注漿長度與套管類型對擴(kuò)大頭錨索性能的影響

劉凱, 孫偉青*, 李文輝, 耿林, 王響龍, 袁敬強(qiáng)

(1.青島地質(zhì)工程勘察院(青島地質(zhì)勘查開發(fā)局), 青島 266000; 2.青島地礦巖土工程有限公司, 青島 266000; 3.中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所巖土力學(xué)與工程國家重點實驗室, 武漢 430071)

隨著中國城市地下空間開發(fā)利用的快速發(fā)展,深大基坑工程建設(shè)規(guī)模也逐漸增加,樁錨支護(hù)由于占用空間小、不影響主體結(jié)構(gòu)施工、節(jié)約拆除工程量等優(yōu)勢,在深基坑支護(hù)中的應(yīng)用比例也不斷增加。而擴(kuò)大頭錨索相比普通錨索具有抗拔承載力大、支護(hù)效率高、工程造價低等優(yōu)點,在樁錨支護(hù)工程中得到了重視與成功應(yīng)用[1-6]。

隨著擴(kuò)大頭錨索的廣泛應(yīng)用,對其受力變形特性的研究也逐步增加。郭剛等[7]通過開展室內(nèi)模型試驗,研究了均質(zhì)砂土中豎向拉拔擴(kuò)體錨桿的幾何尺寸及埋深對其承載特性的影響。李永輝等[8]通過開展大比例尺室內(nèi)模型試驗,分析了擴(kuò)大頭錨索受力變形規(guī)律、擴(kuò)大頭頂阻與側(cè)阻發(fā)揮性狀及荷載承擔(dān)比例、擴(kuò)大頭頂阻對側(cè)阻的影響機(jī)理、擴(kuò)大頭上覆土體豎向位移及破壞特征。劉波等[9]研究了擴(kuò)大頭錨索在飽和粉細(xì)砂層基坑支護(hù)中的應(yīng)用,并結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)對錨索受力機(jī)理進(jìn)行了分析。肖俊等[10]采用彈塑性有限元法對錨索加固效果進(jìn)行了計算分析,認(rèn)為錨索自由段采用注漿填充后會直接影響其張拉力的傳遞,從而影響錨索加固效果,而自由段不進(jìn)行注漿充填將最能達(dá)到期望的錨固效果。劉曉明等[11]通過建立考慮自由段受荷的錨桿變形受力理論模型,計算分析指出自由段受荷后對錨桿的剛度和承載力都有明顯的提高,且隨著自由段長度的增加,其承載力會有所提高,但錨桿整體剛度卻在降低。楊慶光等[12]討論了自由段先注漿對預(yù)應(yīng)力錨索抗拔試驗結(jié)果影響,指出自由段注漿較大幅度提高了錨索抗拔力。

而在考慮錨固段及自由段長度影響的錨索受力變形試驗測試方面,覃荷瑛等[13]通過開展室內(nèi)試驗,采用分布式光纖光柵傳感器對預(yù)應(yīng)力錨索錨固段及自由段的受力變形進(jìn)行了監(jiān)測分析,指出錨固段錨索軸力傳遞并不均勻,自由段傳力均勻但隨張拉荷載與自由段長度的增加,軸力損失也會逐漸增加。孫偉紅等[14]通過開展預(yù)應(yīng)力錨索現(xiàn)場拉拔試驗,分析了含砂卵石地層中錨索拉拔位移與錨固段及自由段長度的關(guān)系。按照預(yù)應(yīng)力錨索的設(shè)計理念,錨索自由段在預(yù)應(yīng)力張拉鎖定之前不進(jìn)行注漿充填,而在實際工程中經(jīng)常出現(xiàn)由于自由段范圍土質(zhì)條件差,為確保自由段不塌孔,需在成孔后一次性完成錨索全長注漿的情況;同時,自由段所采取的隔離漿液保護(hù)措施也將會對錨索受力變形特性產(chǎn)生影響。然而,目前針對注漿長度和自由段保護(hù)措施對錨索受力變形特性方面的研究鮮有報道,因此,針對不同施工條件下的錨索開展現(xiàn)場拉拔試驗,從而更好地揭示實際錨索施工條件下擴(kuò)大頭錨索受力變形特征,具有重要理論與工程應(yīng)用價值。

