高壓旋噴擴(kuò)孔錨桿在軟土基坑中的應(yīng)用

黃森良

（福建省建專巖土工程有限公司， 福建 泉州 362000）

0 引言

工程建設(shè)領(lǐng)域里各類地下室、地下車庫及地鐵車站等工程施工，都會(huì)面臨深基坑工程問題。樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)體系已是深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的常用型式之一，預(yù)應(yīng)力錨桿（錨索）施工技術(shù)已經(jīng)非常成熟，但是一般的錨桿（錨索）支護(hù)技術(shù)已經(jīng)很難滿足這些深基坑尤其是軟土深基坑的支護(hù)要求，這就促進(jìn)同行人士對(duì)錨桿（錨索）施工工藝進(jìn)行不斷研究和改進(jìn)。軟土基坑中，高壓旋噴擴(kuò)孔錨桿也已經(jīng)在許多工程中推廣應(yīng)用，筆者通過查閱相關(guān)資料以及相關(guān)工程實(shí)例，對(duì)其工作機(jī)理及應(yīng)用進(jìn)行了分析。

1 軟土的物理力學(xué)特性

軟土一般是指天然孔隙比大于或等于1.0，且天然含水量大于液限的細(xì)粒土，它包括淤泥、淤泥質(zhì)土、有機(jī)質(zhì)土、泥炭土、泥炭。我國沿海地區(qū)軟土的物理力學(xué)性質(zhì)主要有如下特點(diǎn)：天然孔隙比大，含水量高；靈敏度高；壓縮性高；抗剪強(qiáng)度低；不均勻性；滲透性低，這造成了軟土在荷載作用下固結(jié)速率很慢，強(qiáng)度不易提高。

2 預(yù)應(yīng)力錨桿作用機(jī)理

錨桿的作用機(jī)理如圖1 所示。

圖1 錨桿受力機(jī)理

預(yù)應(yīng)力錨桿主要提供軸向抗拉，其通過外端固定于坡面，另一端穿過邊坡潛在滑動(dòng)面，錨固于邊坡內(nèi)部穩(wěn)定巖土體中，通過錨桿施加的預(yù)應(yīng)力，加大滑移面上的法向壓力，從而產(chǎn)生抗滑阻力，使邊坡巖土體的結(jié)構(gòu)面處于受壓狀態(tài)，從而增大抗滑阻力，以提高邊坡巖土體的整體性，改善巖土體的力學(xué)性能，有效控制巖土體的位移，增加邊坡穩(wěn)定性。

預(yù)應(yīng)力錨桿錨固作用主要體現(xiàn)在兩方面：其一是錨桿的物理效應(yīng)，即使巖土體復(fù)合成一體，從而提高巖土體的整體穩(wěn)定性；其二是對(duì)邊坡表面提供壓力以約束邊坡向臨空方向產(chǎn)生變形。

（1）錨桿的物理效應(yīng)。通過改變邊坡巖土體一系列的物理性質(zhì)達(dá)到的，預(yù)應(yīng)力錨桿的預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的法向拉力一方面通過外置錨頭作用于邊坡表面，另一方面通過錨固段注漿材料和巖土體之間的粘結(jié)作用于巖土體內(nèi)部，使邊坡巖土體成為由錨桿、注漿體和巖土體相互作用的復(fù)合體，增加了巖土體整體剛度，從而提高巖土體的整體穩(wěn)定性。

（2）錨固的力學(xué)效應(yīng)。主要體現(xiàn)為邊坡表面錨桿的自由段張拉鎖定施加預(yù)應(yīng)力之后，彌補(bǔ)了邊坡原有的應(yīng)力，使邊坡由雙向受力狀態(tài)恢復(fù)為三向受力狀態(tài)，邊坡巖土體應(yīng)力產(chǎn)生二次重分布，使其內(nèi)部的初始裂隙閉合，進(jìn)而提高邊坡巖土體的整體剛度。對(duì)于邊坡巖土體而言，預(yù)應(yīng)力錨桿對(duì)邊坡的壓應(yīng)力作用有效控制巖土體的位移，同時(shí)加大巖土層和滑移面間的摩擦力，且錨桿本身的抗剪切作用可以阻礙巖土層間的相對(duì)滑動(dòng)，使巖土層夾緊形成組合梁，從而提高巖土層的承載能力。

3 高壓旋噴擴(kuò)孔錨桿的作用分析

對(duì)于土層錨桿，影響錨桿抗拔承載力的主要因素是錨固體與周圍巖土體之間的極限摩阻力，根據(jù)Habib 經(jīng)典理論公式：

式中：Pug——土層錨桿的極限抗拔力；

F——錨固體周圍表面的總側(cè)阻力；

Q——錨固體受壓面的總端阻力；

D1——錨固體直徑；

D2——錨固體擴(kuò)孔部分的直徑；

τz——深度Z 處錨固體周圍土層的抗剪強(qiáng)度；

q——錨固體擴(kuò)孔部分土體的抗壓強(qiáng)度；

A——錨固體擴(kuò)孔部分的承壓面積；

l1、l2、Z1、Z2——長(zhǎng)度。

τ為錨固體周圍土層的抗剪強(qiáng)度，它主要取決于與土層粘聚力、內(nèi)摩擦角以及正應(yīng)力。

由公式（1）可知決定錨桿抗拔承載力的主要因素有：錨固體直徑D、錨固體周圍土體的抗剪強(qiáng)度τ、錨固體長(zhǎng)度l、錨固體擴(kuò)孔部分土體的抗壓強(qiáng)度q。

