劉國(guó)盛,連 博
(1.蘭州理工大學(xué) 甘肅省土木工程防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)試驗(yàn)室,甘肅 蘭州 730050;2.西部土木工程防災(zāi)減災(zāi)教育部工程研究中心,甘肅 蘭州 730050)
我國(guó)是一個(gè)多地震的國(guó)家[1]。地震產(chǎn)生的地質(zhì)災(zāi)害和巖土工程問(wèn)題時(shí)有發(fā)生,特別是2008年汶川地震后,地震作用下邊坡穩(wěn)定的問(wèn)題引發(fā)了學(xué)術(shù)界高度關(guān)注,使支擋結(jié)構(gòu)在抗震性能方面的研究和新型抗震支護(hù)結(jié)構(gòu)的研發(fā)進(jìn)入了快速發(fā)展的階段[2]。同時(shí),隨著國(guó)家對(duì)綠色發(fā)展理念[3-4]的重視,對(duì)現(xiàn)行的建筑材料及施工技術(shù)和管理提出了新的要求[5-6]。錨桿支護(hù)作為巖土錨固技術(shù)的重要手段[7],雖然可有效解決不穩(wěn)定土層的錨固問(wèn)題,但因工程支護(hù)結(jié)束后大量錨桿被廢棄于地下巖土體中,造成資源極大浪費(fèi)的同時(shí)也“污染”了地下空間環(huán)境[8];繁瑣的工藝,較高的技術(shù)要求,使工程質(zhì)量得不到很好的保證;隨著邊坡規(guī)模的變大變陡,普通錨桿錨固性能已顯得心余力絀,而逐漸被其他技術(shù)所替代。擴(kuò)大頭錨桿的出現(xiàn)雖然在一定程度上緩解了普通錨桿錨固力不足的缺陷,但對(duì)地下施工超越建設(shè)“紅線”和地震作用下支擋結(jié)構(gòu)抗震問(wèn)題還沒(méi)有有效的解決方法[9],致使建筑工程中對(duì)普通擴(kuò)大頭錨桿的應(yīng)用有了一定程度的局限。而可回收快錨擴(kuò)體錨桿正是克服了上述錨桿的技術(shù)缺陷,利用可回收錨桿的優(yōu)點(diǎn)與擴(kuò)大頭錨桿的錨固優(yōu)勢(shì)而提出的一種新型錨固結(jié)構(gòu)。
目前,國(guó)內(nèi)外雖然有一些可回收錨桿的專利,但其理論研究和應(yīng)用還相對(duì)較少,這項(xiàng)新技術(shù)理論的研究仍處于起步階段。有學(xué)者試圖通過(guò)理論分析,數(shù)值模擬及試驗(yàn)來(lái)探究各種可回收錨桿的力學(xué)特性[10]。王國(guó)慶等[11]通過(guò)創(chuàng)新,將錨桿與氣囊相結(jié)合,設(shè)計(jì)出了新型可回收錨桿,通過(guò)試驗(yàn)分析驗(yàn)證得出,由于錨桿沒(méi)有與漿體接觸,并不能使錨桿的錨固力得到增加;康全玉等[12]較詳細(xì)地介紹了新研制的粘結(jié)式桿體全長(zhǎng)可回收樹(shù)脂金屬錨桿的結(jié)構(gòu)并對(duì)其做了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析,也未說(shuō)明可回收錨桿對(duì)于傳統(tǒng)錨桿在其承載力方面的優(yōu)勢(shì);龐有師等[13]根據(jù)大量工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)自主開(kāi)發(fā)了一種新型可回收式錨桿專利技術(shù),通過(guò)對(duì)其進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)抗拔試驗(yàn)研究和有限元模擬得出該可回收錨桿具有較高的承載力。