為此,現(xiàn)依托實際工程,通過開展現(xiàn)場試驗,對比研究錨固段注漿+聚乙烯(polyethylene,PE)波紋管(設(shè)計方案)、全長注漿+PE波紋管(實際施工常用方案)、錨固段注漿+高密度聚乙烯(high density polyethylen,HDPE)套管、全長注漿+HDPE套管等不同條件下錨索受力變形特性,分析注漿長度與套管類型對于錨索受力變形的影響規(guī)律。

1 試驗方案

1.1 試驗場地概況

試驗場地位于山東省青島市上合廣場地下空間項目工地,項目建設(shè)主要包括地下停車場綜合體工程、地下環(huán)路及綜合管廊工程。地面為綠地公園、配套地下2或3層建筑的大型綜合體,地下建筑面積達(dá)315 510 m2,基坑最大開挖深度為13.5 m,試驗場地工程設(shè)計概況如圖1所示。

圖1 試驗場地工程設(shè)計概況Fig.1 Engineering design sketch of field experiment site

場區(qū)原地貌為濱海淺灘,后經(jīng)人工回填改造。鉆探結(jié)果表明,場區(qū)第四系主要由全新統(tǒng)人工填土層(Q4ml)、全新統(tǒng)海相沼澤化層(Q4mh)、全新統(tǒng)洪沖積層(Q4al+pl)、上更新統(tǒng)洪沖積層(Q3al+pl)組成,基巖為白堊系王氏群砂礫巖(K2W),場地典型地質(zhì)剖面如圖2所示。

圖2 試驗場地典型地質(zhì)剖面圖Fig.2 Typical geological profile of the field experiment site

場區(qū)地下水主要為第四系孔隙潛水與承壓水,潛水水位埋深0.10～3.90 m,水位標(biāo)高0.96～1.53 m,地下水年變幅為1～2 m,主要接受大氣降水的補(bǔ)給。

根據(jù)場地巖土工程勘察資料,地層主要物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 地層物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of the strata

1.2 基坑支護(hù)設(shè)計方案

試驗區(qū)域基坑采用雙排鉆孔灌注樁+3排高壓旋噴擴(kuò)大頭錨索支護(hù)。其中,鉆孔灌注樁樁徑為1.0 m,樁間距1.8 m,排間距為3.0 m,樁頂設(shè)置冠梁及連梁;高壓旋噴擴(kuò)大頭錨索從上至下共設(shè)置3排,各排錨索設(shè)計參數(shù)如表2所示。

表2 擴(kuò)大頭錨索主要設(shè)計參數(shù)Table 2 Main design parameters of underreamed anchors

地下水控制采用高壓旋噴樁+三軸攪拌樁+坑內(nèi)集水明排的方案,高壓旋噴樁設(shè)置于前排鉆孔灌注樁樁間,旋噴樁直徑為1.0 m,樁間距1.8 m,樁深至坑底以下1.0 m。攪拌樁緊貼前排鉆孔灌注樁布置,樁徑為0.85 m,樁間距為0.6 m。

1.3 試驗錨索方案

現(xiàn)場試驗以第1排錨索為研究對象,錨索錨固段持力層主要為⑦粉質(zhì)黏土、⑨中粗砂及黏土,各土層與錨桿的極限黏結(jié)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值分別為60、140、65 kPa。

為分析注漿長度、自由段保護(hù)套管類型對于錨索受力變形特性的影響,現(xiàn)場試驗了錨固段注漿+PE波紋管套管(A組)、錨固段注漿+HDPE套管(B組)、全長注漿+PE波紋管套管(C組)、全長注漿+HDPE套管(D組)4種錨索方案,其中,A組錨索為現(xiàn)場設(shè)計施工的錨索方案,其余3組為開展對照試驗的錨索。試驗方案如表3所示。

