成都膨脹土地層機械擴孔錨索抗拔承載力試驗研究

徐繼忠

(中冶成都勘察研究總院有限公司，四川成都 610094)

目前，預應力錨索在一些邊坡支擋、隧道支護、基坑支護工程中得到了廣泛的應用，它主要以給定的方向和荷載將力從巖土體表面傳遞到穩定的地層中，從而使巖土體維持穩定，同時對巖土體也有一定程度的加固[1]。據在成都地區Ⅱ級、Ⅲ級階地上采用錨索-支護樁支護體系進行深基坑支護施工中所出現的諸多問題可知，常規拉力型預應力錨索應用時的錨拉力受膨脹土地層固有特性及施工工藝、雨水及地層滯水的影響較大，尤其在膨脹土地段、地層的抗拔力相對更小，直接影響到錨拉樁支護體系在深基坑支護應用的護壁質量和效果。

常規普通拉力型錨索錨固力主要取決于有效錨固段的長度及錨固體與土層的摩阻力大小，而膨脹土在不吸水的自然狀態下的力學指標還比較好，一旦遇水，土的力學指標急劇下降，原因是蒙脫石和伊利石礦物顆粒吸水性特強，吸水后土體膨脹，逐漸變軟，甚至成為流塑狀，土體開始坍落，土壓力增大，致使錨桿喪失錨固力[2]。鑒于此，研究新型的錨固技術在膨脹土地層的應用顯的尤為緊迫，本文針對成都地區膨脹土地層中已研制的相關預應力錨固技術，對機械擴孔錨索、旋噴擴孔錨索以及普通拉力型錨索進行了現場對比試驗，分析了膨脹土中拉力型錨索與擴孔錨索的受力變形特征，確定其各類型預應力錨索的破壞模式以及極限抗拔力，為今后基坑支護工程中應用擴大頭錨索設計和施工提供參考。

1 試驗條件

1.1 地質條件

試驗區地段的地層主要為素填土、黏土、含卵石黏土，下伏為白堊系灌口組泥巖。根據鉆孔高程判斷，錨桿試驗區段地層主要為黏土層，孔底局部為強風化泥巖層。黏土層的物理力學指標為含水量約為25.7 %，飽和度約96 %，塑性指數約為19.1，飽和抗剪強度試驗測定粘聚力c殘值約為6.0 kPa，內摩擦角殘值約為11.4°，此黏土層含有蒙脫石和伊利石礦物顆粒，為成都東郊典型的膨脹土。

場地內地下水類型為上層滯水和基巖裂隙水，上層滯水受大氣降水和生活用水補給控制，無穩定地下水位，基巖中的裂隙水微具承壓性，無統一水位。

1.2 試驗工藝

1.2.1 拉力型錨索

鉆機定位和調整角度后，進行鉆進成孔，成孔孔徑為150 mm，成孔深度為15 m，錨索成孔采用MG-90型鉆機，采用全麻花螺旋鉆桿成孔，鉆孔過程中排渣主要通過麻花鉆桿反鉆返渣，取土過程中可加入壓縮空氣進行排渣，排渣完成后置入普通拉力型錨索，并進行孔底注漿作業，若注漿不飽滿，應進行二次補漿作業直至孔口返漿。

1.2.2 旋噴擴孔錨索

鉆機定位和調整角度后，便進行鉆進成孔，成孔孔徑為150 mm，成孔深度為15 m，錨索成孔取土通過MG-90型鉆機采用全麻花螺旋鉆桿取土作業，取土排渣完成后。再次采用G-2A型旋噴鉆機將噴管噴嘴置入孔底后，先采用30～35 MPa的高壓清水由里向外對錨固段進行噴射擴孔，噴射擴孔噴桿提升速度控制在10～15 cm/min，擴孔段長度為3 m，擴孔一遍完成后，置入噴管噴嘴至孔底，采用同等壓力及提升速度進行清水旋噴擴孔一遍，然后再采用水泥漿旋噴一次，旋噴壓力及提升速度同上述一致，其中水泥漿水灰比控制在1∶1左右。旋噴擴孔完成后，應保證其有效直徑達到600 mm。水泥漿液旋噴完成后，置入普通拉力型錨桿并進行孔底注漿作業，若注漿不飽滿，應進行二次補漿作業直至孔口返漿。