邵孟新等[14]在稍密以上的中粗砂層和坡殘積土層中,對(duì)高壓噴射擴(kuò)大頭錨桿進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),得出其抗拔承載力是很大的,采用超過(guò)1 000 kN以上的設(shè)計(jì)抗拔力是可行的。劉劍平 等[15]對(duì)擴(kuò)體錨桿承載特性進(jìn)行了研究,通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)得出了擴(kuò)體錨桿與普通錨桿相比,擴(kuò)體錨桿極限承載力提高明顯;陳楊[16]通過(guò)對(duì)國(guó)恒西溪公館基坑支護(hù)中采用的可回收漿囊式錨桿進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),表明漿囊式漿液錨桿可大幅度提高錨桿的抗拔力。張繼紅[17]通過(guò)研究傘式自擴(kuò)錨后指出該錨達(dá)到極限抗拔力需要較大的拔出位移,可以通過(guò)自擴(kuò)再沿拉桿灌漿,形成擴(kuò)孔型灌漿錨桿,以進(jìn)一步獲取更大錨固力。以上學(xué)者對(duì)不同類(lèi)型的錨桿進(jìn)行了研究,對(duì)擴(kuò)大頭錨桿在其承載力方面的優(yōu)勢(shì)均作了相應(yīng)說(shuō)明,但對(duì)可回收錨桿在其承載力方面并沒(méi)有明確結(jié)論表明其相較于傳統(tǒng)錨桿存在明顯優(yōu)勢(shì)。
現(xiàn)有的可回收錨桿雖然能夠進(jìn)行回收,但其多數(shù)只是對(duì)桿體部分進(jìn)行回收,如我國(guó)自主研發(fā)的U形可回收錨索、日本國(guó)土防災(zāi)株式會(huì)社開(kāi)發(fā)出的JCE型可回收錨索、日特建設(shè)公司研制的一種自行切斷式可回收錨索都只能對(duì)桿體部分進(jìn)行回收。此外,可回收錨桿的可回收性與其承載力的提高是相互矛盾的,承載力的提高依賴于更大的錨固單元與索體面積,但更大的錨固單元與索體面積往往會(huì)增加回收的困難性。同時(shí)錨桿(索)在回收的過(guò)程中通常需要更大的拉拔力來(lái)進(jìn)行,這必然造成對(duì)錨桿(索)的損傷,影響其二次使用的效果和安全性。
綜上所述,本文通過(guò)克服傳統(tǒng)錨桿、擴(kuò)大頭錨桿及可回收錨桿存在的不足,提出了一種可快速形成錨固力、承載能力好、能完整回收、可重復(fù)利用、環(huán)保節(jié)能,對(duì)桿體無(wú)損傷的可回收快錨擴(kuò)體錨桿,為快速治理因地震等發(fā)生的邊坡自然災(zāi)害、保護(hù)地下環(huán)境、深基坑開(kāi)挖等問(wèn)題提供了一種全新的錨固結(jié)構(gòu),并闡述其構(gòu)造和工作原理;對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)其承載力進(jìn)行驗(yàn)證,為今后在工程實(shí)際應(yīng)用中提供理論依據(jù)。
可回收快錨擴(kuò)體錨桿結(jié)構(gòu)由承載構(gòu)件及輔助構(gòu)件兩部分組成,其中承載構(gòu)件包括錨頭和鋼絞線(螺紋桿),輔助構(gòu)件由內(nèi)、外套管組成,其結(jié)構(gòu)組成與剖面如圖1所示。錨頭由承力板、轉(zhuǎn)軸、空心螺栓桿,支座和齒蓋構(gòu)成。支座外截面呈六邊形,內(nèi)截面為圓形車(chē)削螺紋;將承力板套于轉(zhuǎn)軸后嵌于支座凹槽內(nèi),通過(guò)齒蓋與螺栓將四部分連接成一整體;鋼絞線(螺紋桿)的一端設(shè)有球形擴(kuò)大頭,另一端穿過(guò)空心螺栓桿,空心螺栓桿與支座通過(guò)螺紋連接形成錨桿。
