高壓旋噴玻纖筋錨索在基坑支護(hù)工程中的應(yīng)用

付正飛，蔡嬌嬌，劉新宇

(武漢市勘察設(shè)計有限公司， 武漢 430022)

0 引言

在基坑工程中，一方面要考慮基坑自身的安全與經(jīng)濟(jì)，另一方面還要考慮基坑工程對周邊環(huán)境的影響[1]。樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)因其位移可控制、施工簡單、占用基坑內(nèi)空間小、造價低等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用于基坑工程中，但是由于錨桿(索)結(jié)構(gòu)一般會超出用地紅線范圍，可能對周邊環(huán)境造成影響，尤其是可能會對后續(xù)鄰近地下工程的施工造成障礙，故而錨桿(索)結(jié)構(gòu)在城市深基坑工程的應(yīng)用受到了一定限制。此外，當(dāng)基坑上部物理力學(xué)性質(zhì)較差的土層厚度較大時，一般錨桿(索)的設(shè)計長度可達(dá)到二十余米，這種情況下，錨桿(索)的影響范圍更大，且其施工質(zhì)量難以保證，進(jìn)一步限制了樁錨支護(hù)的應(yīng)用。

為解決以上問題，本文以武漢市某深基坑工程為例，提出一種新型大直徑全粘結(jié)型錨索即高壓旋噴玻纖筋錨索，并分析說明其在基坑工程中的應(yīng)用。

1 高壓旋噴玻纖筋錨索簡介

1.1 高壓旋噴玻纖筋錨索結(jié)構(gòu)及特點

高壓旋噴玻纖筋錨索主要由錨頭、錨桿芯材、錨固體三部分組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。錨桿芯材通過錨頭與結(jié)構(gòu)構(gòu)件鎖定，將結(jié)構(gòu)承受的由土壓力及結(jié)構(gòu)變形引起的拉力等荷載通過錨桿芯材傳遞到錨固體，進(jìn)而由錨固體分散傳遞至周邊的巖土體中。

圖1 高壓旋噴玻纖筋錨索結(jié)構(gòu)示意圖

高壓旋噴玻纖筋錨索結(jié)構(gòu)的特殊之處在于其錨桿芯材采用了成束的玻璃纖維筋，錨固體采用了高壓旋噴工藝。玻纖筋材料(GFRP)[2]具有高強(qiáng)、輕質(zhì)、高抗拉強(qiáng)度、低抗剪強(qiáng)度的性能，易切割，其彈性模量約為鋼材的萬分之一，與混凝土有較好的粘結(jié)性[3]；成束的玻纖筋是由多根小直徑玻璃纖維筋膠結(jié)形成，形似鋼絞線，具有較好的柔性，可盤卷運輸，單根長度可依據(jù)實際要求定制，不需接長。高壓旋形成的錨固體主要為水泥土，直徑大，相較普通錨索，每延米可提供更大的錨固力[4]。

本文討論的高壓旋噴玻纖筋錨索主要用于基坑工程中，與支護(hù)樁形成樁錨體系，對土體邊坡進(jìn)行加固，作為臨時性支護(hù)使用，一般不施加預(yù)應(yīng)力。因為高壓旋噴玻纖筋錨索通常用于上部地層較差的情況，故一般為全長粘結(jié)型錨索，主要承受拉力。

1.2 高壓旋噴玻纖筋錨索的成錨機(jī)理

高壓旋噴成錨主要包括以下四種作用：

(1)高壓噴射流對土體的切割破壞作用。噴射流動壓以脈沖形式?jīng)_擊破壞土體，使土體裂隙擴(kuò)張，出現(xiàn)空穴。

(2)混合攪拌作用。鉆桿在旋轉(zhuǎn)提升過程中，在射流后部形成空隙，在噴射壓力下，迫使土顆粒向著與噴嘴移動方向相反的方向移動，與漿液混合形成新的結(jié)構(gòu)。

(3)壓密作用。高壓噴射流在切割破碎土層過程中，在破碎部位邊緣還有剩余壓力，對土層可產(chǎn)生一定壓密作用。

(4)充填、滲透固結(jié)作用。高壓水泥漿迅速充填沖開的溝槽、裂隙及土顆粒的空隙，析水固結(jié)，還可滲入松散土層一定厚度而形成固結(jié)體。

理論上形成的高壓旋噴固結(jié)體示意如圖2所示。

圖2 高壓旋噴固結(jié)體示意圖

1.3 高壓旋噴玻纖筋錨索的破壞模式

高壓旋噴玻纖筋錨索的破壞模式主要有：錨桿芯材破壞，錨桿芯材與錨固體界面破壞，錨固體與土體界面破壞，地層破壞。其中錨桿芯材與錨固體界面破壞及錨固體與土體界面破壞是最常見的破壞模式。當(dāng)土質(zhì)較差時，高壓旋噴玻纖筋錨索的主要破壞模式是錨固體與土體界面破壞。

