有限循環(huán)壓力注漿技術在錨固工程中的應用研究

李明

（江西省地質工程（集團）公司/贛中南地質礦產(chǎn)勘查研究院，南昌 330029）

1 引言

目前，工程領域錨固結構(包括錨桿、錨索)傳統(tǒng)壓漿方法均采用“一次單向壓漿法”，但該法壓漿存在不能有效控制漿液擴散范圍及樁端漿液分布不均勻、可控性差等問題，長期以來，一直影響制約著錨固結構有效抗拔力的提高。在為解決此技術難題的背景下，江地集團課題組進行了大量理論研究，并結合實際工程項目試驗攻關，開發(fā)完成了“錨固工程中有限循環(huán)壓力注漿技術”，可大幅提高錨桿的有效抗拔錨固力，有效解決了傳統(tǒng)“一次單向壓漿法”的固有缺陷問題。

2 研究關鍵技術難題

針對錨固結構的一次單向壓漿法現(xiàn)狀及缺陷，本課題在以下2方面關鍵技術難題開展研究工作：

1）循環(huán)壓力注漿錨桿承載性能機理分析；

2）有限循環(huán)壓力注漿參數(shù)對結構錨固力的數(shù)值影響分析。

3 背景試驗研究

3.1 試驗場地概況

試驗場地位于常州某工程項目地塊內(nèi)。場地地貌單元隸屬長江三角洲沖湖積平原地貌，勘察深度內(nèi)地基土自上而下地質情況為：（1）～（2）雜填土 /素填土；（3）粉質黏土 /粉質黏土夾粉土；（4）粉土夾粉質黏土；（5）a 粉質黏土；（6）粉質黏土；（7）粉土；（8）黏土；（9）粉質黏土；（10）a 粉質黏土；（11）粉質黏土；（11）a 細砂；（12）細砂；（13）粉質黏土；（14）細砂；（15）粉質黏土；（16）粉細砂；（17）粉質黏土；（18）細砂；（19）粉質黏土～黏土；（20）細砂夾中粗砂。

3.2 錨桿試驗設計參數(shù)

為了解不同條件下循環(huán)壓漿次數(shù)對錨固結構受力特性的影響[1]，在該試驗場地設計了3組試驗，共9根錨桿。壓漿次數(shù)分1次、2次、3次和4次；錨桿長度分6m和9m 2種規(guī)格；錨桿直徑分25mm、28mm和32mm 3種規(guī)格，1組/2組設在（2）層粉質黏土層，3 組穿過（2）層粉質黏土層和（3）層粉質黏土夾粉土層。為了解在拉拔荷載作用下，錨桿應力沿軸線分布情況，在錨桿上按一定間隔各設置了5個鋼筋計。

3.3 錨桿循環(huán)注漿試驗實施情況

3.3.1 循環(huán)注漿工藝

循環(huán)注漿工藝流程如下：（1）錨孔施工；（2）循環(huán)注漿管路與錨桿綁扎在一起，循環(huán)注漿裝置距錨桿末端50cm，注漿管綁扎在錨桿端部；（3）錨桿安放后，進行第一次注漿；（4）待漿液初凝后（3～4h）進行第二次注漿；（5）第二次注漿后5～6h進行第三次注漿；（6）第三次注漿后5～6h進行第四次注漿；（7）卸下注漿接頭。

3.3.2 準備工作與漿液的配制

準備工作與漿液配制應注意以下事項：

1）壓漿管于安裝前應進行清洗，以清除管內(nèi)雜物；

2）壓漿前，進行壓漿管及接頭耐壓試驗，并認真檢查高壓設備及管路系統(tǒng)，確保設備正常運轉；

3）壓漿水泥采用P·O42.5或P·O32.5普通硅酸鹽水泥，可根據(jù)需要加入外加劑。漿液水灰比：第一次注漿，0.5；第二次、第三次、第四次注漿，0.5～0.6。漿液配制程序：先放水，再加外加劑，攪拌均勻后加水泥；

4）嚴格控制漿液配比，攪拌時間不少于2min，漿液應具有良好的流動性，不離析，不沉淀，漿液進入儲漿桶時必須用16目紗網(wǎng)進行2次過濾，防止雜物堵塞壓漿孔及管路；