圖1 可回收快錨擴(kuò)體錨桿結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of retrievable quick underreamed ground anchor
可回收快錨擴(kuò)體錨桿是結(jié)合可回收錨桿能夠重復(fù)利用的優(yōu)點(diǎn)及擴(kuò)大頭錨桿錨固優(yōu)勢(shì),克服兩者各自的缺陷,集快速錨固、承載力高、可重復(fù)利用等優(yōu)點(diǎn)于一體的新型錨固結(jié)構(gòu),其工作原理主要包括以下兩個(gè)部分。
(1) 支擋錨固原理
可回收快錨擴(kuò)體錨桿采用承載能力較好的微磁力剛性錨頭與柔性錨索(桿)的結(jié)合,能夠更好地適用于各種地質(zhì)及支護(hù)變形的控制,在鉆孔完成后采用雙套管導(dǎo)向定位,利用套管雙向作用力和反作用力原理在孔底展開(kāi)錨頭使用即可。在施作錨桿時(shí)外套管套在支座上固定,內(nèi)套管穿過(guò)鋼絞線(螺紋桿)套在空心螺栓桿上,通過(guò)內(nèi)套管的旋轉(zhuǎn),促使空心螺栓桿頂升承力板,使其像花瓣一般在孔壁內(nèi)展開(kāi)。在承載板展開(kāi)的過(guò)程中,對(duì)孔壁周?chē)耐馏w進(jìn)行剪切和擠密,同時(shí)形成擴(kuò)大頭,實(shí)現(xiàn)對(duì)坡體的錨固。
(2) 作用力與反作用力原理
待錨桿完成支護(hù)任務(wù)后,卸除錨具和墊板,外套管套在支座上固定,內(nèi)套管穿過(guò)螺紋桿(鋼絞線)套在空心螺栓桿上,通過(guò)內(nèi)、外套管作用力與反作用力使得錨頭展開(kāi)進(jìn)行錨固支護(hù)或卸載支撐錨頭展開(kāi)的力,使向外拔錨桿(索)時(shí)能夠在土體約束作用下承力板自動(dòng)收縮,進(jìn)而順利拔出錨桿(索),實(shí)現(xiàn)錨桿的回收。再者,通過(guò)內(nèi)外套管的配合可以對(duì)錨桿的錨固進(jìn)行精準(zhǔn)定位使其處于鉆孔中心軸線,更利于錨桿發(fā)揮其承載能力。
可回收快錨擴(kuò)體錨桿的工作機(jī)制是利用可回收錨桿的可回收特性,擴(kuò)大頭錨桿展開(kāi)可獲得更大抗拔力,提高邊坡穩(wěn)定性等原理所研發(fā)。根據(jù)該錨桿的拉拔力與土體相互作用的情況可將其受力機(jī)理分為3 個(gè)階段:
第1 階段:可回收快錨擴(kuò)體錨桿展開(kāi)后在較小的荷載作用下,承力板近端土體處于彈性壓縮階段,此時(shí)錨桿外拔位移小,承力板近端土體對(duì)其的阻力還未完全發(fā)揮,土體應(yīng)力均小于該點(diǎn)的抗剪強(qiáng)度,錨桿未發(fā)揮其全部作用,將這一階段視為土體的彈性壓縮階段。
第2 階段:當(dāng)錨桿拉拔力荷載大于一定數(shù)值時(shí),從承力板邊緣開(kāi)始,某點(diǎn)或某小區(qū)域內(nèi)的各點(diǎn)發(fā)生剪切破壞,剪應(yīng)力等于該處土的抗剪強(qiáng)度,土體處于屈服極限平衡狀態(tài),此時(shí)的荷載可視為錨桿的極限荷載也就是錨桿的極限抗拔承載力,這一階段為土體的剪切階段。
第3 階段:當(dāng)錨桿拉拔力進(jìn)一步增大,承力板兩側(cè)以下土體塑性區(qū)貫通并連成一片,承力板上、下側(cè)土體擠出,此時(shí)很小的荷載增量都會(huì)引起很大的外拔位移,這個(gè)位移主要不是由土的壓縮引起的,而是由錨頭近端土體的塑性流動(dòng)引起的,使其完全喪失錨固能力而處于失效狀態(tài),稱為土體的流塑階段。
