擴(kuò)體錨桿在強(qiáng)中風(fēng)化砂巖抗浮工程中的應(yīng)用研究

張 劍，楊化冰，楊 波

（甘肅省建筑科學(xué)研究院有限公司，甘肅 蘭州 730070）

20 世紀(jì)以來，隨著經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，城市化進(jìn)程加快，對于一些高邊坡、深基坑、地下空間抗浮等技術(shù)難度高的、風(fēng)險(xiǎn)大的項(xiàng)目，普通的錨桿所提供的承載力已不滿足需求，而擴(kuò)體錨桿在解決此類問題方面十分有效[1]。近年來，擴(kuò)體錨桿作為一種新型巖土錨桿技術(shù)逐步推廣應(yīng)用于土木工程領(lǐng)域。國內(nèi)外學(xué)者針對擴(kuò)體錨桿錨固機(jī)理與抗拔性能做了一些理論與試驗(yàn)研究，并實(shí)際指導(dǎo)應(yīng)用于工程之中。擴(kuò)體錨桿承載力高、變形小、經(jīng)濟(jì)高效等優(yōu)點(diǎn)日益受到了學(xué)術(shù)界與工程界的關(guān)注，并逐漸運(yùn)用于工程實(shí)踐中。本文現(xiàn)場試驗(yàn)地域其巖層風(fēng)化嚴(yán)重，多為強(qiáng)、中風(fēng)化砂巖，對于持力層為強(qiáng)風(fēng)化巖而言，普通錨桿難以提供合適的抗拔承載力，故采用擴(kuò)體錨桿提供足夠大的承載力。本文通過持力層為強(qiáng)中風(fēng)化砂巖的擴(kuò)體錨桿現(xiàn)場試驗(yàn)研究分析的方法，探討擴(kuò)體錨桿實(shí)際利用價(jià)值。

1 現(xiàn)場試驗(yàn)

1.1 工程概況

某公寓公租房建設(shè)項(xiàng)目地下車庫部分為地下3F 的建筑，結(jié)構(gòu)形式為框架結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)采用筏板基礎(chǔ)，基礎(chǔ)持力層為天然強(qiáng)風(fēng)化砂巖層，設(shè)計(jì)基礎(chǔ)底面對絕對標(biāo)高為1496.47 m。由于該工程抗浮不滿足要求，擬增加抗浮錨桿對該建筑進(jìn)行抗浮加固處理。

（1）① 層，雜填土（Qml）。層厚 0.20～7.00 m。場地四周厚中間薄，中間局部區(qū)域缺失。黃褐色，土質(zhì)不均勻，以粉土為主，含植物根系及大量建筑、生活垃圾等，稍濕，稍密。

（2）② 層，黃土狀粉土（Qal+pl）。埋深 0.30～ 4.80 m，厚度 0.60～3.10 m，層面高程為1507.37～1510.21 m，場地局部區(qū)域缺失。褐黃色，土質(zhì)較均勻，蟲孔、孔隙較發(fā)育。無光澤反應(yīng)，干強(qiáng)度低，韌性低，搖振反應(yīng)中等，稍濕，稍密。

（3）③ 層，卵石（Qal+pl）。埋深 1.30～7.00 m，厚度 4.00～13.20 m ，層面高程為1505.42～1 508.62 m。其中，普遍厚度 4.00～7.30 m，場地東北部2號樓區(qū)域厚度較厚，為 8.20～13.20 m。雜色，成分以石英巖、花崗巖、變質(zhì)巖等為主，磨圓度較好，呈亞圓形，級配一般，粒徑以 20～80 mm 為主，最大150mm，含漂石，卵石顆粒呈中風(fēng)化，交錯排列，充填物以粗粒土為主，骨架顆粒含量占全重的 60%～65%，中密。該層在表層分布有不同厚度的粉土、粉質(zhì)黏土、細(xì)砂、圓礫夾層或透鏡體，規(guī)律性差。

（4）④ 層，強(qiáng)風(fēng)化砂巖層（N 2）。埋深 8.00～ 16.60 m，厚度 5.50～6.50 m，層面高程為1493.71～1501.71 m。其中，普遍埋深 8.00～12.50 m，場地東北部 2 號樓區(qū)域埋深較深，為 10.20～16.60 m。半成巖，橘紅色，礦物成分以石英、長石為主，含少量云母、細(xì)粒結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造，泥質(zhì)膠結(jié)，成巖作用差，易鉆進(jìn)，易塌孔，巖芯破碎，多呈 3～5 cm 的短柱狀，局部散體狀，遇水或擾動極易軟化，暴露地表極易風(fēng)化，致密。

