公路護坡用變直徑鋼筋籠擴大頭錨桿受力特性試驗研究

黃家建

（柳州市城市投資建設發展有限公司，廣西 柳州 545000）

0 引言

錨桿支護是在邊坡、巖土深基坑等地表工程及隧道、采場等地下硐室施工中常見的一種加固支護方式。常規錨桿用金屬件、木件、聚合物件或其他材料制成桿柱，打入地表巖體或硐室周圍巖體預先鉆好的孔中，利用其頭部、桿體的特殊構造和尾部托板（亦可不用），或依賴于粘接作用將圍巖與穩定巖體結合在一起而產生懸吊效果、組合梁效果、補強效果，以達到支護的目的，具有成本低、支護效果好、操作簡便、使用靈活、占用施工凈空少等優點。由于普通錨桿的擴體錨固段與桿體的粘接效果比較有限，抗拔力偏小，而采用變直徑鋼筋籠擴大頭錨桿，可顯著提高其抗拔力[1]。本文重點通過試驗來研究變直徑鋼筋籠擴大頭錨桿抗拔承載力特征。

1 工程地質概況

根據融安至從江高速公路一期工程（融安至安太段）地質資料及工程地質調繪成果，結合鉆探揭示的巖性特征，高邊坡路段地層在揭示深度范圍內由第四系殘坡積（Q4el+dl）、上板溪群合桐組下段（Ptbh1）絹云板巖組成，場址巖層產狀為270°∠35°，呈強、中、微風化狀態，揭露深度50.0m地層巖性自上而下依次為：

（1）黏土（Q4el+dl）：黃色，硬塑狀，無搖震反應，手按無明顯凹痕，含角礫約40%，角礫礫徑多為10～50mm，無磨圓度。該層分布在斜坡表層，揭露層厚2.3m，根據土工試驗結果，該層土非特殊性巖土，土石工程分類為Ⅱ級普通土。

（2）強風化娟云板巖（Ptbh1）：灰紅色，泥質結構，板狀構造，強風化節理裂隙強烈發育，巖體破碎，進尺較快。難取巖芯，多數呈粉砂狀、碎塊狀少量短柱狀，取芯率較低。鉆孔揭露16.70m，取巖樣1組，經點荷載試驗換算巖塊飽和單軸極限抗壓強度（Raj）：1.76MPa，屬Ⅳ級軟石。

（3）中風化娟云板巖（Ptbh1）：灰黑色，泥質結構，板狀構造，節理裂隙較發育，巖體較為完整，巖芯呈碎塊狀或柱狀，進尺稍快，返水正常，巖芯采取率約60%。鉆孔揭露15.5m，取巖樣1組，經試驗得巖塊飽和單軸極限抗壓強度（Raj）：9.85MPa，屬Ⅳ級軟石。

（4）微風化娟云板巖（Ptbh1）：灰色，微風化，泥質結構，板狀構造，節理裂隙微發育，巖體完整，鉆進進尺平穩緩慢，巖芯呈長柱狀，少量呈機械碎塊狀，巖芯斷面新鮮，巖石較硬，敲擊聲清脆，巖芯采取率為82%。鉆孔揭露15.50m，取巖樣1組，經試驗得巖塊飽和單軸極限抗壓強度（Raj）：24.53MPa，屬Ⅴ級次堅石。

變直徑鋼筋籠擴大頭錨桿應用研究選擇融安至從江高速公路一期工程（融安至安太段），K 線K40+380～K40+560段右側，長約180m的邊坡。

2 變直徑鋼筋籠擴大頭錨桿施工工藝

（1）錨桿鉆機調試：調節孔位置，調節夾頭角度，并將夾頭固定好。

（2）擴大頭錨桿鉆孔：用鉆桿和旋噴式鉆頭進行鉆孔到擴大端部。

（3）高壓噴射擴孔：把一個高壓抽水機連接到一個干凈的水池上，并把它開啟到一個預定的壓力（孔的直徑由水壓力調節），起動螺旋鉆，使高噴射鉆具上下移動，從而達到膨脹的壓力。