可回收快錨擴(kuò)體錨桿結(jié)構(gòu)各個(gè)配件可進(jìn)行工廠化制作,安裝拆卸方便快捷,完全依靠機(jī)械擴(kuò)張獲得錨固力。其鉆孔直徑要比普通錨桿小,成孔容易,減少了注漿工序及其他不必要的施工工序,同時(shí)省去了漿液形成錨固力的時(shí)間,大大縮短了施工時(shí)間。能夠在短時(shí)間內(nèi)快速獲得可觀的抗拔承載力,是一種既能回收再利用又能夠獲得較大承載力的錨固結(jié)構(gòu)。其施工速度快,工藝簡(jiǎn)便,節(jié)約物資人力及時(shí)間成本。
基于以上優(yōu)點(diǎn),該型錨桿更加適用于為快速治理邊坡災(zāi)害、保護(hù)地下環(huán)境、深基坑開(kāi)挖,可以適用于機(jī)械擴(kuò)孔的土質(zhì)邊坡及隧道中。
試驗(yàn)過(guò)程中所用到的施工機(jī)械包括裝載機(jī)、挖掘機(jī)、小型壓路機(jī)及電動(dòng)夯錘。錨桿拉拔儀器采用北京天地星火產(chǎn)XH-50T錨桿拉力計(jì),測(cè)量范圍 0~500 kN,油缸中心孔徑儀器設(shè)備由手動(dòng)泵、液壓缸、數(shù)顯壓力表、高壓油表、錨具、墊板組成。數(shù)據(jù)采集儀器使用北京天地星火產(chǎn)XHYL-60錨桿綜合參數(shù)測(cè)定儀。試驗(yàn)場(chǎng)地的土體物理力學(xué)性指標(biāo)如表1所列。
表1 邊坡土體力學(xué)參數(shù)Table 1 Mechanical parameters of slope soil
考慮試驗(yàn)條件及材料的相關(guān)性能,結(jié)合工程實(shí)際應(yīng)用條件確定試驗(yàn)方案。按試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案并綜合考慮對(duì)比效果,試驗(yàn)錨桿共分為5組,前4組錨桿為新型錨桿,每組各有完全相同的3根錨桿。第5組錨桿是現(xiàn)場(chǎng)預(yù)制的砂漿錨桿,用于與可回收快錨擴(kuò)體錨桿試驗(yàn)數(shù)值的對(duì)比分析。具體設(shè)計(jì)情況可見(jiàn)表2,其中新型錨桿試件尺寸為錨頭半徑長(zhǎng)度與錨桿長(zhǎng)度,傳統(tǒng)錨桿長(zhǎng)度為錨固段半徑尺寸和錨固長(zhǎng)度。圖2為錨桿平面布置圖,圖3為錨桿拉拔現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)圖。
表2 錨桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)Table 2 Design parameters of bolt structure
圖2 錨桿平面布置圖Fig.2 Layout plan of anchor bolt
圖3 錨桿拉拔現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)圖Fig.3 In-situ pull-out test of bolt
通過(guò)對(duì)可回收快錨擴(kuò)體錨桿進(jìn)行抗拔試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖4及表3所示。
(1) 可回收快錨擴(kuò)體錨桿Q-S特征曲線分析
根據(jù)《公路擋土墻設(shè)計(jì)與施工技術(shù)細(xì)則》規(guī)定,局部破壞抗拔力由錨定板拉拔試驗(yàn)得出的荷載-位移曲線確定。在荷載-位移曲線中,若施加荷載接近極限抗拔力時(shí)位移會(huì)出現(xiàn)突然增大的現(xiàn)象,荷載-位移曲線出現(xiàn)拐點(diǎn),斜率突然增大,故以荷載-位移曲線中拐點(diǎn)或者直線段的起點(diǎn)作為局部破壞抗拔力。本次試驗(yàn)以此為判定依據(jù)。