（5）⑤ 層，中風(fēng)化砂巖（N2）。埋深 14.00～ 22.80 m，勘查厚度 5.00～15.60 m（未穿透），層面高程為1487.64～1 495.81 m。其中，普遍埋深 14.00～ 18.00 m，場地東北部2號樓區(qū)域埋深較深，為 16.10～ 22.80 m。半成巖，橘紅色，礦物成分以石英、長石為主，含少量云母，細(xì)粒結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造，泥質(zhì)膠結(jié)，成巖作用差，鉆進(jìn)較緩，巖芯較破碎，遇水或擾動易軟化，暴露地表極易風(fēng)化，不經(jīng)擾動時(shí)強(qiáng)度較高，致密，較堅(jiān)硬。

勘探期間，地下水埋深 3.00～7.10 m，層面高程介于1505.40～1 506.40 m，總體流向北東。地下水類型為階地型潛水，主要含水層為卵石層，第三系砂巖層為相對隔水底板。場地地下水主要接受大氣降水和地表水入滲等補(bǔ)給，排泄方式主要以徑流排泄為主。受豐水期、枯水期季節(jié)性變化及周圍人工開采降水影響明顯，地下水年內(nèi)變化幅度為 1.00～1.50 m。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本次共進(jìn)行2組抗浮錨桿試驗(yàn)，每組抗浮錨桿各3根。第1組抗浮錨桿，設(shè)計(jì)錨桿為普通錨桿，設(shè)計(jì)成孔直徑為150mm，錨桿錨固段有效錨固長度為 11.30 m，錨桿自由段長度為 0.70 m，設(shè)計(jì)抗浮錨桿桿體采用3根Φ22螺紋鋼筋，設(shè)計(jì)抗浮錨桿抗拔承載力特征為180kN，抗浮錨桿漿體采用 M30水泥漿。第2組抗浮錨桿，設(shè)計(jì)錨桿為擴(kuò)體錨桿，設(shè)計(jì)錨桿上部成孔直徑為200mm、長度為 6.30 m，下部擴(kuò)孔直徑為400mm、擴(kuò)體段長度為 5.00 m，錨桿錨固段有效錨固長度為 11.30 m，錨桿自由段長度為 0.70 m，設(shè)計(jì)抗浮錨桿桿體采用ΦT32螺紋鋼筋，鋼筋的屈服強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為1080 MPa，鋼筋的極限抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為1230 MPa，設(shè)計(jì)抗浮擴(kuò)體錨桿抗拔承載力為340kN，抗浮錨桿漿體采用 M30水泥漿。6 根試驗(yàn)錨桿（S1號、S2號、S3號、S4號、S5號、S6號）的施工參數(shù)具體參數(shù)如表1所示。

表1 抗浮錨桿基本試驗(yàn)錨桿情況匯總表

1.3 抗浮錨桿施工情況

（1）基坑開挖至設(shè)計(jì)基底墊層底標(biāo)高處，按照抗浮錨桿平面布置示意圖布點(diǎn)定位。在錨桿孔位中心點(diǎn)處固定安裝同直徑 PVC 管預(yù)留孔，立即進(jìn)行混凝土墊層施工，墊層混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求后，進(jìn)行錨桿鉆機(jī)組裝就位調(diào)平。

（2） 鉆機(jī)安裝就位調(diào)平后，采用鉆機(jī)成孔至設(shè)計(jì)抗浮錨桿深度后，采用旋噴鉆機(jī)對擴(kuò)大頭部位旋噴注漿，控制注漿量大于理論注漿量，注漿至孔口，注漿體直徑由注漿壓力控制，保證注漿體直徑達(dá)到設(shè)計(jì)要求。注漿料根據(jù)地質(zhì)情況，按照設(shè)計(jì)要求地下水有腐蝕性時(shí)采用普通硅酸鹽水泥，同時(shí)摻入抗硫阻銹外加劑及各種外加劑。

（3）擴(kuò)體抗浮錨桿選用鋼筋為單筋 T32PSB1080精軋螺紋鋼。該鋼筋及所有配件均從鋼筋生產(chǎn)廠家預(yù)訂，抗浮錨桿桿體（設(shè)計(jì)保護(hù)區(qū)域）外層涂抹一層環(huán)氧樹脂防腐涂層，進(jìn)行防銹、防腐處理。錨桿上端頭錨入筏板中 0.70 m，端頭采用2個(gè)專用螺母，長度72mm，螺母中間為方形墊板，規(guī)格為150mm×150 mm×20 mm。錨桿安裝桿底端采用2個(gè)專用螺母，螺母中間鎖定直徑110mm、厚度12mm 的圓形墊板，用于控制錨桿在錨孔中位置及增強(qiáng)錨桿在錨固體重的錨固力。