（4）復噴擴孔：把高噴的鉆頭從頂部移動到變直徑鋼筋籠擴大頭錨桿的頂部，然后再按反時針方向旋轉，進行復噴擴孔。

（5）高壓噴射注漿：將高壓水泵與水泥漿水池（水灰比1.0～1.5）相連，并使用錨固裝置。然后，利用鉆具帶動高噴射井口旋轉和上升，從而實現對高噴射井口進行高壓注漿。

（6）鋼套管跟進護臂：將鉆頭從井底拔起，并用鋼套筒對其進行防護，直至鉆至預定的水平面為止。

（7）水泥漿洗孔置換：將水泥從鋼制套管中灌注水泥砂漿（水灰比0.45～0.55），從而達到水泥漿洗孔置換的目的。

（8）安放錨桿桿體：將打好的螺栓穿出套管，安裝至設計高度。在同一時間內將螺釘主體放入。

（9）注漿：用注漿管道將泥漿從鉆孔噴至鉆孔底，直至出現孔口反漿。不斷地向樁子灌漿，直到符合設計要求。

3 現場對比試驗

3.1 試驗目的

針對變直徑鋼筋籠擴大頭錨桿設計使用中的問題，開展等截面常規錨桿與變直徑鋼筋籠擴大頭錨桿現場足尺抗拔比較實驗，并結合實驗測量結果，對變直徑鋼筋籠擴大頭錨桿的受力-變形關系的分析，探索變直徑鋼筋籠擴大頭錨桿在工程應用的實用性及受力特征。具體地講，就是探討變直徑鋼筋籠擴大頭錨桿在擴大頭錨固段直徑和擴大頭錨固段長度改變的情況下，受力與變形之間的關系。

3.2 實驗方案

對6個變直徑鋼筋籠擴大頭錨桿的抗拔實驗進行研究，其設計方案見表1。

表1 抗拔試驗設計方案

3.3 試驗過程及方法

利用1000kN的水力穿芯式千斤頂進行加載試驗，用壓力表讀出加載參數，并用機械式百分表測錨桿位移。加載系統是一種人工油泵，加載裝置是一種支墩橫梁反力裝置，它是一種利用天然地基來提供支座反力，將穿心式千斤頂放置在橫梁上，并使用夾具將錨桿與穿心式千斤頂進行連接。本研究采取分層加載試驗方式，在每個加載觀察期間，測量3個錨桿的位移，并對其進行數值模擬。前一階段的試驗載荷維持10min[2]。變直徑鋼筋籠擴大頭錨桿測試結束條件：

（1）變直徑鋼筋籠擴大頭錨桿與錨具一起被拉出；

（2）加載壓力是設計荷載或者最大荷載的兩倍；

（3）變直徑鋼筋籠擴大頭錨桿的主體結構被破壞；

（4）后一種荷載造成錨桿的變形增大，相當于前一種荷載的兩倍或更多。

3.4 實驗結果對比分析

試驗所得數據見表2。

表2 試驗結果

3.5 實驗結果分析

3.5.1 1號等截面錨桿與3號鋼筋籠擴大頭錨桿荷載-位移結果分析

圖1為1號與3號兩種模型的錨桿荷載與位移量之間的關系，1號等截面的錨桿的張力是420kN，而將錨桿的錨桿直徑增大到400mm時的張力是810kN。

圖1 1號等截面錨桿與3號鋼筋籠擴大頭錨桿荷載-位移曲線

結果表明：3號鋼筋籠擴大頭錨桿的Q-S曲線較為平滑，其抗拔承載力約為相同斷面的一倍；然而，當其拉伸失效時，由于其力學特性不佳，當其達到極限時，其對應的位移量也很低，同時，其載荷-變形曲線有顯著的突變，說明其拉伸失效具有很強的突變性。在荷載低于350kN的情況下，鋼筋籠擴大頭錨桿的載荷-位移曲線接近于常規錨桿，這時錨桿的抗拔承載力主要由土錨的水平摩阻力決定；隨著荷載的增加，常規錨的橫向摩擦系數逐步增加，其承載力也隨之增加；但是，當加筋土錨固時，不僅會發生摩擦力，還會發生擠土效應，最終導致更多的土發生剪力損傷，進而引發更多的土效應，最終導致加筋土錨固支護范圍內的土發生剪力損傷，并最終影響加筋土錨固支護結構的承載能力。研究發現，即使是在較大的變形情況下，擴大頭錨桿的承載力也是不斷增加的，也就是說，這種加載-變形關系是緩慢變化的。相對于常規錨固方式，變直徑鋼筋籠擴大頭錨桿方式具有更大的受力及變形，因而有更高的安全性。