圖4(a)為第1組試驗(yàn)的三根可回收快錨擴(kuò)體錨桿拉拔試驗(yàn)??梢钥闯隹苫厥湛戾^擴(kuò)體錨桿1號(hào)在小于58.3 kN荷載作用下,位移基本呈線性增長(zhǎng)趨勢(shì),變化趨勢(shì)比較平緩,增長(zhǎng)比較緩慢,此階段可以看作承載板近端土體處于彈性壓縮階段,此時(shí)外拔位移小,土體對(duì)其的阻力還未完全發(fā)揮,土體應(yīng)力均小于該點(diǎn)的抗剪強(qiáng)度,可將此荷載視為錨桿的彈性極限荷載。
圖4 錨桿荷載-位移曲線Fig.4 Load-displacement curves for the anchors
當(dāng)荷載大于58.3 kN小于91.3 kN時(shí),外拔位移速度明顯增大,位移呈現(xiàn)非線性增長(zhǎng)趨勢(shì)。此階段可以看作承載板近端土體處于剪切階段,承載板邊緣局部區(qū)域的土體中剪應(yīng)力等于該處土的抗剪強(qiáng)度,土體處于塑性極限平衡狀態(tài),此時(shí)的荷載可視為土體的塑性極限荷載,也就是錨桿的極限抗拔承載力。
當(dāng)荷載大于91.3 kN時(shí),外拔位移增長(zhǎng)速率進(jìn)一步顯著增大,位移呈現(xiàn)線性快速增長(zhǎng)趨勢(shì)。此階段可以看作錨桿近端土體處于流塑階段,錨頭內(nèi)側(cè)土體塑性區(qū)貫通并連成一片,承載板近端土體擠出,此時(shí)很小的荷載增量都會(huì)引起很大的外拔位移。這個(gè)位移主要不是由土的壓縮引起的,而是由承載板下部(坡體一側(cè))土體的塑性流動(dòng)引起的。
其余11根可回收快錨擴(kuò)體錨桿拉拔試驗(yàn)結(jié)果雖然不同,但荷載-位移曲線的增長(zhǎng)變化趨勢(shì)大致相近(圖4及表3)。
表3 錨桿抗拔力對(duì)比表Table 3 Comparison between pullout force of bolt
(2) 錨桿極限承載力的對(duì)比分析
本文通過(guò)砂漿錨桿與可回收快錨擴(kuò)體錨桿一同進(jìn)行拉拔試驗(yàn),以驗(yàn)證可回收快錨擴(kuò)體錨桿在實(shí)際工程的實(shí)用性。通過(guò)兩種錨桿拉拔后數(shù)值的對(duì)比可知,直徑0.1 m、錨固段長(zhǎng)4 m、總長(zhǎng)8 m的砂漿錨桿與錨桿長(zhǎng)6.3 m、埋深3.5 m、錨頭半徑0.2 m的可回收快錨擴(kuò)體錨桿的承載力相近。由表3可以看出錨頭部位的承載板能夠有效承擔(dān)拉拔荷載,錨頭半徑越大,端阻力越大,土體產(chǎn)生破壞時(shí)的抗拔承載力較大。
對(duì)比兩種錨桿的拉拔位移可以發(fā)現(xiàn),可回收快錨擴(kuò)體錨桿與普通錨桿的破壞方式完全不同。由于可回收快錨擴(kuò)體錨桿錨頭在拉拔過(guò)程中應(yīng)力擴(kuò)散角較大,影響周邊土體的范圍較大,在拉拔過(guò)程中承載力不斷提高,當(dāng)影響范圍達(dá)到最大時(shí),錨桿承載力達(dá)到極值。同時(shí)越小的錨頭對(duì)土體的剪切會(huì)愈加嚴(yán)重,它的破壞表現(xiàn)為對(duì)土體的剪切破壞,錨頭不發(fā)生明顯變化,錨桿從土體中被拉出。而較大的錨頭對(duì)土體的剪切不嚴(yán)重,它的破壞表現(xiàn)為錨頭與桿體間的分離,同時(shí)錨頭出現(xiàn)較大的形變,連接部位被拉斷,表現(xiàn)為拉力的快速減小,錨桿體從土體中被拉出。普通錨桿承載力主要來(lái)自于其圓柱狀錨固段與周邊土體的側(cè)摩阻力,其應(yīng)力擴(kuò)散角較小,當(dāng)錨固體周邊土體出現(xiàn)塑性區(qū)時(shí),錨固段與周邊土體開(kāi)始發(fā)生滑移,表現(xiàn)為錨桿承載力減小,當(dāng)塑性區(qū)繼續(xù)擴(kuò)大時(shí)錨固體開(kāi)始滑動(dòng),錨桿承載力急劇下降,直至錨桿被拔出。