表3 錨索試驗方案參數(shù)Table 3 Experimental scheme of the underreamed anchors

采用高壓旋噴工藝實現(xiàn)錨固段擴(kuò)孔,擴(kuò)大頭錨固段直徑為500 mm,普通錨固段及自由段鉆孔直徑為200 mm,錨索間距為1.80 m,傾角為30°,錨索材料為高強(qiáng)度低松弛1 860級鋼絞線,注漿材料采用42.5級普通硅酸鹽水泥制備,水灰比為0.5。

如圖3所示,PE波紋管為施工中通常采用的錨索自由段保護(hù)套管類型,其外徑為21.2 mm,內(nèi)徑17.0 mm,壁厚為0.8 mm,通過拉伸強(qiáng)度試驗測得PE波紋管抗拉強(qiáng)度為6.3 MPa,極限拉伸率為95%,實際施工中發(fā)現(xiàn)由于波紋管壁厚較薄,在錨索安裝過程中容易出現(xiàn)破損,失去對自由段的隔離保護(hù)作用;HDPE套管為穿線專用管,其外徑為外徑25.0 mm,內(nèi)徑20.4 mm,壁厚2.3 mm,拉伸強(qiáng)度試驗測得HDPE套管抗拉強(qiáng)度為16.1 MPa,極限拉伸率為544%,從而保證其在錨索安設(shè)過程中不容易被損壞。

圖3 錨索自由段不同套管實物圖Fig.3 Different casing tube for the free anchor length

1.4 錨索施工與拉拔試驗

錨索施工與拉拔試驗主要流程如下。

(1)錨索制作:根據(jù)設(shè)計方案確定錨索鋼絞線長度,在錨索自由段涂刷脫水黃油后分別套裝PE波紋管或HDPE套管,并按照設(shè)計方案進(jìn)行錨索編制與托架安裝。同時,由于HDPE套管密度相對較大,需要與錨索鋼絞線采取有效的固定措施才能避免出現(xiàn)套管與鋼絞線滑脫。為此,采取在自由段與錨固段分界部位的套管上開孔,使用扎絲與鋼絞線綁扎固定,并使用膠帶對綁扎位置封堵密封的措施。

(2)鉆孔:采用MDL-150H履帶式鉆機(jī)進(jìn)行鉆孔,通過中空鉆桿泵送水泥漿至鉆頭處,起到護(hù)壁、攜渣及冷卻鉆頭等作用,鉆孔至設(shè)計自由段長度后停止鉆進(jìn),準(zhǔn)備進(jìn)入高壓旋噴擴(kuò)孔施工。

(3)高壓水泥漿噴射擴(kuò)孔:調(diào)整注漿泵壓力至高壓旋噴注漿設(shè)計壓力(≥25 MPa),將配制好的普通硅酸鹽水泥漿液(水灰比0.5)從鉆頭位置的噴漿口噴出,鉆頭推進(jìn)速度為10～25 cm/min,鉆孔至設(shè)計鉆孔深度后停止高壓旋噴,完成高壓旋噴擴(kuò)孔段施工。

(4)錨索安放:高壓旋噴注漿結(jié)束后,退出鉆桿,采用鉆桿牽引頂進(jìn)已經(jīng)制作好的錨索,完成錨索安放。

(5)注漿:錨索安放完成,退出鉆桿過程中利用鉆桿對錨索鉆孔進(jìn)行注漿,調(diào)整注漿泵壓力0.4～0.6 MPa,注漿量分別按照錨固段(11 m)及全長注漿段落(33 m)對應(yīng)的鉆孔體積進(jìn)行計算確定。

(6)拉拔試驗:待注漿體達(dá)到設(shè)計齡期后,開展現(xiàn)場拉拔試驗,采用多循環(huán)荷載法,加荷等級及位移觀測時間參考《建筑基坑支護(hù)規(guī)程》(JGJ 120—2012)[15]表A.2.3確定。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 荷載-位移曲線特征