5）試樁漿液最終配方必須通過現(xiàn)場試配確定，確認達到性能指標后，再付諸使用。

3.3.3 錨桿循環(huán)注漿裝置

錨桿循環(huán)注漿裝置[2]由注漿管和循環(huán)注漿器構成,其中循環(huán)注漿器為江地集團開發(fā)的“水清式多次循環(huán)注漿器”專利技術(專利號：ZL2010 2 0646674.6)。

1）注漿管。注漿管為2根，分別為進口管和出口管，直徑20mm，采用黑鐵管或膠質管，要求最大耐壓5MPa。本次試驗采用黑色膠質管；

2）循環(huán)注漿器。安裝于進口管和出口管底部，將注漿管連接為1個回路。循環(huán)注漿器為一“U”形結構，在側壁布置5～8排φ6～8mm對穿孔，每個鉆孔單獨制作，形成1個類似單向閥作用細微孔。其構成由3層組成： 第一層為逆止孔；第二層為彈性密封層；第三層為固定保護層。專利技術“水清式多次循環(huán)注漿器”。

注意事項：（1）制作前，壓漿管密封部位應用細砂紙打磨；（2）施工前注漿器應進行地面試壓試驗，如圖1所示。

圖1 水清式多次循環(huán)注漿器(專利產(chǎn)品)

3.3.4 錨桿循環(huán)注漿技術要點

1）確保鉆孔施工質量。安裝錨桿拉筋時，確保不損壞壓漿管路，不得強行扭轉和沖撞。

2）壓漿管路清洗要點：（1）進漿口壓漿時，打開回路的出漿口閥門，先排出注漿管內(nèi)的清水，當出漿口流出的漿液濃度與進口漿液的濃度基本相同時，關閉出漿口閥門，開始注漿；（2）每循環(huán)壓漿完成后立即用清水徹底沖洗干凈，再關閉閥門；（3）在每一循環(huán)壓漿過程中，必須保證壓漿施工的連續(xù)性，壓漿停頓時間超過30min，應對管路進行清洗。

3.3.5 錨桿循環(huán)注漿試驗情況

本研究項目在江浙滬地區(qū)展開了多次有限循環(huán)壓力注漿錨固工程試驗。以下以常州某項目深基坑支護體系工程為例，介紹錨固試驗情況。

試驗時間為2017年11月21日06:40～11月22日02:37，對直徑分別為φ25mm、φ28mm、φ32mm、長 6m、9m的3組共9根錨桿展開4次循環(huán)壓漿對比試驗工作。本次試驗情況如下：

1）注漿設備：采用YSB-2型擠壓式注漿機。有關參數(shù)：排漿量 1.2～1.8m3/h，工作壓力2.0MPa，電機功率2.2/2.8kW，輸送高度50m，輸送距離150m，質量250kg。

2）試驗工作內(nèi)容：錨孔成孔、清孔、錨桿機注漿裝置放置、4次循環(huán)壓力注漿（之間清洗管路）、封堵自然養(yǎng)護。

3.4 錨桿拉拔現(xiàn)場試驗

待3組共9根錨孔壓漿自然養(yǎng)護28d后，即可對錨桿的錨固力進行拉拔試驗，拉拔試驗情況如下。

3.4.1 錨桿拉拔試驗現(xiàn)場介紹

試驗錨桿在基坑中的豎向分布布置。循環(huán)壓漿試驗施工分為：錨孔成孔、錨桿與循環(huán)注漿裝置安裝、注漿管路連接、錨孔循環(huán)壓力注漿、錨桿拉拔試驗等工序。

3.4.2 錨桿拉拔試驗原理與方法

1）錨桿拉拔試驗原理

錨桿拉拔試驗的主要設備包括穿心千斤頂、油泵、百分表和承載板等。加壓時，千斤頂以坑壁提供的反力向外拉錨桿，從而得到不同拉拔力作用下的位移值。

2）拉拔試驗方法

采用循環(huán)加載，初始荷載宜取fptk的0.1倍，每級加載增量宜取fptk的1/10～1/15；在每級加載觀測時間內(nèi)，當錨頭位移增量不大于0.1mm時，可施加下一級荷載；不滿足時應在錨頭位移增量2h以內(nèi)小于2mm時，再施加下一級荷載。

加載錨桿試驗終止條件：（1）后一級荷載產(chǎn)生的錨頭位移增量達到或超過前一級荷載位移增量2倍；（2）某級荷載下錨頭總位移不收斂；（3）錨頭總位移超過設計允許位移值。