經(jīng)過(guò)上述試驗(yàn)值對(duì)比分析,證明可回收快錨擴(kuò)體錨桿在承載力方面可以替代傳統(tǒng)砂漿錨桿進(jìn)行錨固支護(hù)。這為今后錨固技術(shù)的選擇,提供了一種全新的結(jié)構(gòu)和思路。
(3) 技術(shù)經(jīng)濟(jì)對(duì)比
通過(guò)對(duì)比新型錨桿與傳統(tǒng)錨桿可知,同位置處普通錨桿相較于可回收錨桿長(zhǎng)度較長(zhǎng),但可提供承載力與傳統(tǒng)支護(hù)結(jié)構(gòu)相當(dāng),可回收快錨擴(kuò)體錨桿鉆孔直徑比普通錨桿小,成孔容易,可回收錨桿利用承力板在鉆孔中擴(kuò)展獲得抗拔力,無(wú)需注漿作業(yè),節(jié)約資源、降低施工難度、減少注漿同時(shí)也減少人力資本的投入。
例如按正常錨桿的成孔、注漿等工序計(jì)算其成本,參考《甘肅省建筑工程預(yù)算定額(2013)計(jì)算規(guī)則》,可大致得到一根孔徑100 mm,長(zhǎng)7 m的,采用鋼筋的灌漿錨桿采用錨頭半徑10 cm可回收快錨擴(kuò)體錨桿,其制作成本為340元/個(gè),人工費(fèi)42.17元/m,錨桿采用φ22的HRB400螺紋鋼11元/m,兩者進(jìn)行對(duì)比,一次使用可回收快錨擴(kuò)體錨桿成本相較與傳統(tǒng)錨桿有所增加,但相比可重復(fù)使用的次數(shù)及每次分?jǐn)偟某杀痉治?可回收快錨擴(kuò)體錨桿節(jié)省成本的潛力巨大。
綜上所述,可回收快錨擴(kuò)體錨桿,施工速度快,承載力滿足需求,可重復(fù)使用,經(jīng)濟(jì)效益長(zhǎng)期來(lái)看較好,故采用可回收快錨擴(kuò)體錨桿對(duì)該邊坡進(jìn)行支護(hù)在經(jīng)濟(jì)技術(shù)角度來(lái)說(shuō)是比較劃算的。
(1) 基于地震后搶險(xiǎn)救災(zāi)支護(hù)和建筑行業(yè)綠色發(fā)展環(huán)保理念,結(jié)合可回收錨桿能夠快速形成錨固力和擴(kuò)大頭錨桿錨固優(yōu)勢(shì),提出了一種集快速錨固、承載能力高、可重復(fù)利用等特點(diǎn)于一體的新型錨固結(jié)構(gòu),為快速治理邊坡災(zāi)害,保護(hù)地下環(huán)境,深基坑開(kāi)挖等問(wèn)題提供了一種全新的錨固結(jié)構(gòu)。
(2) 試驗(yàn)表明可回收快錨擴(kuò)體錨桿具有較好的承載能力??苫厥湛戾^擴(kuò)體錨桿的承載力主要依靠錨頭上承力板近端土體來(lái)提供所需要的抗拔力。
(3) 本文僅針對(duì)所提可回收快錨擴(kuò)體錨桿結(jié)構(gòu)進(jìn)行了試驗(yàn)研究,為了推動(dòng)該結(jié)構(gòu)在工程中的運(yùn)用,還需要開(kāi)展對(duì)其承載力的理論分析;錨桿參數(shù)對(duì)其承載力的影響;當(dāng)采用群錨時(shí),群錨效應(yīng)對(duì)邊坡土體的影響;還有其與支護(hù)結(jié)構(gòu)結(jié)合后的穩(wěn)定性分析等相關(guān)研究。