壓力型高壓旋噴擴大頭錨索在深基坑支護工程中的應(yīng)用

趙多銀， 柯 靈， 徐繼忠， 程 剛， 鄧木君

(中冶成都勘察研究總院有限公司，四川成都 610000)

1 擴大頭錨索

錨索作為基坑支護工程中控制基坑變形的重要手段之一，因其支護方式有利于土方開挖和地下結(jié)構(gòu)施工、大大縮短工期、降低工程造價，故在深基坑支護工程中應(yīng)用普遍。近年來，該領(lǐng)域新出現(xiàn)的擴大頭錨索有著自身獨特的優(yōu)勢，引起相關(guān)學(xué)者的大量研究。從力學(xué)機制的角度考慮[1-4]，傳統(tǒng)錨索(圖1)的抗拔力主要源于錨固體與土體側(cè)阻力，屬于摩擦型錨索，而擴大頭錨索(圖2)的抗拔力主要包括兩部分，普通錨固段錨固體側(cè)壁+擴大頭側(cè)壁與土體的側(cè)阻力和土體對擴大頭端部的端阻力，其屬于摩擦-端承型錨索。有學(xué)者為驗證同等條件下擴大頭錨索的抗拔力優(yōu)勢，開展了大量的現(xiàn)場試驗[2][5-7]，試驗結(jié)果證明擴大頭錨索的極限抗拔承載力是普通錨索的1～3倍左右，土質(zhì)條件越好的區(qū)域，增大倍數(shù)越大，且錨索的位移離散型較小。該工藝已成功應(yīng)用于多個大型深基坑支護項目[8-12]，取得了理想的工程價值，相對普通錨索施工工藝，其施工簡單、效率高、施工質(zhì)量好、大大提高了抗拔力、工程造價低，且能夠克服復(fù)雜土質(zhì)條件，應(yīng)用范圍廣。然而，擴大頭錨索在膨脹土地區(qū)的應(yīng)用及研究相對較少，本文基于成都膨脹土地區(qū)某深基坑樁護項目，闡述了該新型工藝的工作力學(xué)機制、施工工藝和工程價值，這對該工藝在膨脹土地區(qū)的進一步推廣有實際參考價值。

圖1 普通錨索結(jié)構(gòu)示意

圖2 擴大頭錨索結(jié)構(gòu)示意

2 工程實例

2.1 工程概況

擬建場地位于成都某一膨脹土地區(qū)，基坑支護周長約744m，面積約31 467.5m2，基坑開挖底標高為496～497.8m，基坑頂標高為506.7m，基坑深度為8.9～10.7m，安全等級一級，基坑重要性系數(shù)1.1，支護方式采用φ1.2m/1.5m@2m旋挖灌注樁+3s15.2鋼絞線擴大頭錨索的支柱體系。基坑臨時支護結(jié)構(gòu)使用年限為1年(自基坑工程竣工起)。

2.2 工程地質(zhì)

場地土層為：第四系全新統(tǒng)填土(Q4ml)、第四系中下更新統(tǒng)冰水沉積(Q1-2fgl)的黏性土、粉質(zhì)黏土、粉砂、含卵石粉質(zhì)黏土、卵石及白堊系灌口組 (K2g)泥巖。各巖土層特征分述如下：