（4）為了保證錨桿桿體的在錨固體中的位置和保護(hù)層厚度，錨桿底端采用2個(gè)專用螺母，螺母中間鎖定Φ110mm 為圓形墊板。錨桿安裝定位，采用現(xiàn)場加工制作輔助三角支架安裝，三角支架頂兩面安裝水平管，錨桿安裝時(shí)，調(diào)平三腳架，三腳架上下孔與墊層預(yù)留錨桿孔位對中，下孔定位裝置插入預(yù)留孔，防止支架移位，錨桿垂直插入孔中。

1.4 加載方式

依據(jù) GB 50086—2015《巖土錨桿與噴射混凝土支護(hù)工程技術(shù)規(guī)范》及試驗(yàn)方案，本次錨桿基本試驗(yàn)，采用循環(huán)加、卸荷方法，每級荷載達(dá)到相對穩(wěn)定后加下一級荷載，同時(shí)觀測每級荷載下預(yù)應(yīng)力錨索位移量，直到加載量達(dá)到預(yù)估荷載或破壞荷載后，再逐級卸荷至零并測讀錨頭位移量。

（1）試驗(yàn)設(shè)備及儀表。本次試驗(yàn)采用水泥支墩提供支座反力。第1組抗浮錨桿采用1臺50t 拉拔儀加荷，第2組抗浮錨桿采用1臺100t 拉拔儀加荷，用百分表測讀沉降。拉拔儀、百分表已經(jīng)過標(biāo)定校正。

（2）錨桿基本試驗(yàn)應(yīng)采用多循環(huán)張拉方式，其加荷、持荷、卸荷方法應(yīng)符合下列規(guī)定。① 預(yù)加的初始荷載應(yīng)取最大試驗(yàn)荷載的 0.1 倍，分8級加載到最大試驗(yàn)荷載。② 每級荷載施加或卸除完畢后，應(yīng)立即測讀位移量；砂性土、巖層中的錨桿每級持荷時(shí)間宜為5min。③ 試驗(yàn)中的加荷速度約為70kN/min；卸荷速度約為160kN/min。④ 加、卸荷等級、測讀間隔時(shí)間確定如表2所示。

表2 錨桿基本試驗(yàn)循環(huán)加、卸荷等級與位移觀測間隔時(shí)間

（3）錨桿試驗(yàn)中出現(xiàn)下列情況之一時(shí)可視為破壞，應(yīng)終止加載。① 在規(guī)定的持荷時(shí)間內(nèi)錨桿位移增量 ＞ 2.0 mm。② 錨桿桿體破壞。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 第1組試驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 S1號抗浮錨桿

試驗(yàn)在含水量狀態(tài)下，該錨桿上拔加載量為108kN 時(shí)，相應(yīng)錨桿總上拔位移量為 12.34 mm。在加載下一級過程中，錨桿被拔出，此時(shí)加載量為120kN，可判定錨桿已破壞，滿足終止加荷條件，終止試驗(yàn)。該抗浮錨桿試驗(yàn)在含水量狀態(tài)下的豎向抗拔極限承載力取錨桿破壞荷載的前一級荷載，即 S1號錨桿抗拔極限承載力為108kN。

2.1.2 S2號抗浮錨桿

試驗(yàn)在含水量狀態(tài)下，該錨桿上拔加載量為108kN 時(shí)，相應(yīng)錨桿總上拔位移量為 9.86 mm。在加載下一級過程中，錨桿被拔出，此時(shí)加載量為120kN，可判定錨桿已破壞，滿足終止加荷條件，終止試驗(yàn)。該抗浮錨桿試驗(yàn)在含水量狀態(tài)下的豎向抗拔極限承載力取錨桿破壞荷載的前一級荷載，即 S2號錨桿抗拔極限承載力為108kN。

2.1.3 S3號抗浮錨桿

試驗(yàn)在含水量狀態(tài)下，該錨桿上拔加載量為108kN 時(shí)，相應(yīng)錨桿總上拔位移量為 9.34 mm。在加載下一級過程中，錨桿被拔出，此時(shí)加載量為120kN，可判定錨桿已破壞，滿足終止加荷條件，終止試驗(yàn)。該抗浮錨桿試驗(yàn)在含水量狀態(tài)下的豎向抗拔極限承載力取錨桿破壞荷載的前一級荷載，即 S3號錨桿抗拔極限承載力為108kN。

