擴大頭壓力型錨索的現場試驗研究

劉國楠, 溫科偉, 李中國, 胡榮華

（1.中國鐵道科學研究院深圳研究設計院，廣東 深圳 518034;2.深圳市巖土工程有限公司，廣東 深圳 518034）

0 前言

壓力型錨索具有較好的防腐耐久性等特點，在永久性工程中應用具有技術優勢[1]。擴大頭或分段擴大頭壓力型錨索利用專制的鉆頭或高壓噴射注漿等方法，在錨固段形成一個或多個擴大頭，可提高錨固效率和單錨承載力，具有更好的經濟性[1-2]。由于擴大頭錨索施工工藝較為復雜，而且需要專用的擴孔機具，目前應用還不普及，實際工程經驗較少。為了了解該類錨索的工作性能并驗證其設計參數，本文結合深圳市某地質災害治理工程實際[3]，利用鐵科院自行研制的可調直徑傘狀擴孔鉆頭，進行多組擴大頭和分段擴大頭壓力型錨索現場試驗。并將試驗結果與普通拉力型錨索進行對比分析，以期對擴大頭壓力型錨索的設計方面工程提供依據。

1 試驗條件

1.1 試驗工點地質條件

試驗工點主要地層為坡積土和殘積土土層；下臥基巖巖性為流紋質凝灰巖，塊狀構造，自上而下依次為強風化、中風化和微風化巖(圖1)。

該場地主要地層土的物理力學性質指標見表1。

圖1 試驗工點地層剖面Fig.1 The stratigraphic section of the test site.

表1 土層物理性質參數

1.2 擴孔鉆頭與施工工藝

錨索鉆孔采用回旋鉆機，循環水排渣，鉆孔直徑 130 mm。擴孔采用鐵科院研制的可調直徑傘狀擴孔鉆頭，鉆頭最小直徑90 mm，擴孔直徑130～270 mm（可調）。當鉆孔到位需要擴孔時，換上擴孔鉆頭，在鉆桿頂推力的作用下頭部擴孔臂打開，工作原理如圖2所示。

圖2 擴孔鉆頭工作原理示意圖Fig.2 Working principle diagram of reaming bit.

1.3 試驗分組

所有試驗安排在相近的地點，地質條件無明顯變化。根據工程和研究的需要布置了四種共12根錨索拉拔試驗，分組如表2所列。除了現場拉拔試驗之外，各種壓力型錨索的錨固體按1 m間距設置了YH01100振弦式應變計，監測拉拔試驗過程中錨固體的應變從而推測錨固體受力特征。

表2 試驗分組

2 試驗錨索的結構形式

（1）拉力型錨索

如圖3(a)所示，拉力型錨索鉆孔直徑130 mm，自由段長度5 m，錨固段長度10 m，2根鋼絞線，二次壓力注漿。

（2）壓力型錨索

如圖3(b)所示，鉆孔直徑130 mm，錨索長度15 m，2根鋼絞線，二次壓力注漿。

圖3 三種錨索的結構圖Fig.3 The structures of pull-type, pressure-type and pressuretype anchor with subsection enlarged-end.

（3）擴大頭壓力型錨索

如圖 3(c)所示，鉆孔直徑 130 mm，擴孔直徑250 mm，每個擴孔段設置一個配置兩根無粘結鋼絞線的承壓盤，擴大頭部分二次高壓注漿。試驗類型分為端部擴孔和兩段擴孔兩種，分段擴孔錨索擴大頭間距為3 m。

3 拉拔試驗結果

3.1 試驗方法

按照中國建設標準化協會標準《巖土錨桿（索）技術規程》（CECS22∶2005）所規定的錨桿（索）基本試驗（極限抗拔試驗）的方法，進行錨索的拉拔試驗。在張拉荷載等級分別為20% Afptk，30%Afptk，40% Afptk，50% Afptk，60% Afptk，70% Afptk和80% Afptk下進行循環加卸載，最后一個循環將錨索加載至破壞。錨索拉力以安裝在錨頭的測力傳感器測值為準；錨索位移為錨索的絕對伸長量；在某級荷載下位移穩定之后，讀取錨固體應變值。

3.2 試驗結果

（1）拉力型錨索

圖4 拉力型錨索拉拔試驗結果Fig.4 The pull-out test results of pull-type anchor.

（2）壓力型錨索

圖5 壓力型錨索拉拔試驗結果Fig.5 The pull-out test results of pressure-type anchor.

圖6 壓力型錨索注漿體實測應變分布（循環5）Fig.6 The measured strain distribution of cement-based grout in the pressure-type anchor.

