渦壓擠擴細石混凝土錨固支護土體的施工方法★

李春寶 薛世峰 俞然剛

(中國石油大學(華東)儲運與建筑工程學院，山東 青島 266580)

·巖土工程·地基基礎·

渦壓擠擴細石混凝土錨固支護土體的施工方法★

李春寶 薛世峰 俞然剛

(中國石油大學(華東)儲運與建筑工程學院，山東 青島 266580)

提出且驗證了渦壓擠擴機理，分析了混凝土介質向土體介質中擠入的力學條件，介紹了渦壓擠擴細石混凝土錨固支護土體的設備及施工工藝流程，結果表明，采用渦壓擠擴方法實施錨固支護土體的施工工藝在理論上是可行的。

渦壓擠擴機理，錨固支護，施工設備

為預防和治理地質體變形過大而產生土體滑坡，工程上常將一種受拉桿件埋入巖土體，用于調動和提高巖土體自身強度和自穩能力。這種受拉桿件工程上稱為錨桿，它所起的作用即為錨固[1]。巖土錨固是巖土工程領域的重要分支，其基本原理就是依靠錨桿周圍的地層的抗剪強度來傳遞結構物的拉力或保持地層開挖面自身的穩定。在巖土工程中采用錨固技術，能較充分地調用和提高巖土體的自身強度和自穩能力[2]。經過多年的工程實踐和理論研究，國內外在邊坡工程的各個方面都取得了很大成就。目前工程實踐中常用的錨桿主要包括：管縫式錨桿、自鉆旋進錨桿、倒楔式金屬錨桿、自旋樹脂錨桿、自旋噴漿錨桿、自旋注漿錨桿等[3]。上述加固方法和相應技術在國內大規模經濟建設中發揮了很大的作用。但是各類錨桿都有自己的弊端，例如自旋錨桿，其中的自攻旋進錨桿安裝要求鉆孔精確、各項參數配合恰當，施工中難以達到要求；而自攻擠壓選進錨桿對鉆機扭矩要求大，適應性受限，個別情況下單位錨固力小，自鉆錨桿的錨固全憑后期錨固注漿，注漿對于向上的孔很難達到飽和注漿,錨固可靠性差。為克服現有技術中存在的上述缺陷，提出了渦壓擠擴機理，設計了渦壓擠擴鉆具，并在實驗室內進行了方向性驗證試驗，首次將渦壓擠擴鉆具應用于錨固支護土體的施工工藝中[4]。結果表明：該錨固設備和方法能沿錨管不同部位擠壓擴徑，形成多個承力盤，增加樁側阻力，設有錨固件的勁性芯材能夠與混凝土形成較大的錨固力，施工簡單，無需開挖原土，縮減工期及減少造價，錨管抗拔承載力大，適用性強。

1 渦壓擠擴機理

渦壓擠擴機理是利用渦壓葉片在旋轉的過程中使渦壓腔內的流態混凝土獲得動能和靜壓能(其中靜壓能占主導)，獲得靜壓能的流態混凝土經過渦壓腔口被渦壓套管擠壓到套管外的周圍土體中，使流態混凝土在深度土層位置向水平方向擠擴。此機理已在實驗室內得到充分驗證(見圖1)。運用渦壓擠擴機理進行錨固支護的施工，細石子被擠入到周圍土體中形成擴徑體，能夠有效地擠密錨管周圍土體；水泥漿被擠擴、帶入到擴徑體中與石子凝結固化之后，形成了堅實的擴徑部。通過在錨管的不同深度的位置設置擴徑部，增大了接觸面且擠密了土體，在受拉時,擴徑部將軸向荷載分級分配給不同土層，充分利用不同土層提高抗拔承載力。

2 渦壓擠擴細石混凝土錨固支護土體的施工設備

渦壓擠擴細石混凝土錨固支護土體的施工設備主要包括錨固架和擠擴設備兩大部分，錨固架由錘擊裝置、旋扭裝置、車體、立柱和斜撐等組成(見圖2a))，擠擴設備由鋼套管、旋扭齒輪、渦壓腔組成(見圖2b))。

鋼錨管底部為開口，頂部設置與旋扭設備匹配的齒輪。靠近鋼錨管底部的內側設有渦壓腔(見圖2b))，渦壓腔由渦壓葉片和渦壓葉片上下兩端之間的鋼錨管所圍成的空間組成；在渦壓葉片處開設兩個對稱的渦壓腔口，作為流態混凝土向外水平擠壓出口，每個開口的寬度為鋼套管1/4周長，開口高度與渦壓葉片的高度相同(見圖2c))；渦壓葉片由兩個完全相同的半圓環鋼板反對稱焊接而成，呈S形(見圖2d))，渦壓葉片兩端之間的直線距離與鋼套管的直徑相同；S形渦壓葉片的兩端分別與渦壓腔出口的豎向側邊焊接固定，將焊縫打磨光滑，渦壓葉片所采用的鋼材型號、鋼板厚度與鋼套管的鋼材型號、鋼板厚度相同，保證渦壓葉片與鋼套管之間連接形成順滑曲面，利于流態混凝土向外水平擠壓；旋轉齒輪內側為光圓柱面，外側設有嚙合齒，旋轉齒輪的內徑與鋼套管的外徑相同，旋轉齒輪的頂面與鋼套管的頂面平齊，旋轉齒輪箍焊在鋼套管的頂部外側，旋轉齒輪作為錘擊套管和旋扭套管的傳力裝置(見圖2b)，見圖2e))。