2.2 第2組試驗(yàn)結(jié)果

2.2.1 S4號抗浮錨桿

試驗(yàn)在含水量狀態(tài)下，該錨桿上拔加載量為684kN 時(shí)，相應(yīng)錨桿總上拔位移量為 25.31 mm。繼續(xù)加載至720kN 時(shí)，本級相應(yīng)錨桿上拔位移量為 6.24 mm，累計(jì)總位移量達(dá) 31.55 mm，在規(guī)定的持荷時(shí)間內(nèi)，錨桿的位移增量達(dá)到 4.45 mm（已 ＞ 2.00 mm），可判定錨桿已破壞，滿足終止加荷條件，終止試驗(yàn)。該抗浮錨桿試驗(yàn)在含水量狀態(tài)下的豎向抗拔極限承載力取錨桿破壞荷載的前一級荷載，即 S4號錨桿抗拔極限承載力為684kN。

2.2.2 S5號抗浮錨桿

試驗(yàn)在含水量狀態(tài)下，該錨桿最大上拔加載量720kN，相應(yīng)錨桿上拔量為 18.95 mm，加載量達(dá)到最大預(yù)估試驗(yàn)荷載，滿足終止加荷條件，終止試驗(yàn)。該抗浮錨桿試驗(yàn)在含水量狀態(tài)下的豎向抗拔極限承載力取其最大加荷量，即S5號錨桿抗拔極限承載力為720kN。

2.2.3 S6號抗浮錨桿

試驗(yàn)在含水量狀態(tài)下，該錨桿最大上拔加載量720kN，相應(yīng)錨桿上拔量為 16.44 mm，加載量達(dá)到最大預(yù)估試驗(yàn)荷載，滿足終止加荷條件，終止試驗(yàn)。該抗浮錨桿試驗(yàn)在含水量狀態(tài)下的豎向抗拔極限承載力取其最大加荷量，即 S 6 號錨桿抗拔極限承載力為720kN。

抗浮錨桿基本試驗(yàn)結(jié)果匯總?cè)绫?所示。

表3 抗浮錨桿基本試驗(yàn)結(jié)果匯總表

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

該工程場地內(nèi)，兩組抗浮錨桿基本試驗(yàn)結(jié)果。對第1組3根（S1號、S2號、S3號）抗浮錨桿的基本試驗(yàn)情況綜合分析確定，其抗拔極限承載力均為108kN、抗拔極限承載力平均值為108kN，極差未超過平均值的 30%，取最小值為錨桿的抗拔極限承載力，即108kN。對第2組3根（S4號、S5號、S6號）抗浮錨桿的基本試驗(yàn)情況綜合分析確定，試驗(yàn)在含水量狀態(tài)及抗浮錨桿施工參數(shù)條件下，其抗拔極限承載力分別為684kN、720 kN、720 kN，其抗拔極限承載力平均值為708kN，極差未超過平均值的 30%，取最小值為錨桿的抗拔極限承載力，即684kN。由上面兩組試驗(yàn)結(jié)果可以看出，有擴(kuò)體的錨桿承載力提高是明顯的。

（1）抗浮錨桿有效解決了抗浮樁在強(qiáng)風(fēng)化砂巖中成孔困難及深基坑中打樁機(jī)退場的問題，而擴(kuò)體抗浮錨桿又有效解決了普通抗浮錨桿在強(qiáng)風(fēng)化砂巖中承載力偏低、防水的問題。擴(kuò)體抗浮錨桿為單根鋼筋、普通抗浮錨桿為3根鋼筋。

（2）基坑開挖至設(shè)計(jì)標(biāo)高處，立即進(jìn)行混凝土墊層施工，有效地控制了錨桿位置、防止了強(qiáng)風(fēng)化砂巖層因遇水在空氣中暴露而軟化，并避免施工過程中對基底的擾動。

（3）試驗(yàn)結(jié)果表明，擴(kuò)體抗浮錨桿承載力是普通抗浮錨桿承載力的 6.3 倍，減少錨桿數(shù)量，有效節(jié)約了施工成本，并減少了錨桿施工對砂巖層的破壞。

4 結(jié)語

通過對試驗(yàn)結(jié)果分析可知，有擴(kuò)大頭的抗浮錨桿在極限承載力上有明顯的提高，同時(shí)也有減少工程成本、節(jié)約自然資源、更好防滲能力的優(yōu)點(diǎn)。雖然本次試驗(yàn)研究還有待完善，但是基本驗(yàn)證了擴(kuò)體錨桿在實(shí)際工程應(yīng)用中的優(yōu)勢。未來隨著對擴(kuò)體型錨桿不斷地研究，其應(yīng)用會更加廣泛。