各組錨索典型拉拔試驗荷載-位移(Q-s)曲線如圖4所示,可以看出,隨著拉拔荷載的增加,錨索的拉拔位移也逐漸增大。同時,隨著荷載的增加,相同荷載增量引起的位移增量逐漸增大,表明錨索在荷載作用下的變形逐步由自由段的彈性伸長轉(zhuǎn)變?yōu)榘ㄥ^固段塑性位移在內(nèi)的復(fù)合變形。除C2錨索由于鋼絞線損傷未達(dá)到軸向拉力設(shè)計值以外(破壞時荷載為990 kN),其余錨索的的極限拉拔荷載均達(dá)到了錨索軸向拉力設(shè)計值1 100 kN。

圖4 錨索拉拔試驗荷載-位移曲線Fig.4 Load-displacement curve of the underreamed anchor

2.2 彈塑性位移特征對比

為了進(jìn)一步分析各組錨索在拉拔荷載作用下變形特征,對比作出各組錨索的荷載-彈性位移(Q-se)和荷載-塑性位移(Q-sp)曲線,如圖5所示。

圖5 各組錨索彈塑性位移對比曲線Fig.8 Comparison curve of elastic and plastic displacement between each group underreamed anchor

對比圖5(a)所示A組和B組錨索的Q-se及Q-sp曲線可以看出,隨著拉拔荷載的增加,兩組錨索的彈性位移與塑性位移均相應(yīng)增大,但B組錨索的彈塑性位移均大于比A組,且隨著荷載的增加,兩組錨索的彈塑性位移差值也相應(yīng)增大。特別是在荷載達(dá)到設(shè)計荷載1 100 kN時,B組錨索彈性與塑性位移相比A組平均分別高約42.4%和143.4%,表明在錨固段注漿條件下,采用PE波紋管的A組錨索的變形能力要低于采用HDPE套管的B組錨索,這可能與A組錨索由于套管破損、自由段塌孔等受到的摩阻力偏大相關(guān)。

對比圖5(b)所示A組和C組錨索的Q-se及Q-sp曲線可以看出,隨著拉拔荷載的增加,錨索的彈性位移與塑性位移均相應(yīng)增大,且C組錨索的彈塑性位移相比A組錨索偏低。由于C2錨索鋼絞線在施工過程中存在局部損傷,其拉拔荷載未能達(dá)到設(shè)計值,這里僅對比C1錨索與A組錨索在1 100 kN荷載下的彈塑性位移,C1錨索的彈性與塑性位移分別為A組錨索平均值的87.7%和73.9%,表明在采用PE波紋管條件下,全長注漿錨索受到的摩擦阻力高于僅對錨固段注漿的錨索。

對比圖5(c)所示C組和D組錨索的Q-se及Q-sp曲線可以看出,隨著拉拔荷載的增加,錨索的彈性位移與塑性位移均相應(yīng)增大。在1 100 kN荷載條件下,D組錨索的彈性和塑性位移較C1錨索分別高約30.0%和148.9%,表明在全長注漿條件下,采用HDPE套管相比PE波紋管作為隔離漿液措施能夠更好地保證錨索的變形性能。

對比圖5(d)所示B組和D組錨索的Q-se及Q-sp曲線可以看出,隨著拉拔荷載的增加,兩組錨索的彈性位移與塑性位移變化規(guī)律基本一致,在1 100 kN荷載條件下,D組錨索的彈性和塑性位移分別為B組錨索平均值的80.1%和75.6%,表明注漿長度對HDPE套管保護(hù)的錨索變形性能影響較小,采用HDPE套管能夠起到良好的隔離漿液效果,避免拉拔試驗過程中鋼絞線與套管產(chǎn)生明顯的摩擦阻力,保證了錨索的變形性能。

2.3 自由段彈性伸長比例分析

在分析錨索荷載-位移曲線宏觀特征的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步對錨索彈性伸長量進(jìn)行分析,錨索自由段彈性伸長量理論值的計算公式為

(1)