1.2.3 機械擴孔錨索

鉆機定位和調整角度后，便進行鉆進成孔，成孔孔徑為150 mm，成孔深度為15 m，錨索成孔取土通過MG-90型鉆機采用螺旋鉆桿取土作業，取土至擴孔起點后，將其端頭麻花鉆頭換成擴孔鉆頭(圖1)，同時加入清水進行水鉆擴孔作業，擴孔鉆頭向前擴孔作業速度不宜過快，擴孔直徑約為600 mm，擴孔至設計深度后，孔內通過鉆桿注入一定水量后，采用空氣壓縮機進行加氣排渣，反復洗孔2～3次后直至擴孔處泥漿大部分排出。洗孔完成后，置入帶有傘狀的對中支架拉力型錨索至孔底，并通過鋼絞線張拉使其錨索居中，再進行孔底注漿作業，若注漿不飽滿，應進行二次補漿作業直至孔口返漿。圖2為傘狀對中支架。

1.3 試驗分組

本次試驗共進行了三種類型的預應力錨索抗拔試驗：第一類為普通拉力型錨索，第二類為旋噴擴孔錨索，第三類為機械擴孔錨索。所有錨索的傾角為25 °，注漿材料為純水泥漿，水泥采用P.O42.5級，水灰比為1∶1，錨索采用4φs15.2鋼絞線，各錨索設計參數如表1所示。

圖1 機械擴孔鉆頭

圖2 傘狀對中支架

類型錨索類型數量總長度/m(錨索束)孔徑/mm自由段長度/m錨固段長度/m擴孔直徑/mm擴孔長度/m第一類拉力型錨索315(4束)15096//第二類旋噴擴孔錨索315(4束)150966003第三類機械擴孔錨索315(4束)150966003

1.4 加載卸載方法

本次試驗按CECS22-2005《巖土錨桿(索)技術規程》[3]第9.2節基本試驗方法進行分級加荷，其中錨桿桿體極限承載力為1 064 kN，錨桿桿體極限最大試驗荷載約為錨索桿體極限承載力的0.8倍，即錨索最大試驗荷載按N=900 kN進行考慮，當試驗過程中出現下列情況之一時，可判定錨索破壞，可終止試驗(檢測示意如圖3所示)。

圖3 雙拼32a槽鋼檢測示意

(1)后一級荷載產生的錨頭位移增量達到或超過前一級荷載產生的位移增量的2倍。

(2)錨頭位移持續增長。

(3)錨索材料破壞。

2 試驗結果及分析

通過對上述各類錨索抗拔力及位移的現場實測試驗，可分析其擴孔錨索及拉力型錨索受力機理，研究膨脹土地層影響拉力型錨索及擴孔錨索抗拔力的相關因素。

2.1 試驗結果

2.1.1 普通拉力型錨索

圖4為拉力型錨索荷載—位移曲線，經過現場觀測記錄，三根錨索均在250 kN的荷載下，錨索位移均呈線性均勻變化，位移均較小，位移量為25～41 mm，錨索受力也較正常；但在下一級288 kN的荷載下，錨索位移顯著增大，后一級荷載產生的錨頭位移增量達到或超過前一級荷載產生的位移增量的2倍，且位移無法穩定，達到93～139 mm，現場試驗表現為整個錨索開始發生滑移，據此顯示錨索已破壞，此錨索極限荷載約為250 kN。

圖4 拉力型錨索荷載—位移曲線

2.1.2 旋噴擴孔錨索

圖5為拉力型錨索荷載—位移曲線，經過現場觀測記錄，4#錨索在320 kN的荷載下，錨索位移均呈線性均勻變化，位移達到51 mm左右，錨索受力也較正常；但在下一級350 kN的荷載下，錨索位移顯著增大，后一級荷載產生的錨頭位移增量達到或超過前一級荷載產生的位移增量的2倍，且位移無法穩定，達到176 mm，現場試驗表現為整個錨索開始發生滑移，據此顯示錨索已破壞，此錨索極限荷載約為320 kN。5#、6#錨索在350 kN的荷載下，錨索受力較正常，但在下一級390 kN的荷載下，錨索位置顯著增加，達到了165～170 mm，現場試驗表現為整個錨索開始發生滑移，據此顯示錨索已破壞，此兩根錨索極限荷載約為350 kN。