（3）端部擴孔壓力型錨索

圖7 端部擴大頭壓力型錨索拉拔試驗結果Fig.7 The pull-out test results of pressure-type anchor with enlarged-end in topping.

圖8 端部擴大頭壓力型錨索注漿體實測應變分布Fig.8 The measured strain distribution of cement-based grout in the pressure-type anchor with enlarged-end in topping.

（4）兩段擴孔壓力型錨索

圖9 兩段擴大頭壓力型錨索拉拔試驗結果Fig.9 The pull-out test results of pressure-type anchor with two segment enlarged-end.

圖10 兩段擴大頭壓力型錨索注漿體實測應變分布Fig.10 The measured strain distribution of cement-based grout in the pressure-type cable with t wo segment enlarged-end.

3.3 拉拔力統計

按照規范的方法確定錨索的極限抗拔力，以及荷載為0.5 Afptk時的塑性位移如表3所列。2根鋼絞線時，0.5 Afptk對應拉拔荷載220 kN，4根絞線時對應450 kN。

表3 0.5 Afptk時的塑性位移

4 試驗結果分析

4.1 極限抗拔力的比較

試驗得出拉力型錨索極限抗拔力均值267 kN，同樣長度壓力型錨索抗拔力均值283 kN，壓力型錨索相比拉力型抗拔力增加6%；總長8 m，錨固段長3 m擴孔一倍的端部擴大頭壓力型錨索抗拔力均值290 kN，相比拉力型增加8%；而兩段擴大頭壓力型錨索的極限抗拔力均值613 kN，基本上是單個擴大頭壓力型錨索極限抗拔力的兩倍，說明選用擴大頭間距3 m（一倍擴孔段長）是合理的。

利用壓力型錨索的極限抗拔力試驗結果，反算土層與錨固體的粘結強度為70 kPa，可初略計算擴孔段摩阻力提供的極限抗拔力分量為165 kN，端部土體承載力提供的極限抗拔力分量為125 kN，說明擴孔錨索擴孔前端土體提供的抗拔力占重要部分。

前端土體提供的極限抗拔力可以用下式計算：

式中1d為擴孔直徑；2d為鉆孔直徑；q代表土層的快剪強度。

4.2 變形特性

錨索拉拔試驗時的總位移量主要取決于自由段的長度和塑性位移量，由于本次試驗錨索的長度不一，總位移量的比較意義不大。塑性位移量的大小能反映錨索工作時的變形特性。拉力型錨索可以看成是一端固定的模式，試驗結果表明在錨索的錨固體達到滑移破壞之前，錨索卸載時的塑性位移量很小。當最大荷載0.5 Afptk時，拉力型錨索卸載回彈實測塑性位移均值4.21 mm；各類壓力型錨索實測塑性位移均超過10 mm。由此可見壓力型錨索的預張拉消除塑性位移量是十分重要的。

4.3 壓力型錨索摩阻力分布特性

根據實測結果，圓柱形壓力型錨索錨固段注漿體的壓應變近似呈三角形分布，擴大頭段壓應變近似呈梯形分布。分段擴大頭錨索的前后段壓應變的分布規律一致，大小有區別，前擴孔段變形大，后擴孔段變形較小，荷載大時較為明顯。主要原因在于前后單元的鋼絞線長度不一致，在等位移拉拔作用下較短拉桿錨索受力較大。該結果說明分段擴大頭壓力分散型錨索有必要分單元張拉，或者進行較長錨索單元預先補償張拉。

5 結論

(1) 在同等條件下，壓力型錨索的極限抗拔力大于拉力型錨索；

(2) 擴大頭壓力型錨索的擴大頭前端土體提供重要的抗拔作用，可以近似利用土體強度指標計算；

(3) 壓力型錨索有較大的塑性位移，在張拉鎖定時應采用大于工作荷載的拉力預張拉，以消除塑性位移；

(4) 在擴大頭合理間距條件下，壓力分散型錨索的總抗拔力為各單元抗拔力之和；一倍擴孔段長度作為擴大頭間距是合理的；

(5) 分段擴大頭壓力型錨索應采用分單元張拉或補償張拉方式，以消除拉桿長度不同而產生的荷載集中。

[1]蘇自約,林強有,丁國貴,等.巖土錨固技術的新發展與工程實踐[M].北京：人民交通出版社,2008.

[2]林振湖,何國金.土層擴大頭錨桿擋土墻[J].建筑結構學報,1980：65.

[3]劉國楠,潘效鴻.深圳地區地質災害治理新技術的研究報告[R].2010.