(1)第四系全新統(tǒng)。

填土(Q4m1)：褐黃色或暗灰色，主要由黏性土構(gòu)成，含少量植物根，在場地內(nèi)分布連續(xù)，層厚0.5～5.5m。

(2)第四系中下更新統(tǒng)。

①黏土(Q1-2fgl)：褐黃色或褐灰色，主要為硬塑狀，局部為可塑狀，干強度、韌性較高，無搖震反應(yīng)，稍有光澤，裂隙較發(fā)育，其中間夾雜灰白色高嶺土，以及含有少量的氧化鐵礦物，層厚6.9～10.6m。②粉質(zhì)黏土(Q1-2fgl)：褐黃色或褐灰色，呈可塑狀，干強度韌性中等，無搖震反應(yīng)，稍有光澤，其中夾雜灰白色高嶺土，以及含有少量的氧化鐵礦物，層厚0～5.5m。③粉砂(Q1-2fgl)：褐灰色，礦物成份以石英、長石為主，顆粒級配較差，只在場地局部地段分布，層厚0.6～4.4m。④含卵石粉質(zhì)黏土(Q1-2fgl)：主要由粉質(zhì)黏土與含20 %～40 %卵石組成，粉質(zhì)黏土為可塑狀，粘聚力較好，卵石由花崗巖、石英巖組成，卵石粒徑一般為10～20mm。⑤卵石(Q1-2fgl)：含50 %～70 %卵石，充填物主要為細砂并包含少量黏性土，中密，局部夾有稍密卵石，卵石由花崗巖、石英巖組成，卵石粒徑一般為10～30mm，最大粒徑有50mm。

(3)白堊系灌口組。

①強風化泥巖(K2g)：紫紅色，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造，巖芯主要呈碎塊狀，局部為短柱狀，長度約為20～60mm，節(jié)理裂隙發(fā)育，夾有中等風化巖塊或薄層。②中等風化泥巖(K2g)：紫紅色，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造，巖層較完整，巖芯呈柱狀、短柱狀，長度約為15～30cm,最長長度達100cm,巖芯采取率為80 %～90 %，該層未穿透，最大勘探厚度達10m。

2.3 錨索施工機械

該工程采用兩種成孔機械施工，一種為干成孔+高壓旋噴擴孔模式(圖3)，另一種為泥漿護壁+高壓旋噴擴孔模式(圖4)，兩種模式的相同點是：成孔均分為兩階段施工，即引孔階段和擴孔階段。不同點是：第一種成孔模式在自由段和普通錨固段長度范圍內(nèi)成孔時，采用干成孔螺旋鉆進，之后在擴大頭錨固段采用高壓旋噴擴孔；第二種成孔模式在整個引孔階段均采用泥漿護壁鉆進，鉆桿利用其側(cè)壁高壓水孔向孔周邊噴射水體形成泥漿護壁。

圖3 干成孔作業(yè)機械

圖4 泥漿護壁作業(yè)機械

3 擴大頭錨索

3.1 擴大頭錨索工作原理

巖土錨桿(錨索)技術(shù)規(guī)程中[13]，按錨索的力學(xué)作用機理將其分為拉力型預(yù)應(yīng)力錨索和壓力型預(yù)應(yīng)力錨索，擴大頭錨索是在普通壓力型錨索的基礎(chǔ)上創(chuàng)新發(fā)展的一種新型工藝。該工程采用的壓力型擴大頭錨索結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示，其中自由段和普通錨固段直徑均為200mm，擴大頭段直徑為500mm，錨索均采用3束鋼絞線組成，錨固段架線環(huán)每隔1.5m設(shè)置一道，自由段每隔2m設(shè)置一道架線環(huán)，錨孔外預(yù)留1m張拉段。

圖5 壓力型擴大頭錨索結(jié)構(gòu)示意

其正常工作到破壞過程大致分為三個階段：首先，基坑變形初始階段，自由段錨索緊拉，普通錨固段與側(cè)壁土體摩阻力開始發(fā)揮主要作用；其次，基坑變形較大時，普通錨固段和側(cè)壁土體摩阻力逐漸達到摩阻力極限值，此時擴大頭錨固段與側(cè)壁土體摩阻力開始發(fā)揮主要作用；最后，擴大頭錨固段發(fā)揮端承-摩擦綜合效應(yīng)直至錨索失去其功能，基坑變形嚴重破壞。

3.2 擴大頭錨索工作力學(xué)機制

錨索抗拔力包括三部分，如圖2所示。F1為普通錨固段和土體的側(cè)阻力，F(xiàn)2為擴大頭錨固段和土體的側(cè)阻力，F(xiàn)3為擴大頭初始端與土體的正壓力。

F=F1+F2+F3

(1)

