿整體的承載力得到明顯的提高。

3.擊入錨桿

采用高風壓、高頻振動夯管機械將錨桿桿體擊入土中。

4.清孔注漿

在此技術中，如何分段注漿，如何保證注漿壓力及注漿量壓力，是該技術的重點也是難點，注漿效果的好壞將直接關系到支護結構的質量與整個基坑的安全。

在以往的預應力錨桿注漿過程中，存在許多問題，例如密封不嚴、注漿壓力和注漿量不能達到設計要求、錨固體難以形成理想效果等，其中任何一個環節都可能影響到整個基坑的安全穩定。

經過專業技術人員不斷研究探索，技術難題被一一解決，形成了一套適合類似于黃河三角洲軟土地區鋼管桿體式預應力錨桿的分段注漿技術，能夠保證注漿壓力、注漿量、注漿時間的，并能形成理想的錨固體，真正起到錨拉邊坡的目的。

注漿注漿前必須先清孔，將擠入管內的土清理干凈。清孔時將水管深入錨管底部，來回提送，直到溢出清水為止。

注漿采用水灰比0.5的純水泥漿，普通硅酸鹽水泥，注漿壓力為1～1.5Mpa。注漿采用分段注漿方式。 注漿前，在自由段與錨固段交界位置，設止漿帶，防止水泥漿進入自由段，影響預應力效果。

5.植入鋼筋、焊接錨桿頭

待注漿完畢后，將螺紋鋼筋植入錨管。在桿體上，每2000mm設置支中架，以保證桿體居中。然后將定制的錨桿頭焊接在釘體上，并用兩根同樣的鋼筋輔于錨桿頭兩側，將錨桿頭與鋼管連為一體。

6.澆注砼墊層

在錨桿位置做C20細石砼墊層，上平面寬100mm，下平面寬200mm，要求墊層面與錨桿垂直，表面光滑平整。澆注前需支膜板，下部用角鋼固定。在砼墊層與錨管之間用φ110mm的PPC管隔開，防止錨桿與混凝土墊層成一剛性體，以防止拉拔力試驗時影響加載。

7.安裝鋼圍囹、鋼墊板

待砼墊層達到設計強度，穩定后，在墊層和錨桿頭之間用2[20鋼圍囹相連，并安裝300×300×16的鋼墊板。

8.錨桿拉拔力試驗

錨固體強度大于15.0MPa時，才可進行錨桿試驗；錨桿試驗用加荷裝置的額定壓力必須大于試驗壓力，錨桿試驗用反力裝置在最大試驗荷載作用下應保持足夠的強度和剛度，防止損壞儀器或者達不到試驗壓力；錨桿試驗用檢測裝置(測力計、位移計、計時表)應滿品設計要求的精度。

試驗設備主要有加載裝置、量測裝置及反力裝置三部分。加載裝置采用穿心式液壓千斤頂，千斤頂的反力裝置在橫梁上，拉力量測用連接于油泵的壓力表量測，變位量測用百分表量測。試驗時必須確認裝置的支架在不受拉力影響的不動點上。

試驗開始時，每級荷載按事先預計極限荷載的1/10施加.加載后每隔5~10min測讀一次變位數，每級加載階段內記錄數值不少于3次。

錨桿拉力計

安裝試驗裝置

采集數據

結論：

通過試驗數據分析可以看出，22米長的錨桿，錨固段長17米，注漿壓力1～1.5MPa，在注漿后30天，錨固力即可達到300KN以上；18米長的錨桿，錨固段長14米，注漿壓力1～1.5MPa，在注漿后30天，錨固力即可達到250KN以上；完全符合初步設計要求。至此，通過一系列的試驗、比對，我們掌握了有關軟土地區預應力錨桿的施工技術、注漿工藝，成功地將預應力錨桿應用于黃河三角洲軟土地區。

四、經濟效益分析：

在黃河三角洲沖積平原軟土地區及其工程地質情況類似地區，采用夯擊式預應力錨桿要優越于預成孔錨桿施工、套管跟進錨桿施工。

夯擊式預應力錨桿不僅施工速度快、效率高、施工簡便、工期短，而且我們有先進的施工設備、成熟的施工工藝。經過試驗研究，在坑外不進行降水的情況下，夯擊式技術非常適合地下水豐富的軟土地區，特別是深大基坑錨桿施工。

以勝利油田1120人防基坑支護工程為例，在支護周長、支護深度相同、工期相同的條件下，對比如下：

支護周長約：513米。

支護深度：11.5米，局部13米。

預應力錨桿總工程量：430顆×22米/顆+716×18米/顆＝22348米

工期要求:45天，其中錨桿施工30天。

支護方式人力資源日效率人力投入設備投入

夯擊式預應力錨桿3人/臺240～300米/臺18人3臺

干成孔預應力錨桿4人/臺120～160米/臺48人6臺

套管跟進法預應力錨桿5人/臺80～100米/臺80人8臺

通過實例分析：采用夯擊式預應力錨桿支護方法經濟效益遠遠高于預成孔或套管跟進的施工形式。在人力、工期使用方面均有較大程度的節約。

五、推廣應用

自2007年以來，勝建集團成功將該試驗成果推廣應用，在勝利油田1120人防工程及東營市交通局基坑支護工程、勝利油田錦華西區地下車庫基坑支護中，采用該項施工技術，無論在工期、質量，還是造價方面，都取得了顯著的社會效益和經濟效益。

六、存在問題及改進意見

預應力錨桿在軟土地區已經試驗成功，但是仍然存在許多不足。例如施工質量控制較難，施工過程中缺乏經驗，預應力損失等。

因此如何保證預應力錨桿的施工質量，如何在施工中積累并總結經驗，如何將預應力損失降到最低，將是我們奮斗的目標。

作者簡介：

安博生，勝利油田勝建集團副總經理。1964.12出生，1987.7畢業于西安公路學院。山東省博興縣人，大學本科學歷，雙碩士學位，高級工程師，長期從事工程技術和工程管理工作，山東省“五一”勞動獎章獲得者，曾連續多次獲得勝利油田勞動模范和中石化優秀青年知識分子、中國石油天氣總公司首屆青年崗位能手。