搅拌水泥土锚杆的电测试验研究

陆林龙 吴大中

1 搅拌水泥土锚杆简介

土层锚杆是岩土锚固工程领域的重要分支，其原理是将作用于结构物上的荷载传递给深部土体。在岩土工程中采用锚固技术，能充分挖掘岩土能量，调用岩土的自身强度和自承能力，大大减轻结构自重，节约工程材料，取得显著的经济效果，并保证施工安全与工程稳定。

土作为锚固工程的重要组成部分，在工程中的应用起始于20世纪70年代，由于其独特的效应、简便的工艺、广泛的用途、经济的造价，在岩土工程领域中显示旺盛的生命力[1］。

近年来为了适应不同地质条件及工作条件的需要，对土层锚杆进行了一系列新的改进与研究，国内基坑围护工程中的土层锚杆其形式与结构呈现多样化[2-4］。由于宁波地区地处深厚软土分布区(以淤泥质黏土为主)，在软土地基中采用基坑围护方案成功与否的关键是锚杆需提供较大且稳定的锚固力。

为此，针对宁波等软土地区的地质条件，介绍了一种工艺更简单、可应用于软土基坑支护工程中的土层锚固工法——“搅拌水泥土锚杆工法”，简称 MCS锚杆。

搅拌水泥土锚杆借鉴了水泥土搅拌桩施工工艺，视锚杆为斜向水泥土搅拌桩，为拉力集中型锚杆，采用普通脚手架钢管作为一次性钻杆，将前端带有多组搅拌叶片的钻杆以设计角度旋转打入土层，在推进过程中同时注入水泥浆液，叶片切削土体并与水泥浆搅拌混合，在土中形成直径可以控制的水泥土固结体。到预定深度后，钻杆及叶片作为加筋体留置在土中，与水泥土固结体共同形成可承受拉力的锚固体，从而形成强度显著提高的搅拌水泥土锚杆。

2 搅拌水泥土锚杆作用机理

搅拌水泥土锚杆之所以能锚固在土层中作为一种新型受拉杆件，主要是由于锚杆在土层中具有一定的抗拔力。如图1所示，当锚固段锚杆受力，首先通过锚索与周边水泥土握裹力传到水泥土中，然后通过水泥土传到周围土体。

图1 搅拌水泥土锚杆的受力机理

传递的过程随着荷载的增加，锚索与水泥土的粘结力(握裹力)逐渐发展到锚杆下端，待锚固段内发生最大粘结力时，就发生与土体的相对位移，随即发生土体与锚固的摩阻力，直到极限摩阻力。当拔力小时锚杆位移量也小，拔力增大，位移量也增加;当拔力达到一定量时，位移不稳定，甚至不加力，位移仍不停止，此时认为锚杆已达破坏阶段，也就是锚杆与土体间的摩阻力超过了极限状态。

3 搅拌水泥土锚杆的电测试验

3.1 搅拌水泥土锚杆电测试验概况

制作2根21 m长试验锚杆，自由段长度3 m，锚固段长度18 m，锚杆接管长度顺序为6 m+6 m+6 m+3 m;在其锚头位置向下1 m，3 m，4 m，6 m，8 m，10 m，12 m，14 m，16 m，18 m，20 m 的位置对称粘贴电阻应变片(见图2)，并用环氧树脂胶进行保护，锚杆加筋体钢管外侧焊小直径无缝钢管，导线由此穿过，防止导线在锚杆打入土体过程中被破坏。

图2 电阻应变片布置位置

3.2 搅拌水泥土锚杆电测试验结果

本试验检测均按中国工程建设标准化协会标准《岩土锚杆(索)技术规程》[5］中的要求进行。本试验采用1/4桥路连接测量加筋体在荷载作用下的应变值(如表1，表2所示，表中未显示应变代表该测点应变片损坏，应变单位为1×10-6m)，根据弹性力学理论计算锚杆加筋体各测点的轴力值，换算出粘结应力沿锚杆杆长的分布情况。

由表1，表2测得的锚杆各测点的应变值可进而得到锚杆的轴力。

搅拌水泥土锚杆的轴力随锚杆杆长的分布图见图3，图4。

由图3，图4锚杆在各测点的轴力图可知，锚杆在轴向拉力荷载作用下，轴力沿锚杆杆长方向逐渐递减，到达一定深度后轴力衰减至接近零。在各级荷载作用下，21 m锚杆的轴力在距锚杆顶端14 m后，其轴力接近零，即长度增加对锚杆抗拔力的提高无明显效果。

表1 1号锚杆电测应变值

表2 2号锚杆电测应变值

图3 1号锚杆的轴力图

图4 2号锚杆的轴力图

由图3，图4锚杆的轴力图可进一步得到锚杆的区段粘结应力分布图，如图5，图6所示。

图5 1号锚杆的区段粘结应力图锚杆区段

由图5，图6锚杆的区段粘结应力图可知，21 m锚杆在沿杆长分布的粘结应力存在应力集中的现象，且应力集中不止一处，但应力峰值主要集中在8 m～14 m这一区段中，即21 m锚杆在沿杆端往下8 m～14 m的区段中所受粘结应力最大，因此21 m锚杆在设计施工时应对8 m～14 m这一区段进行局部加强。

图6 2号锚杆的区段粘结应力图锚杆区段

4 结语

针对宁波地区以水泥土为锚固体的锚杆施工工艺，分析了搅拌水泥土锚杆的受力机理，并对其进行电测试验以进一步了解搅拌水泥土锚杆的应力分布状况。

1)搅拌水泥土锚杆是适用于软土地区的一种新型土层锚杆。经过现场电测试验分析可知，锚杆在轴向拉力荷载作用下，轴力沿锚杆杆长方向逐渐递减，到达一定深度后轴力衰减至接近零。

2)搅拌水泥土锚杆的受力存在一临界长度，由试验所得21 m锚杆的临界长度为14 m左右。

3)搅拌水泥土锚杆沿杆长方向上的粘结应力存在不同程度的应力集中现象，由试验所得21 m锚杆的应力集中部位主要在沿杆端往下8 m～14 m的区段中，因此21 m锚杆在设计施工时应对8 m～14 m这一区段进行局部加强。

[1]程良奎.岩土锚固研究与新进展[J］.岩石力学与工程学报，2005，11(21):23-25.

[2]蔡钟业，郑必勇.爆扩土锚杆稳定深基坑边坡的加固理论及设计施工方法[J］.岩土工程学报，1989，11(1):33-42.

[3]胡建林.可重复高压灌浆土层锚杆[J］.岩土工程学报，1998，20(1):13-15.

[4]王 钊，王金忠，曾繁平，等.玻璃钢螺旋锚的现场拉拔试验[J］.岩土工程学报，2007，29(10):1439-1443.

[5]CECS 22∶2005，岩土锚杆(索)技术规程[S］.