式(1)中:Δs為錨索自由段彈性伸長量理論計算值,mm;Q為錨索軸向拉力值,kN;L為錨索的有效長度,自錨固端至張拉錨具之間的距離,m;E為鋼絞線的彈性模量,1.95×105MPa;A為鋼絞線的斷面面積(φs15.2 mm鋼絞線斷面面積為140 mm2);n為錨索根數(shù)。

各組錨索在最大荷載作用下的自由段彈性伸長量實測值與理論計算值如表4所示,為表述方便,定義錨索自由段伸長量實測值與理論計算值的比值為R。由表4可以看出,A、B、C、D組錨索的R值分別為58.4%、79.3%、50.9%和64.3%。可以看出,在錨固段注漿條件下,采用HDPE套管的B組錨索的R值相比使用PE波紋管的A組錨索高約20.9%;而全長注漿時,采用HDPE套管的D組錨索的R值相比使用PE波紋管的C組錨索高約13.4%。進(jìn)一步表明采用HDPE套管相比PE波紋管能夠更好地發(fā)揮對自由段的隔離保護(hù)作用,保證錨索更好的發(fā)揮彈性變形性能。而相同套管類型條件下,隨著注漿長度的增加,錨索的彈性伸長量實測值與理論計算值的比值R減小。

表4 錨索自由段彈性伸長量實測值與理論計算值Table 4 Experimental and theoretical elastic elongation value of the free anchor length

2.4 錨索剛度系數(shù)分析

通過分析各組錨索拉拔試驗過程中的Q-se及Q-sp曲線可以看出,注漿長度及套管類型對錨索受力變形特性產(chǎn)生影響,在此基礎(chǔ)上,進(jìn)一步分析各組錨索剛度系數(shù)的變化規(guī)律。

根據(jù)《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 120—2012)[15]中關(guān)于錨拉式支擋結(jié)構(gòu)的彈性支點剛度系數(shù)的計算方法,利用拉拔試驗數(shù)據(jù)的計算公式為

(2)

式(2)中:kR為錨桿剛度系數(shù),kN/mm;Q1和Q2為錨桿循環(huán)加荷或逐級加荷試驗中(Q-s)曲線上對應(yīng)錨桿拉力鎖定值與軸向拉力標(biāo)準(zhǔn)值的荷載,kN;s1和s2為(Q-s)曲線上對應(yīng)于荷載Q1和Q2的錨頭位移值,mm;ba為擋土結(jié)構(gòu)計算寬度,m,對于單根支護(hù)樁,取排樁間距;s為錨桿水平間距,m。

試驗中錨索的拉力鎖定值Q1為400 kN,軸向拉力標(biāo)準(zhǔn)值Q2為800 kN,排樁間距ba為1.8 m,錨桿水平間距s為1.8 m,根據(jù)錨桿拉拔試驗結(jié)果,計算得到各種工況下錨桿的剛度系數(shù)如表5所示。

表5 錨索剛度系數(shù)計算結(jié)果Table 5 Calculated stiffness coefficient of the underreamed anchors

對比表5中B組錨索和D組錨索,B組錨索剛度系數(shù)平均為6.56 kN/mm,D組錨索剛度系數(shù)平均為8.32 kN/mm,D組錨索相比B組錨索高約62.2%,表明在采用相同的HDPE套管條件下,全長注漿增加了錨索的剛度系數(shù);而采取全長注漿+PE波紋管的C組錨索剛度系數(shù)平均為10.64 kN/mm,相比采用全長注漿+HDPE套管的D組錨索的平均剛度系數(shù)8.32 kN/mm高約27.6%,表明在全長注漿條件下,采用HDPE套管的錨索具有更好的變形能力。

3 討論

結(jié)合不同注漿長度與套管類型條件下錨索變形特性的試驗結(jié)果分析,可以看出,采用錨固段注漿+HDPE套管或者全長注漿+HDPE套管的錨索能夠減小自由段摩擦阻力的影響,更好的發(fā)揮承載能力,且具有更為優(yōu)良的彈性變形性能。

