擴體錨桿在強中風化砂巖抗浮工程中的應用研究

張 劍，楊化冰，楊 波

（甘肅省建筑科學研究院有限公司，甘肅 蘭州 730070）

20 世紀以來，隨著經濟快速發展，城市化進程加快，對于一些高邊坡、深基坑、地下空間抗浮等技術難度高的、風險大的項目，普通的錨桿所提供的承載力已不滿足需求，而擴體錨桿在解決此類問題方面十分有效[1]。近年來，擴體錨桿作為一種新型巖土錨桿技術逐步推廣應用于土木工程領域。國內外學者針對擴體錨桿錨固機理與抗拔性能做了一些理論與試驗研究，并實際指導應用于工程之中。擴體錨桿承載力高、變形小、經濟高效等優點日益受到了學術界與工程界的關注，并逐漸運用于工程實踐中。本文現場試驗地域其巖層風化嚴重，多為強、中風化砂巖，對于持力層為強風化巖而言，普通錨桿難以提供合適的抗拔承載力，故采用擴體錨桿提供足夠大的承載力。本文通過持力層為強中風化砂巖的擴體錨桿現場試驗研究分析的方法，探討擴體錨桿實際利用價值。

1 現場試驗

1.1 工程概況

某公寓公租房建設項目地下車庫部分為地下3F 的建筑，結構形式為框架結構，基礎采用筏板基礎，基礎持力層為天然強風化砂巖層，設計基礎底面對絕對標高為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，中間局部區域缺失。黃褐色，土質不均勻，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，場地局部區域缺失。褐黃色，土質較均勻，蟲孔、孔隙較發育。無光澤反應，干強度低，韌性低，搖振反應中等，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號樓區域厚度較厚，為 8.20～13.20 m。雜色，成分以石英巖、花崗巖、變質巖等為主，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、粉質黏土、細砂、圓礫夾層或透鏡體，規律性差。

（4）④ 層，強風化砂巖層（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、細粒結構，層狀構造，泥質膠結，成巖作用差，易鉆進，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，暴露地表極易風化，致密。

（5）⑤ 層，中風化砂巖（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，細粒結構，層狀構造，泥質膠結，成巖作用差，鉆進較緩，巖芯較破碎，遇水或擾動易軟化，暴露地表極易風化，不經擾動時強度較高，致密，較堅硬。

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給，排泄方式主要以徑流排泄為主。受豐水期、枯水期季節性變化及周圍人工開采降水影響明顯，地下水年內變化幅度為 1.00～1.50 m。

1.2 試驗設計

本次共進行2組抗浮錨桿試驗，每組抗浮錨桿各3根。第1組抗浮錨桿，設計錨桿為普通錨桿，設計成孔直徑為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，設計抗浮錨桿桿體采用3根Φ22螺紋鋼筋，設計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，設計錨桿為擴體錨桿，設計錨桿上部成孔直徑為200mm、長度為 6.30 m，下部擴孔直徑為400mm、擴體段長度為 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，設計抗浮錨桿桿體采用ΦT32螺紋鋼筋，鋼筋的屈服強度標準值為1080 MPa，鋼筋的極限抗拉強度標準值為1230 MPa，設計抗浮擴體錨桿抗拔承載力為340kN，抗浮錨桿漿體采用 M30水泥漿。6 根試驗錨桿（S1號、S2號、S3號、S4號、S5號、S6號）的施工參數具體參數如表1所示。

表1 抗浮錨桿基本試驗錨桿情況匯總表

1.3 抗浮錨桿施工情況

（1）基坑開挖至設計基底墊層底標高處，按照抗浮錨桿平面布置示意圖布點定位。在錨桿孔位中心點處固定安裝同直徑 PVC 管預留孔，立即進行混凝土墊層施工，墊層混凝土強度達到設計要求后，進行錨桿鉆機組裝就位調平。

（2） 鉆機安裝就位調平后，采用鉆機成孔至設計抗浮錨桿深度后，采用旋噴鉆機對擴大頭部位旋噴注漿，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，保證注漿體直徑達到設計要求。注漿料根據地質情況，按照設計要求地下水有腐蝕性時采用普通硅酸鹽水泥，同時摻入抗硫阻銹外加劑及各種外加劑。