高壓旋噴玻纖筋錨索實際工作狀態(tài)是錨桿芯材、錨固體和巖土體三者相互作用，作為一個整體共同抵抗外部荷載，實現(xiàn)穩(wěn)定支護(hù)的效果。當(dāng)外荷載較小時，錨桿芯材、錨固體和巖土體三者變形協(xié)調(diào)；隨著荷載增大，錨固系統(tǒng)的變形超出彈性變形范圍，錨固體發(fā)生橫向破斷，繼而是錨固體與巖土體界面發(fā)生剪切破壞，導(dǎo)致荷載沿錨固體向深部轉(zhuǎn)移直至整個系統(tǒng)發(fā)生破壞[5]。

2 工程概況

2.1 一般概況

某基坑工程位于武漢市漢陽區(qū)。該項目設(shè)置兩層滿鋪地下室，基坑開挖面積約27 393m2，基坑周長約655m，基坑開挖深度6.50～10.20m。基坑重要性等級為一級。

2.2 基坑周邊環(huán)境

本基坑周邊為規(guī)劃市政道路，道路下分布有管道，基坑邊線距離用地紅線較近，周邊可利用支護(hù)空間較小，如圖3所示。地下室外墻與基坑周邊環(huán)境關(guān)系詳見表1。

圖3 擬建項目周邊環(huán)境示意圖

地下室外墻與基坑周邊環(huán)境關(guān)系 表1

2.3 工程地質(zhì)條件

該項目地處漢江三級階地，地貌單元屬沖積平原區(qū)。場地原為小型低層民居及菜地，現(xiàn)全部拆除?；佑绊懛秶鷥?nèi)的地層從上至下可分為：人工填土層：①1雜填土，①2素填土；第四系全新統(tǒng)一般黏性土：②粉質(zhì)黏土；第四系上更新統(tǒng)沖洪積老黏性土層：③1粉質(zhì)黏土，③1a粉質(zhì)黏土，③2粉質(zhì)黏土，③3粉質(zhì)黏土，③4黏土，③4a粉質(zhì)黏土，③5粉質(zhì)黏土，③6含礫粉質(zhì)黏土。

根據(jù)地勘報告，基坑影響范圍內(nèi)的各地層的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)如表2所示?；佑绊懛秶鷥?nèi)地下水主要為賦存在填土層中的上層滯水，水位埋深在地表下0.50～3.80m。

基坑地層物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo) 表2

3 基坑支護(hù)設(shè)計

3.1 基坑特點

本項目基坑有如下特點：1)基坑平面形狀近似長方形，規(guī)模較大；2)基坑北側(cè)及西南角局部填土較厚，地層條件較差；3)基坑北側(cè)、西側(cè)、南側(cè)均為待建市政道路，基坑?xùn)|側(cè)為在建市政道路，基坑四周均有地下管線分布，地下室外墻距離用地紅線近，對周邊環(huán)境保護(hù)要求較高，可利用施工空間較小。

3.2 基坑支護(hù)方案及難點

經(jīng)過方案比選，確定本基坑主要采用樁撐、樁錨、雙排樁、懸臂樁的支護(hù)方式，詳見圖4。其中樁撐中的支撐采用角撐，錨桿索用高壓旋噴玻纖筋錨索。

圖4 基坑支護(hù)平面示意圖

設(shè)計難點在于基坑北側(cè)填土較厚的區(qū)段(MN段，其位置見圖4)方案的確定，該段若采用支撐則造價過高且影響工期，若采用普通錨桿，則其長度需達(dá)到20m以上，施工質(zhì)量難以控制，且影響范圍太大，可能會影響鄰近地塊基坑的施工。最終該區(qū)段選擇采用高壓旋噴玻纖筋錨索，以解決普通錨桿出用地紅線及長度過長的問題。為了驗證高壓旋噴玻纖筋錨索在該工程中的適用性，在MN段局部預(yù)先進(jìn)行了高壓旋噴玻纖筋錨索的抗拔試驗。試驗段基坑支護(hù)平面圖及剖面圖分別見圖5、圖6。

圖5 MN段基坑支護(hù)平面圖

圖6 MN段基坑支護(hù)剖面圖

4 現(xiàn)場試驗

4.1 高壓旋噴玻纖筋錨索施工

根據(jù)設(shè)計計算結(jié)果，結(jié)合施工經(jīng)驗及現(xiàn)場試驗，錨桿芯材采用2根直徑19mm的成束玻纖筋，高壓旋噴錨桿施工旋噴壓力為28MPa，噴嘴提升速度10～20cm/min，水泥漿液水灰比0.8～1.2。施工工藝采用引孔、安放桿體、高壓旋噴擴(kuò)孔注漿。圖7為成束玻纖筋及高壓旋噴玻纖筋錨索現(xiàn)場施工照片。