采用PE波紋管作為錨索自由段保護(hù)套管時,由于PE波紋管質(zhì)地較軟且材料強(qiáng)度較低,在錨索安設(shè)過程中容易出現(xiàn)破損,且在全長注漿情況下,注漿體將會對鋼絞線產(chǎn)生包裹與壓縮,使得自由段波紋管與鋼絞線呈嵌合接觸,即自由段注漿體對鋼絞線產(chǎn)生了一定的阻力,這一阻力也導(dǎo)致當(dāng)錨索初始張拉在拉力較小時主要以塑性變形為主。同時,由于錨索自由段較長,即使采取錨固段注漿+PE波紋管的方案,由于錨索自由段不可避免地出現(xiàn)塌孔等問題,坍塌土體也將會對自由段產(chǎn)生額外的摩擦阻力,使得錨索拉拔力不能全部傳遞至錨固段,并影響自由段的變形性能。

而采用HDPE套管作為自由段保護(hù)套管時,能夠有效保證鋼絞線在套管中處于無黏結(jié)狀態(tài),且HDPE套管的強(qiáng)度、剛度較PE波紋管高,能夠較好發(fā)揮隔離漿液及抵抗注漿體或坍塌土體徑向壓力的作用,有效保證自由段鋼絞線發(fā)揮彈性伸長作用,并能夠使自由段更好地將錨索拉拔力傳遞至錨固段。

因此,建議在實際工程中采用HDPE套管替代PE波紋管,并根據(jù)鉆孔穩(wěn)定性情況確定注漿長度,即在鉆孔地層穩(wěn)定性較好、不易出現(xiàn)塌孔時,采用錨固段注漿+HDPE套管的方案,并可在錨索張拉鎖定之后再對鉆孔進(jìn)行注漿封堵;而在鉆孔穩(wěn)定性差、塌孔嚴(yán)重時,則采用全長注漿+HDPE套管的方案,保證錨索發(fā)揮變形受力性能的同時也能夠?qū)︺@孔巖土體進(jìn)行有效加固,降低錨索鉆孔施工對地層造成的擾動影響。

4 結(jié)論

依托實際工程開展了自由段注漿+PE波紋管、全長注漿+PE波紋管、自由段注漿+HDPE套管、全長注漿+HDPE套管4種擴(kuò)大頭錨索的現(xiàn)場拉拔試驗,對比分析了不同工況下錨索受力變形特性,得到主要結(jié)論如下。

(1)在對錨固段注漿條件下,采用HDPE套管的錨索彈性與塑性位移相比PE波紋管錨索平均分別高約42.4%和143.4%;而在全長注漿條件下,采用HDPE套管的錨索彈性與塑性位移相比PE波紋管錨索平均分別高約30.0%和148.9%,表明在相同注漿長度條件下,采用HDPE套管相比PE波紋管能夠更好地發(fā)揮對自由段的隔離保護(hù)作用,保證自由段的變形性能。

(2)通過對比錨索自由段伸長量實測值與理論值可以看出,采用錨固段注漿+HDPE套管的錨索自由段彈性伸長量實測值與理論計算值的比例最高,達(dá)到79.3%,全長注漿+HDPE套管的錨索次之(64.3%),錨固段注漿+PE波紋管的錨索再次(58.4%),而全長注漿+PE波紋管的錨索的彈性變形最低(50.9%)。

(3)采用相同套管類型時,注漿長度的增加會導(dǎo)致自由段伸長量值的減小,但會增大錨索剛度系數(shù);而在相同注漿段落長度條件下,采用HDPE套管錨索的剛度系數(shù)相比采用PE波紋管錨索的出現(xiàn)降低,表明采用HDPE套管的錨索具有更好的變形能力。

(4)在試驗研究的基礎(chǔ)上,提出在鉆孔地層穩(wěn)定性較好、不易出現(xiàn)塌孔時,采用錨固段注漿+HDPE套管的方案,并可在錨索張拉鎖定之后再對鉆孔進(jìn)行注漿封堵;而在鉆孔穩(wěn)定性差、塌孔嚴(yán)重時,則采用全長注漿+HDPE套管的方案,從而保證錨索受力變形性能均達(dá)到設(shè)計預(yù)期。