（3）擴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廠家預訂，抗浮錨桿桿體（設計保護區域）外層涂抹一層環氧樹脂防腐涂層，進行防銹、防腐處理。錨桿上端頭錨入筏板中 0.70 m，端頭采用2個專用螺母，長度72mm，螺母中間為方形墊板，規格為150mm×150 mm×20 mm。錨桿安裝桿底端采用2個專用螺母，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層厚度，錨桿底端采用2個專用螺母，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，調平三腳架，三腳架上下孔與墊層預留錨桿孔位對中，下孔定位裝置插入預留孔，防止支架移位，錨桿垂直插入孔中。

1.4 加載方式

依據 GB 50086—2015《巖土錨桿與噴射混凝土支護工程技術規范》及試驗方案，本次錨桿基本試驗，采用循環加、卸荷方法，每級荷載達到相對穩定后加下一級荷載，同時觀測每級荷載下預應力錨索位移量，直到加載量達到預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）試驗設備及儀表。本次試驗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、百分表已經過標定校正。

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

表2 錨桿基本試驗循環加、卸荷等級與位移觀測間隔時間

（3）錨桿試驗中出現下列情況之一時可視為破壞，應終止加載。① 在規定的持荷時間內錨桿位移增量 ＞ 2.0 mm。② 錨桿桿體破壞。

2 試驗結果及分析

2.1 第1組試驗結果

2.1.1 S1號抗浮錨桿

試驗在含水量狀態下，該錨桿上拔加載量為108kN 時，相應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。該抗浮錨桿試驗在含水量狀態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

試驗在含水量狀態下，該錨桿上拔加載量為108kN 時，相應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。該抗浮錨桿試驗在含水量狀態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

試驗在含水量狀態下，該錨桿上拔加載量為108kN 時，相應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。該抗浮錨桿試驗在含水量狀態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組試驗結果

2.2.1 S4號抗浮錨桿

試驗在含水量狀態下，該錨桿上拔加載量為684kN 時，相應錨桿總上拔位移量為 25.31 mm。繼續加載至720kN 時，本級相應錨桿上拔位移量為 6.24 mm，累計總位移量達 31.55 mm，在規定的持荷時間內，錨桿的位移增量達到 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。該抗浮錨桿試驗在含水量狀態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

試驗在含水量狀態下，該錨桿最大上拔加載量720kN，相應錨桿上拔量為 18.95 mm，加載量達到最大預估試驗荷載，滿足終止加荷條件，終止試驗。該抗浮錨桿試驗在含水量狀態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

試驗在含水量狀態下，該錨桿最大上拔加載量720kN，相應錨桿上拔量為 16.44 mm，加載量達到最大預估試驗荷載，滿足終止加荷條件，終止試驗。該抗浮錨桿試驗在含水量狀態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。

抗浮錨桿基本試驗結果匯總如表3所示。

表3 抗浮錨桿基本試驗結果匯總表

3 試驗結果及分析

該工程場地內，兩組抗浮錨桿基本試驗結果。對第1組3根（S1號、S2號、S3號）抗浮錨桿的基本試驗情況綜合分析確定，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情況綜合分析確定，試驗在含水量狀態及抗浮錨桿施工參數條件下，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。由上面兩組試驗結果可以看出，有擴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風化砂巖中成孔困難及深基坑中打樁機退場的問題，而擴體抗浮錨桿又有效解決了普通抗浮錨桿在強風化砂巖中承載力偏低、防水的問題。擴體抗浮錨桿為單根鋼筋、普通抗浮錨桿為3根鋼筋。

（2）基坑開挖至設計標高處，立即進行混凝土墊層施工，有效地控制了錨桿位置、防止了強風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）試驗結果表明，擴體抗浮錨桿承載力是普通抗浮錨桿承載力的 6.3 倍，減少錨桿數量，有效節約了施工成本，并減少了錨桿施工對砂巖層的破壞。

4 結語

通過對試驗結果分析可知，有擴大頭的抗浮錨桿在極限承載力上有明顯的提高，同時也有減少工程成本、節約自然資源、更好防滲能力的優點。雖然本次試驗研究還有待完善，但是基本驗證了擴體錨桿在實際工程應用中的優勢。未來隨著對擴體型錨桿不斷地研究，其應用會更加廣泛。