圖7 成束玻纖筋及高壓旋噴玻纖筋錨索施工現(xiàn)場照片

4.2 試驗方案

在MN段共進(jìn)行了6根高壓旋噴玻纖筋錨索抗拔試驗，編號分別為S1，S2，S3，S4，S5，S6，試驗錨桿具體位置見圖5。根據(jù)設(shè)計計算，錨桿的軸向拉力標(biāo)準(zhǔn)值約為140kN，據(jù)此確定錨桿軸力極限值為252kN。預(yù)估破壞荷載300kN(未破壞時可繼續(xù)加載)，采用單循環(huán)加載法，分級加載。初級加載量為預(yù)估破壞荷載的50%(150kN)，每級理論加載量為預(yù)估破壞荷載的10%(30kN)。每級觀測時間不少于5min(觀測期內(nèi)錨頭位移增量不大于0.1mm，否則延長觀測時間[6])，試驗中出現(xiàn)如下現(xiàn)象即停止加載：1)第二級加載開始，后一級荷載產(chǎn)生的單位荷載下的錨頭位移增量大于前一級荷載產(chǎn)生的單位荷載下的錨頭位移增量的5倍；2)錨頭位移不收斂；3)錨桿破壞；4)錨頭位移達(dá)到50mm(位移計最大測量值)。

4.3 試驗結(jié)果及分析

各高壓旋噴玻纖筋錨索的抗拔荷載試驗結(jié)果如表3及圖8所示。

高壓旋噴玻纖筋錨索試驗結(jié)果統(tǒng)計 表3

圖8 抗拔試驗荷載-位移曲線

根據(jù)現(xiàn)場抗拔試驗結(jié)果，試驗的6根高壓旋噴玻纖筋錨索抗拔承載力為262～421kN，位移29.5～45.7mm，均可達(dá)到設(shè)計要求。其中S1和S4因錨桿破壞壓力無法繼續(xù)上升而終止試驗；S3和S5因位移超過位移計最大值50mm而終止試驗；S2和S6由于現(xiàn)場天氣原因，試驗荷載加至錨桿軸力極限值后終止了試驗。即S1和S4達(dá)到極限破壞狀態(tài)，其余試驗高壓旋噴玻纖筋錨索均未發(fā)生完全破壞。

S1和S4的抗拔承載力存在差別的原因可能有以下幾點：1)土層不均勻性，局部填土厚度較大，土質(zhì)不均勻，導(dǎo)致錨固體的成型及其注漿質(zhì)量不同；2)施工質(zhì)量控制不足，實際施工過程中施工工藝參數(shù)等存在差異；3)試驗誤差，受試驗加壓儀器自重的影響，試驗初始加載荷載及位移零點值較難控制，零點值的確定可能存在一定的誤差。

根據(jù)對圖8試驗錨索的荷載-位移關(guān)系的分析及曲線趨勢擬合，可以得到：試驗前期，位移隨荷載呈線性增長；試驗中期，荷載-位移曲線呈二次函數(shù)型；試驗?zāi)┢?，位移隨荷載呈指數(shù)型增長。該規(guī)律進(jìn)一步說明了高壓旋噴玻纖筋錨索的破壞過程可分為彈性變形、彈塑性變形、塑性變形三個階段，各階段的破壞模式如下。

彈性變形階段：試驗前期，外荷載較小，錨桿芯材、錨固體和巖土體三者變形協(xié)調(diào)，位移隨荷載呈線性增長。

彈塑性變形階段：隨著荷載增大，錨固系統(tǒng)的變形超出彈性變形范圍，錨固體發(fā)生橫向破壞斷裂，出現(xiàn)塑性變形，變形隨外力增大的速度逐漸變大，荷載-位移曲線形態(tài)特征呈二次函數(shù)型。

塑性變形階段：加載后期錨固體與巖土體的界面發(fā)生剪切破壞，導(dǎo)致荷載沿錨固體向深部轉(zhuǎn)移直至整個系統(tǒng)破壞，塑性變形快速增大，此時荷載-位移曲線形態(tài)特征呈指數(shù)型。

從圖8中明顯可以看出，在相等的外力作用下，位移量：S2≈S3>S5>S6>S4>S1；且部分高壓旋噴玻纖筋錨索雖未發(fā)生破壞，但變形量已經(jīng)較大(接近基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)水平變形控制標(biāo)準(zhǔn)的上限50mm[7])。由于高壓旋噴玻纖筋錨索的錨固體主要位于填土層中，土質(zhì)較差，故而其抗拔承載力主要受控于錨固體與巖土體界面的抗剪強(qiáng)度(主要由摩阻力提供)。高壓旋噴玻纖筋錨索的位移主要受控于界面抗剪剛度，其位移S、剪切承載力F及剪切剛度K三者間的相互關(guān)系可用下式表示：