3.4.3 錨桿拉拔試驗結果

壓漿工程完成1個月后，錨桿拉拔試驗從2017年12月21日15：20開始，至2017年12月26日14：25結束，共對3組12根錨桿進行了試驗。

3.4.4 錨桿拉拔試驗結果分析

根據(jù)現(xiàn)場試驗結果，對同一排同長度的錨桿在不同壓漿次數(shù)情況下得到的極限承載力對比結果如表1所示。

試驗表明,采用有限循環(huán)壓漿技術后，錨桿極限拉拔力大幅提高。由表1試驗結果分析， 可初步得出以下有限循環(huán)壓漿錨固力數(shù)值規(guī)律：

1）第一組：2次壓漿比 1次注漿提高 68.3%，3次壓漿比2次注漿提高48.5%，3次壓漿比1次注漿提高144.05%～150%；4次壓漿比3次注漿提高4.57%；4次壓漿比1次注漿提高167.14%。第二組：2次壓漿比1次注漿提高22.0%，3次壓漿比2次注漿提高100.7%，3次壓漿比1次注漿提高142.04%～144.9%；4次壓漿比3次注漿提高7.33%；4次壓漿比1次注漿提162.85%。第三組：2次壓漿比1次注漿提高54.5%，3次壓漿比2次注漿提高94.2%，3次壓漿比1次注漿提高190.75%～200%；4次壓漿比3次注漿提高6.25%；4次壓漿比1次注漿提218.75%。

2）根據(jù)上述試驗數(shù)據(jù)表明，極限拉拔力提高幅度與循環(huán)壓漿次數(shù)有極大關系：（1）3次內(nèi)循環(huán)壓漿效果：第一組和第二組長度6m錨桿：3次相對1次提高幅度接近為142.04%～150%；第三組長度12m錨桿：3次相對1次提高幅度接近為190.75%～200%。（2）4次內(nèi)循環(huán)壓漿效果：第一組和第二組長度6m錨桿：4次相對1次提高幅度接近為161.43%～162.85%；4次比3次壓漿提高4.57%～7.33%；；第三組長度12m錨桿：4次相對1次提高幅度接近為218.75%，但4次比3次壓漿提高6.25%，與前2組相差不大。

4 研究結論

通過本項目大量試驗研究得出以下主要結論：

表1 錨桿拉拔試驗結果對比表

4.1 循環(huán)壓力注漿錨桿承載性能機理結論

第一次注漿起填充作用，第二次～第四次注漿為后壓力注漿[3]。二次后壓力注漿為劈裂注漿：提高錨固力的機理是在不增大鉆孔直徑的基礎上,通過高壓注漿，使?jié){液對一次注漿形成的錨固體及其周圍土體產(chǎn)生劈裂充填作用，使錨固段漿體的直徑得到有效增加，同時將原來漿體與孔壁巖土體的平整的面接觸改變成漿脈狀的鋸齒形接觸，從而明顯地提高了錨固段的抗剪強度，大大提高了錨桿的承載力。

4.2 有限循環(huán)壓力注漿參數(shù)對結構錨固力的數(shù)值影響結論

根據(jù)試驗結果分析， 可初步得出有限循環(huán)壓漿錨固力數(shù)值規(guī)律結論：

1）三次循環(huán)壓漿錨固力值提高非常顯著：二次較一次/三次較一次壓漿錨固力值平均約提高0.5～2倍，錨固力與壓漿次數(shù)呈非線性倍數(shù)增長； 四次循環(huán)壓漿錨固力值提高不明顯：四次循環(huán)壓漿雖然也能提高錨固力值，但從3組數(shù)據(jù)看，四次較三次僅僅提高4.57%、7.33%及6.25%。

2）有限循環(huán)壓漿錨固施工建議：循環(huán)壓漿次數(shù)不是循環(huán)次數(shù)越多越好，施工循環(huán)壓漿次數(shù)不宜過多是有限的，根據(jù)試驗建議控制在3次為宜，此狀態(tài)下力學效果與經(jīng)濟成本之比最佳，如壓漿次數(shù)再增加到4，5，…，n次，錨固力雖有增加，但數(shù)值有限，卻大幅度增加材料、工時等施工成本，效費比極差。據(jù)此，建議根據(jù)工程實際情況，壓漿次數(shù)控制在3次以內(nèi)的有限循環(huán),以保證項目的技術效果與經(jīng)濟成本的綜合平衡性。