3.5.2 變直徑鋼筋籠擴大頭直徑對抗拔承載力的影響

圖2所示為不同口徑的2號、3號、4號變直徑鋼筋籠擴大頭錨桿所加荷載與對應位移量之間的關系。從圖2中可以看出，在上拔荷載小時，增大端錨的變形對增大端錨的尺寸影響很小，這是因為荷載沒有向增大端錨的基部轉移，而增大端錨的變形是由正常的錨固截面確定的。舉例來說，在荷載低于350kN時，2號、3號、4號擴大頭錨桿的變形非常接近，而在上拔荷載較大時，荷載已經轉到了擴大頭，擴大頭逐步表現出了承載的能力，并且其直徑的差別更加顯著。在實際應用中，應針對具體的工程情況，選擇適當的擴徑，通常是常規擴徑的2～3倍。

圖2 2號、3號、4號變直徑鋼筋籠擴大頭錨桿荷載-位移曲線

3.5.3 變直徑鋼筋籠擴大頭長度對抗拔承載力的影響

圖3為4號、5號、6號變直徑鋼筋籠擴大頭錨桿荷載與位移量之間的關系，這些錨桿具有不同的伸縮性長度。如圖3所示，在加大擴大頭直徑為600mm時，擴大頭長度由3.5m增至5.5m，對錨桿抗拔承載力有輕微的改善，加大擴大頭長度對承載力的影響不大。因此，在實際應用中，增大端部的尺寸對端部的受壓能力沒有顯著的效果，因此，端部的尺寸不宜太大。

圖3 4號、5號、6號變直徑鋼筋籠擴大頭錨桿的荷載-位移曲線

3.6 變直徑鋼筋籠擴大頭抗拔錨桿受力分析

根據試驗結果得出，變直徑鋼筋籠擴大頭錨桿受力特征可分為三個階段[3]，變直徑鋼筋籠擴大頭錨桿受力特征見圖4所示。

圖4 變直徑鋼筋籠擴大頭錨桿受力特征圖

（1）彈性階段。當樁端錨固荷載增大較小時，受力主要受錨固斷面的摩擦阻力影響，載荷-變形曲線呈直線，并隨荷載增大而增大，此時的土處于彈塑性變形狀態。

（2）彈塑性階段。隨著荷載的增大，在正態斷面的摩擦系數達到最大值時，由于錨索周圍的土壤和錨索之間存在剪切作用，使得錨索的錨索強度降低，其變形增大。在過去，通常采用側向承載力來決定錨桿支擋的受力與變形特征；在這一進程中，由于錨固區側摩阻力的作用，在樁頭向外擴張的同時，會對其前面的土層產生壓縮作用，從而提高其抗剪能力；同時，由于其自身的抗剪能力會加速其變形速率，從而使樁身-樁基系統由彈性轉化為彈塑性。

（3）塑性區發展階段。隨著荷載的增加，錨桿的位移量將迅速增大，同時由于周圍土體的限制，錨桿前面的土體將被壓縮，使得錨桿自身的應力狀態和塑性區更為突出。隨著不斷地壓縮，膨脹頭兩端的土體與膨脹頭之間的摩擦力逐漸增大，直到膨脹頭周邊的土體破碎。當變直徑鋼筋籠擴大頭抗拔錨桿承載力達到極限值后，錨桿周邊土體發生顯著的塑性變形，表現為局部剪力破壞。

4 結束語

根據現場抗拔試驗并對其結果進行分析，擴大頭錨桿具有超過普通錨桿2倍以上的承載能力，同時，通過增加擴大頭直徑，可進一步提高擴大頭錨桿的抗拔承載力。因此，在實際工程中，根據工程地質條件，選擇上部普通錨固段直徑的2～3倍作為擴大頭直徑是較為合適的。此外，將擴大頭長度從4m增加到6m，錨桿的抗拔承載力略有增加，但擴大頭長度對承載力的影響并不明顯。因此，在實際工程中，通常建議選擇錨桿全長的1/3作為擴大頭長度，以滿足工程要求。