(1)

承載力一定的情況下，高壓旋噴玻纖筋錨索的界面抗剪剛度越低，則其位移越大。從試驗結(jié)果可知，位移過大可能成為限制高壓旋噴玻纖筋錨索使用的一個重要因素。即說明高壓旋噴玻纖筋錨索的界面抗剪剛度是限制其使用的一個重要因素。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[8]，高壓旋噴錨索界面抗剪剛度系數(shù)不足普通錨索的二分之一。作為全粘結(jié)型錨桿，影響其界面抗剪剛度的主要因素有錨固體的彈性模量、截面面積、長度等。高壓旋噴玻纖筋錨索界面抗剪強(qiáng)度隨錨固體的彈性模量、截面面積、長度的增大而增大，所以，可以通過增加水泥土錨固體中水泥的含量、增大注漿壓力、增加錨桿長度等方法來提高高壓旋噴玻纖筋錨索的抗剪剛度。

5 基坑監(jiān)測

5.1 監(jiān)測點布置及監(jiān)測

MN段共布置冠梁水平位移監(jiān)測點2個，間距約20m，監(jiān)測點布置見圖5。

基坑從2019年3月份開始開挖，同年8月份開挖至基坑底。在開挖過程中和開挖至基底后對冠梁水平位移監(jiān)測點G1和G2進(jìn)行了觀測，其中開挖前期監(jiān)測頻率為每天1次，后期變形相對穩(wěn)定后監(jiān)測頻率為每2天1次，因現(xiàn)場施工原因，2019年3月21日至2019年5月9日未進(jìn)行測量。

5.2 監(jiān)測結(jié)果及分析

整理監(jiān)測數(shù)據(jù)后得到冠梁監(jiān)測點G1，G2水平位移隨時間的變化曲線，如圖9所示。

圖9 支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移監(jiān)測曲線

從圖9可以看出，兩個監(jiān)測點的水平位移隨時間變化的規(guī)律基本相同?；娱_挖初期(3月初至3月下旬)，位移明顯增大；基坑開挖過程中，位移持續(xù)增大，但增大速率變緩；基坑開挖后期(5-8月)，水平位移的變化持續(xù)變小，且開挖至基底前后，水平位移出現(xiàn)波動，并逐漸趨于穩(wěn)定。

截止基坑開挖至基底，監(jiān)測點G1和G2水平位移均小于30mm，且變形已趨于穩(wěn)定，可以滿足基坑支護(hù)監(jiān)測要求。監(jiān)測點G1的水平位移明顯小于監(jiān)測點G2的水平位移，可能是由于監(jiān)測點G1距離樁撐支護(hù)結(jié)構(gòu)更近一些，且監(jiān)測點G2附近支護(hù)結(jié)構(gòu)仍為樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)；而樁撐結(jié)構(gòu)控制變形的能力強(qiáng)于樁錨結(jié)構(gòu)。目前該工程已施工完畢，基坑已回填，施工過程中未出現(xiàn)變形預(yù)警等情況。

6 結(jié)論

本文以武漢市某深基坑支護(hù)工程為例，通過現(xiàn)場試驗及變形監(jiān)測對高壓旋噴玻纖筋錨索的適用性及破壞模式等進(jìn)行了研究，得到以下結(jié)論：

(1)高壓旋噴玻纖筋錨索是一種新型大直徑全粘結(jié)型錨索，該種錨索規(guī)避了普通錨桿使用的一些限制條件，且施工工藝簡單，綠色環(huán)保，承載力可滿足設(shè)計要求。

(2)高壓旋噴玻纖筋錨索用于存在一定厚度填土層的地層時，承載力可以滿足設(shè)計要求，從而解決基坑支護(hù)工程中采用普通錨桿長度過長的問題。

(3)高壓旋噴玻纖筋錨索的破壞過程可分為彈性變形、彈塑性變形、塑性變形三個階段。彈性變形階段：未發(fā)生破壞，荷載-位移曲線形態(tài)呈線性；彈塑性變形階段：開始發(fā)生破壞，荷載-位移曲線形態(tài)呈二次函數(shù)型；塑性變形階段：完全破壞，荷載-位移曲線形態(tài)呈指數(shù)型?？拱卧囼炛锌梢酝ㄟ^荷載-位移曲線的特征形態(tài)，判斷錨索的變形階段，從而判斷其破壞情況。

(4)高壓旋噴玻纖筋錨索界面抗剪剛度是限制其使用的一個重要因素?？梢酝ㄟ^增加錨固體的彈性模量、截面面積、長度等提高高壓旋噴玻纖筋錨索抗剪剛度。