囊式擴(kuò)體錨桿受力原理及現(xiàn)場試驗(yàn)研究

陳夢鷗

(深圳市勘察研究院有限公司，廣東 深圳 518026)

1 前 言

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，建筑物除了向上發(fā)展之外還向地下延伸，基坑開挖深度越來越大；同時(shí)，城市用地越來越緊張，基坑周邊存在各種已建的建(構(gòu))筑物，為了避免對(duì)其產(chǎn)生不利影響，錨桿(索)不得伸入周邊建(構(gòu))筑物下方[1]，錨索長度受到限制。

為解決傳統(tǒng)錨索長度的問題，巖土工程界開始嘗試在支護(hù)工程中采用擴(kuò)體錨桿(又稱擴(kuò)大頭錨桿、擴(kuò)大頭錨索等)：1997年，夏柏如等就介紹了國內(nèi)外土層錨桿端頭擴(kuò)大技術(shù)的原理及應(yīng)用情況[2]；2004年，曾慶義等采用旋噴擴(kuò)孔，成功將擴(kuò)孔錨桿應(yīng)用于深圳某基坑中[3]；2008年，孫凱等研究了擴(kuò)大頭壓力型錨索的受力性能，并將其應(yīng)用于海口某基坑工程中[4]；龔復(fù)軍將擴(kuò)大頭錨索應(yīng)用于南寧某基坑支護(hù)工程中[5]；李云峰等將擴(kuò)大頭錨索應(yīng)用于廣州某地鐵基坑[6]；張小平等采用旋噴擴(kuò)孔，將擴(kuò)大頭錨索應(yīng)用于河南省鄭東新區(qū)某基坑[7]。在工程應(yīng)用如火如荼之際，對(duì)擴(kuò)體錨桿的理論和試驗(yàn)研究也在緊鑼密鼓地開展：曾慶義等基于多個(gè)工程的實(shí)測數(shù)據(jù)，研究了擴(kuò)體錨桿的力學(xué)機(jī)制并提出了擴(kuò)大頭錨桿抗拔力計(jì)算公式[8]；胡建林等在研制錨桿機(jī)械擴(kuò)孔器的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了擴(kuò)體錨桿的工藝試驗(yàn)和抗拔試驗(yàn)研究[9]；郭鋼等通過室內(nèi)模型試驗(yàn)，研究了砂土中豎直埋設(shè)的擴(kuò)體錨桿在不同埋深條件下的豎向拉拔破壞模式，提出在工程設(shè)計(jì)中擴(kuò)體錨桿應(yīng)采用深埋形式[10]，并運(yùn)用數(shù)字照相變形量測技術(shù)研究了擴(kuò)體錨桿拉拔破壞機(jī)制[11]。

經(jīng)過大量的工程應(yīng)用和試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)常規(guī)的擴(kuò)體錨桿不能有效利用擴(kuò)體段的端承力，中國京冶工程技術(shù)有限公司開發(fā)了囊式擴(kuò)體錨桿，并在多個(gè)項(xiàng)目中應(yīng)用：由深圳市勘察研究院有限公司設(shè)計(jì)、中建二局施工的某超高層深基坑就采用了囊式擴(kuò)體錨桿[12]；中鐵十五局將囊式擴(kuò)體錨桿應(yīng)用于湖州某淤泥質(zhì)土基坑中[13]；劉鐘等研究了囊式擴(kuò)體錨桿的承載特性和破壞形式，并統(tǒng)計(jì)了囊式擴(kuò)體錨桿在深基坑和地下空間抗浮的應(yīng)用現(xiàn)狀(截止到發(fā)稿時(shí))[14]。

2 囊式擴(kuò)體錨桿的受力原理

囊式擴(kuò)體錨桿利用液壓擴(kuò)孔后在孔內(nèi)放入囊袋，然后在囊袋內(nèi)注漿(或灌注細(xì)石混凝土)，利用囊袋增加錨固體與土體之間的摩阻力，同時(shí)有效利用囊袋頭部的端壓力，減短錨桿長度、增加單錨拉力。囊式擴(kuò)體錨桿具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

(1)囊袋式擴(kuò)體段對(duì)周邊土體產(chǎn)生擠脹作用，可增加單錨拔力，同時(shí)減少變形量；

(2)囊式擴(kuò)體錨桿能利用囊袋頂部的土體端壓力，單錨拉力大大提高；

(3)囊式擴(kuò)體錨桿是壓力型錨桿，耐久性好；

(4)囊內(nèi)灌注高標(biāo)號(hào)水泥漿體或者細(xì)石混凝土，錨固體強(qiáng)度大，可以給錨固端頭承壓提供強(qiáng)度保證。

囊式擴(kuò)體錨桿的基本結(jié)構(gòu)是由無黏結(jié)線材構(gòu)成的自由段和帶有囊式膨脹擠擴(kuò)體的端承錨固段組成，其各組成部分及受力簡圖如圖1所示[12]。

圖1 囊式擴(kuò)體錨桿組成及受力簡圖

從圖1可以看出，囊式擴(kuò)體錨桿與傳統(tǒng)錨桿最顯著的區(qū)別在于兩者錨固段形式的差異，傳統(tǒng)錨桿依靠錨固段與周圍土體的黏結(jié)力和摩擦效應(yīng)來傳遞荷載，所以錨固力的大小取決于有效錨固段的長度；而囊式擴(kuò)體錨桿主要依靠膨脹擠擴(kuò)體的端壓作用承載，錨固力的大小主要取決于膨脹擠擴(kuò)體的端頭承載面積，所以膨脹擠擴(kuò)體的長度只需滿足能夠?qū)ν馏w有效擠密的要求即可，錨固段的長度可以大大縮短。