2.1.3 機械擴孔錨索

圖6為拉力型錨索荷載—位移曲線，經過現場觀測記錄，7#、8#、9#錨索在800 kN的荷載下，錨索位移均呈線性均勻變化，錨頭位移達到84～100 mm左右，錨索受力也較正常；但在荷載增加至下一級900 kN的荷載下，現場表現三根錨索中局部一根鋼絞線均呈現瞬間斷裂狀態，壓力表讀數完全不能穩定，百分表指針回彈到位移25 mm左右，據此顯示錨索材料已破壞，無法繼續加載，此錨索極限荷載約為800 kN。

圖6 機械擴孔錨索荷載-位移曲線

2.2 錨索變形破壞模式及受力機理分析

根據現場荷載—位移曲線，普通拉力型錨索均表現錨頭位移持續增長直至錨固體被拉出破壞，說明拉力型錨索受力主要通過錨固體與巖土體之間的摩阻力提供，且膨脹土地層為普通拉力型錨索提供的摩阻力相對較小，達到一定荷載后，整束鋼絞線從錨固體內向外滑移，從試驗數據來看，普通拉力型錨索極限承載力約為250 KN。

旋噴擴孔錨索也表現為錨頭位移持續增長直至錨固體被拉出破壞，旋噴擴孔(兩道清水擴孔，一道水泥漿擴孔)后再置入錨索，孔內由于未進行清渣作業而導致錨索置入難度較大，此外錨固體主要由錨索和水泥土組成，而水泥土強度相對較低，孔內的積水較多，土層軟化、泥化嚴重，在送錨時鋼絞線上粘泥多，致使鋼絞線與水泥土之間的粘結力大大降低，其錨索張拉試驗過程中也表現為整束鋼絞線由內向外拉出而破壞，但旋噴擴孔錨索相對普通拉力型錨索，其抗拔力相對較大，說明通過旋噴擴孔可一定程度上增加錨索的抗拔力；另外從試驗數據來看，旋噴擴孔錨索極限承載力為320～350 KN。

機械擴孔錨索主要表現為錨索桿體破壞，說明錨桿桿體與純水泥漿粘結效果較好，擴孔錨索主要通過清渣關鍵工藝后錨固體相對高壓旋噴形成的水泥土錨固體強度高，普通3 m錨固段及擴孔3 m錨固段均為提高錨索的抗拔力發揮了一定的作用，特別是擴孔起點處的臺階(150 mm變600 mm)為錨索提供了較大的抗拔力起了關鍵作用；從試驗數據來看，機械擴孔錨索極限承載力為800 kN，相比普通拉力型錨索及旋噴擴孔錨索的極限抗拔力有顯著的提高，說明擴孔對抗拔力的提高起到了決定性的作用。

3 結論

(1)膨脹土地層中普通拉力型錨索抗拔力相對較低，且膨脹土易遇水，土層軟化，錨固體與土層之間的粘結摩阻力會大大降低，從而導致錨索應用穩定性較差，而采用機械擴孔錨索能顯著的提高錨索的抗拔力，提高錨索在膨脹土地層應用的質量。

(2)膨脹土地層中旋噴擴孔錨索及機械擴孔錨索均相對普通拉力型錨索抗拔力較高，說明擴孔對抗拔力的提高起到了關鍵性的作用，而機械擴孔錨索通過排渣后形成的錨固體強度遠高于旋噴擴孔錨索未排渣形成的水泥土強度，拉拔力更高，說明膨脹土地層中采用機械擴孔錨索是可行的。

(3)機械擴孔錨索相對傳統的拉力型錨索在膨脹土地層應用具有一定的可行性及安全性，可為類似膨脹土地層的基坑支護工程應用擴孔錨索設計和施工提供參考。