3 渦壓腔內混凝土向腔外土體擠入力學模型

渦壓式旋轉分層擴徑樁能夠實現，主要是運用了渦壓擠擴機理，為了能夠實現渦壓擠擴混凝土到周圍土體中，需要分析渦壓葉片、流態混凝土以及周圍土體的受力關系。建立了三者的力學模型，討論混凝土介質(以粗骨料為主)向土體介質中擠入的力學條件。取渦壓葉片外側邊緣的石子為研究對象，進行力學分析。瞬時運動時，渦壓葉片與周圍土體的運動可視為平行運動的關系(見圖3)，將渦壓葉片等效為剛體(無變形)，與可壓縮土體保持平行運動狀態，將粗骨料(石子)理想化為剛性圓球。探討渦壓葉片剛體在力F的作用下，粗骨料與可壓縮土體的相對運動關系，即粗骨料向可壓縮土體內的擠入路徑和擠入條件。

等效剛體與剛性圓球之間的摩擦系數為μ1，法向力為N1，摩擦力為f1；可壓縮土體與剛性圓球之間的摩擦系數為μ2，法向力為N2，摩擦力為f2，受力關系見圖3。

由平衡關系可知：

μ1N1cosθ+N1sinθ=μ2N2

(1)

由圖3中剛性圓球的受力關系可知，為使剛性圓球能夠擠入到可壓縮土體中需滿足：

N1cosθ>μ1N1sinθ+N2

(2)

將式(1)代入到式(2)中，推導如下：

μ2N1cosθ>μ1μ2N1sinθ+μ2N1cosθ+N1sinθ；

μ2cosθ>μ1μ2sinθ+μ1cosθ+sinθ；

(μ2-μ1)cosθ>(1+μ1μ2)sinθ；

(3)

4 渦壓擠擴細石混凝土錨固支護土體的施工工藝流程

利用上述渦壓擠擴細石混凝土錨固支護土體的設備，具體工藝流程如下[4,5]：

第一步：鋼錨管就位(見圖4a))，將鋼錨管下端對準要錘管入

土的部位；

第二步：錘管入土(見圖4b))，將鋼錨管打入土層至預定位置；

第三步：灌注細石混凝土(見圖4c))，將細石混凝土從鋼錨管頂部灌注到鋼錨管內；

第四步：旋扭錨管(見圖4d))，將旋扭動力設備連接到鋼錨管頂部的旋轉齒輪上，通過轉動旋轉齒輪帶動鋼錨管一同旋轉，在渦壓葉片的擠壓驅動作用下，錨管內細石混凝土經過渦壓腔口被渦壓擠擴到周圍土體中，起到形成擴徑部的作用，待擴徑部達到設計尺寸時停止旋鈕，可根據錨固承載力的需求設置渦壓腔的數量；

第五步：澆筑錨頭(見圖4e))，完成擴徑之后，在鋼錨管上部繼續澆細石混凝土，形成混凝土錨頭，該處的渦壓擠擴細石混凝土錨固支護土體完成。

5 結語

首次提出“渦壓擠擴機理”，并將其應用到渦壓擠擴細石混凝土錨固支護土體的施工方法中，詳細說明了渦壓擠擴設備的設計方案及錨固土體施工工藝流程。可知，渦壓擠擴設備簡單，易加工制作；現行的錨固土體施工設備與渦壓擠擴細石混凝土錨固支護土體施工工藝所用設備兼容性好，略加改造即可用于本方案。通過分析渦壓葉片、流態混凝土以及周圍土體的受力關系，得出混凝土介質向土體質中擠入的力學條件。綜合分析表明，采用渦壓擠擴法實施渦壓擠擴細石混凝土錨固支護土體的方案是可行的，具有較強的適用性。

[1] 王恭先.滑坡防治工程措施的國內外現狀[J].中國地質災害與防治學報,1998,9(1):1-9.

[2] 程良奎.巖土錨固的現狀與發展[J].土木工程學報，2001，34(3):7-12，34.

[3] 徐禎祥.巖土錨固工程技術發展之回顧與展望[J].市政技術，2009，27(2):136-140，185.

[4] 李春寶,薛世峰,劉曉輝.一種用于渦壓擠擴細石混凝土錨固支護土體的設備及方法：中國專利,2014101136437[P].2014-03-25.

[5] 李春寶,薛世峰,俞然剛，等.渦壓式旋轉分層擴徑樁成樁方法[J].施工技術，2014,43(13):38-41.

The construction method of vortex-pressure expand fine aggregate concrete to anchor supporting the soil★

LI Chun-bao XUE Shi-feng YU Ran-gang

(CollegeofPipelineandCivilEngineering,ChinaUniversityofPetroleum,Qingdao266580，China)

It first proposed vortex compression expansion mechanism. Discuss the mechanics conditions of concrete medium squeeze into the soil medium. It describes the vortex compression expanding equipment and the construction process of anchor supporting the soil. The comprehensive results indicate that it’s feasible to use the method of vortex compression expansion to anchor supporting the soil technology.

vortex squeeze expansion mechanism， anchor supporting， construction equipment

1009-6825(2014)28-0038-02

2014-07-23★：2013年國家自然科學基金項目(項目編號：51208510)；2014年中國石油大學(華東)研究生自主創新基金項目(項目編號：14CX06067A)

李春寶(1980- )，男，博士，實驗師； 薛世峰(1963- )，男，博士生導師，教授； 俞然剛(1967- )，男，博士生導師，教授

TU463

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