式中：F擴大頭錨索抗拔力。

F1=πdLdτd

(2)

式中：d為普通錨固段直徑；Ld為普通錨固段長度；τd為普通錨固段側(cè)阻應(yīng)力。

F1=πDLDτD

(3)

式中：D為擴大頭錨固段直徑；LD為擴大頭錨固段長度；τD為擴大頭錨固段側(cè)阻應(yīng)力。

F3=π(D-d)2σ

(4)

式中：σ為擴大頭初始端壓應(yīng)力，由試驗獲得。

3.3 擴大頭錨索施工工藝

擴大頭錨索的施工工藝為：測量定位放點—鉆機就位—引孔—高壓旋噴擴孔(至少兩道)—清孔—錨索下放—注漿(直至孔口出漏純水泥漿)—錨索張拉鎖定(注漿后至少10天)。相對普通錨索而言，擴大頭錨索施工工藝多了高壓旋噴擴孔階段，此階段的關(guān)鍵技術(shù)在于擴孔的順序、次數(shù)、擴孔壓力、擴孔速度的控制等。其中擴孔順序是鉆孔先鉆至設(shè)計深度，然后上提至擴孔位置，先采用清水擴孔，從上往下進行擴孔，然后在用水泥漿從下往上復(fù)擴。其余技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 壓力型擴大頭錨索施工關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)

4 工程價值

4.1 拉拔試驗結(jié)果分析

本次現(xiàn)場拉拔試驗采用循環(huán)加載，循環(huán)次數(shù)為6次，位移取累計值。逐級循環(huán)荷載和累計位移關(guān)系曲線，如圖6所示。設(shè)計要求試驗張拉值按設(shè)計軸向拉力標準值的2倍進行，由圖6和表2可知六級循環(huán)最大荷載為787.83kN，選取試驗段錨索設(shè)計軸向力標準值為330kN，試驗最大值達到了設(shè)計值的2.38倍，此時最大累計位移62.18mm，平均絕對位移10.30mm，結(jié)果遠小于預(yù)警值25mm，結(jié)果證明該工藝施工效果安全性高。

表2 循環(huán)加載荷載及位移變化統(tǒng)計

圖6 循環(huán)荷載-位移曲線變化

4.2 工程造價對比分析

普通錨索和擴大頭錨索在工程造價方面也有一定的差異。普通錨索通常采用加大錨索長度或縮小錨索水平間距的辦法來提高抗拔力。然而，增加錨索長度來提高抗拔力有兩個弊端，一是在周邊環(huán)境復(fù)雜，建(構(gòu))筑物密集的區(qū)域，錨索長度是有限度的，二是錨索長度和抗拔力在一定長度范圍內(nèi)是成線性增長，但超過某一長度值后對抗拔力的提升貢獻不大，反而是工程造價大幅提升。錨索間距過小的弊端是會產(chǎn)生“群錨效應(yīng)”降低錨索的工作性能。普通錨索提高抗拔力采取的兩項措施均會使錨索工程造價大幅提高。兩種類型各100根錨索的成本預(yù)算見表3。

表3 造價對比

5 結(jié)論

本文結(jié)合工程實例，對壓力型擴大頭錨索在深基坑支護中的應(yīng)用進行了研究，主要分析了壓力型擴大頭錨索的力學(xué)作用機制和工程價值，包括工程效果、工程造價的優(yōu)越性。得到如下幾點結(jié)論：

(1)同等條件下，與普通錨索比較，壓力型擴大頭錨索的抗拔力遠大于普通錨索，安全性較高，且擴大頭錨索能夠克服多種普通錨索不能克服的土質(zhì)條件，其應(yīng)用范圍更廣。

(2)擴大頭錨索能夠很好地克服普通錨索因提高承載力而引發(fā)的“群錨效應(yīng)”，且工程造價低。

(3)擴大頭錨索在城市建筑密集區(qū)域可以采用縮短錨索長度增大擴大頭錨固段直徑的措施來提高抗拔力，對周邊環(huán)境擾動小，安全系數(shù)高。