高壓旋噴擴(kuò)孔錨桿相對(duì)于普通錨桿，主要是增大錨固體直徑、提高錨固體周圍土體的抗剪強(qiáng)度。

（1）增大錨固體直徑。通過高壓旋噴在錨桿錨固段范圍內(nèi)擴(kuò)孔形成較大直徑錨固體，增大了錨固體的表面積及錨固體擴(kuò)孔部分的承壓面積，提高錨桿的側(cè)摩阻力和錨固體受壓面的端阻力；同時(shí)，在一些薄弱部位，巖土體難以抵抗?jié){液的壓力，產(chǎn)生劈裂作用，漿液擠入周圍巖土體，并與周圍巖土體產(chǎn)生相互作用，在錨桿錨固段形成不規(guī)則形狀的錨固體。

（2）提高錨固體周圍土體的抗剪強(qiáng)度。錨固體周圍土體在高壓旋噴注漿后，在壓力的影響下減小原土顆粒之間的距離，增加土顆粒間咬合作用，減小了土顆粒之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)，加上漿液中的各種化學(xué)成分對(duì)土顆粒的作用，使土體的粘聚力、內(nèi)摩擦角得到提高。高壓旋噴注漿的擠密作用、劈裂作用等都能對(duì)錨固體周圍土體產(chǎn)生較高的正應(yīng)力。因此，錨固體周圍土體的抗剪強(qiáng)度在一定程度上得到了提高。

4 工程實(shí)例

4.1 基坑工程概況

泉州華大片區(qū)6 號(hào)地塊棚戶區(qū)改造項(xiàng)目基坑位于324 國道旁，西側(cè)為幼兒園及操場(chǎng)，西側(cè)中段和北段為大學(xué)宿舍區(qū)，北側(cè)及東北側(cè)為大學(xué)舊建筑。基坑周長(zhǎng)約980m，開挖深度約5.1-7.2m，開挖范圍內(nèi)主要土層為雜填土、粉質(zhì)粘土、淤泥、中砂、殘積砂質(zhì)粘性土，基坑開挖范圍內(nèi)的地下水主要是雜填土中的上層滯水和中砂層中的承壓水以及風(fēng)化巖殘積土中的地下水。

4.2 基坑支護(hù)設(shè)計(jì)

考慮該基坑地層和周圍環(huán)境的復(fù)雜性，比較各種方案，最終采用如下支護(hù)方案：靠近國道一側(cè)，可用場(chǎng)地范圍比較大，采用攪拌樁+土釘墻支護(hù)；其余位置采用SMW 工法樁+預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)。錨桿的最大設(shè)計(jì)軸向抗拔力為390kN，由于錨固段很大一部分位于淤泥層中，采用常規(guī)的錨桿施工工藝要達(dá)到設(shè)計(jì)的軸向抗拔力比較困難，因此，為了保證錨桿有足夠的抗拔力，錨桿的施工采用了高壓旋噴擴(kuò)孔施工工藝。預(yù)應(yīng)力錨桿注漿采用單管高壓旋噴注漿，通過高壓旋噴在擴(kuò)孔段進(jìn)行高壓注漿形成較大直徑錨固體，擴(kuò)孔后保證錨固體直徑不小于400mm。

4.3 支護(hù)效果

在基坑工程施工前進(jìn)行了錨桿基本實(shí)驗(yàn)，基坑施工過程中，進(jìn)行了錨桿的抗拔試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明錨桿的施工質(zhì)量較好，其與土體具有較好的協(xié)作關(guān)系。基坑的南側(cè)坡頂在整個(gè)施工中為建筑材料運(yùn)輸通道，且項(xiàng)目部辦公、生活用房及倉庫均建在南側(cè)，坡頂沒有出現(xiàn)可見裂縫，西側(cè)及西北側(cè)建筑也未發(fā)現(xiàn)裂縫，而且監(jiān)測(cè)資料表明基坑始終處于安全工作狀態(tài)。

5 總結(jié)

1、通過對(duì)高壓旋噴擴(kuò)孔錨桿在軟土中作用機(jī)理的分析，結(jié)合高壓旋噴擴(kuò)孔錨桿在軟土基坑支護(hù)的實(shí)際應(yīng)用效果來看，在軟土基坑中，高壓旋噴擴(kuò)孔施工工藝對(duì)于提高錨桿抗拔承載力是一種比較有效的措施。

2、錨桿的布置是以排、列的形式出現(xiàn)的，如果錨桿間距過小，尤其對(duì)于擴(kuò)孔錨桿，會(huì)引起錨桿周圍的高應(yīng)力區(qū)疊加，繼而影響錨桿的抗拔力和增加錨桿位移，即產(chǎn)生“群錨效應(yīng)”，因此應(yīng)注意錨桿的間距或調(diào)整相鄰錨桿的傾角。

3、為保證錨固體與周圍土層有足夠的接觸應(yīng)力，錨固體的上覆土層厚度應(yīng)滿足規(guī)范要求，上覆土層厚度太小會(huì)降低錨固體與土層的粘結(jié)力。采用高壓旋噴擴(kuò)孔施工工藝時(shí)，需保證上覆土層有一定的厚度，以防止高壓力下漿液溢出地表或者流入地下管線內(nèi)。