3 囊式擴(kuò)體錨桿在某項(xiàng)目中的應(yīng)用

某項(xiàng)目位于深圳市，設(shè)4層地下室，基坑總體開挖深度約 20 m，局部坑中坑處開挖深度約 25 m，支護(hù)周長 427 m，面積約 10 000 m2。

場地內(nèi)自上而下可分為人工填土層(厚度 3 m～9 m)、粗砂(厚度 0.7 m～3.8 m)、礫質(zhì)粉質(zhì)黏土(厚度 3.6 m～41.4 m)，下伏燕山期粗?；◢弾r。

場地周邊分布有密集的管線和建、構(gòu)筑物，且靠近正在運(yùn)營的地鐵，錨索長度受限；若采用樁撐支護(hù)，則支撐梁體量較大、立柱較多，造價(jià)高昂且影響施工工期。綜合比選之后，本項(xiàng)目采用灌注樁+囊式擴(kuò)體錨桿進(jìn)行支護(hù)。

本項(xiàng)目地層參數(shù)如表1所示。

本項(xiàng)目地層參數(shù) 表1

本項(xiàng)目典型支護(hù)剖面圖如圖2所示。

圖2 典型支護(hù)剖面圖

4 現(xiàn)場試驗(yàn)及支護(hù)效果

因本項(xiàng)目支護(hù)結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為一級(jí)，正式施工前另行施工3根囊式擴(kuò)體錨桿進(jìn)行了基本實(shí)驗(yàn)，基本實(shí)驗(yàn)循環(huán)加載至擴(kuò)體錨桿軸向拉力標(biāo)準(zhǔn)值的1.8倍即 828 kN，3根囊式擴(kuò)體錨桿均未發(fā)生破壞，仍處于良好的工作狀態(tài)。其中的1#實(shí)驗(yàn)錨索的荷載—位移曲線如圖3所示，荷載—彈性位移曲線如圖4所示，荷載—塑性位移曲線如圖5所示。

圖3 基本實(shí)驗(yàn)錨索的荷載—位移曲線

圖4 基本實(shí)驗(yàn)錨索的荷載—彈性位移曲線

圖5 基本實(shí)驗(yàn)錨索的荷載—塑性位移曲線

從圖3～圖5可以看出，當(dāng)實(shí)驗(yàn)荷載517 kN(接近錨桿工作荷載)時(shí)，實(shí)驗(yàn)錨桿的彈性變形約為 14.6 mm，塑性變形約為 16 mm；當(dāng)實(shí)驗(yàn)荷載 620 kN時(shí)，實(shí)驗(yàn)錨桿的彈性變形約為 19 mm，塑性變形約為 20 mm；當(dāng)實(shí)驗(yàn)荷載達(dá)到 724 kN時(shí)，實(shí)驗(yàn)錨桿的彈性變形約為 27.3 mm，塑性變形約為 23.3 mm；當(dāng)實(shí)驗(yàn)荷載達(dá)到最大值 828 kN時(shí)，實(shí)驗(yàn)錨桿的彈性變形約為 49 mm，塑性變形約為 37 mm。以上數(shù)據(jù)說明，實(shí)驗(yàn)錨索在循環(huán)加載過程中錨索錨固段未發(fā)生較大的位移，錨索仍處在正常工作狀態(tài)，錨索的軸向拉力標(biāo)準(zhǔn)值可取為 460 kN。

根據(jù)本項(xiàng)目的地質(zhì)條件，同長度的普通錨索軸向拉力標(biāo)準(zhǔn)值只能達(dá)到 250 kN～280 kN，本項(xiàng)目采用囊式擴(kuò)體錨桿后拉力標(biāo)準(zhǔn)值得到顯著提高。

施工過程中第三方監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，本項(xiàng)目基坑開挖到底后地面水平位移最大值僅約 29 mm，與基本實(shí)驗(yàn)接近錨索工作荷載時(shí)的錨索彈性變形與塑性變形之和接近，且滿足規(guī)范和設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)論與建議

(1)囊式擴(kuò)體錨桿由于充分利用了囊袋端部的土體承載力，可有效減短錨桿(索)長度、提高錨桿(索)拉力標(biāo)準(zhǔn)值，并可有效控制變形。在本項(xiàng)目中，囊式擴(kuò)體錨桿的拉力標(biāo)準(zhǔn)值從 250 kN～280 kN提高到了 460 kN，提高幅度達(dá)到了64%～84%。

(2)囊式擴(kuò)體錨桿可用在深圳地區(qū)的沖洪積層之黏性土、砂層中以及殘積土層中，但因其囊袋端部受力較大的特點(diǎn)，目前尚未見用于淤泥及淤泥質(zhì)土等軟弱地層中的文獻(xiàn)，用于淤泥及淤泥質(zhì)土等軟弱地層中前需進(jìn)一步研究其效果。

(3)在周邊條件受限的情況下采用囊式擴(kuò)體錨桿可取得較好的經(jīng)濟(jì)效果。

(4)本項(xiàng)目囊式擴(kuò)體錨桿在施工過程中采用了液壓擴(kuò)孔工藝，該工藝在淤泥及淤泥質(zhì)土等軟弱地層中易塌孔，需在擴(kuò)孔前采取其他如旋噴等預(yù)防塌孔的措施。

(5)囊式擴(kuò)體錨桿為工廠定制，其囊袋有固定尺寸，設(shè)計(jì)及施工前需了解囊袋的常用尺寸，以免現(xiàn)場二次加工。

(6)囊式擴(kuò)體錨桿端部體積大，需充分考慮避免群錨效應(yīng)的錨桿間距；同時(shí)，若錨桿端部相近，易出現(xiàn)錨桿端部上方土體整體被拉裂的情況，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意避免。