注浆长度与套管类型对扩大头锚索性能的影响

刘凯, 孙伟青*, 李文辉, 耿林, 王响龙, 袁敬强

(1.青岛地质工程勘察院(青岛地质勘查开发局), 青岛 266000; 2.青岛地矿岩土工程有限公司, 青岛 266000; 3.中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室, 武汉 430071)

随着中国城市地下空间开发利用的快速发展,深大基坑工程建设规模也逐渐增加,桩锚支护由于占用空间小、不影响主体结构施工、节约拆除工程量等优势,在深基坑支护中的应用比例也不断增加。而扩大头锚索相比普通锚索具有抗拔承载力大、支护效率高、工程造价低等优点,在桩锚支护工程中得到了重视与成功应用[1-6]。

随着扩大头锚索的广泛应用,对其受力变形特性的研究也逐步增加。郭刚等[7]通过开展室内模型试验,研究了均质砂土中竖向拉拔扩体锚杆的几何尺寸及埋深对其承载特性的影响。李永辉等[8]通过开展大比例尺室内模型试验,分析了扩大头锚索受力变形规律、扩大头顶阻与侧阻发挥性状及荷载承担比例、扩大头顶阻对侧阻的影响机理、扩大头上覆土体竖向位移及破坏特征。刘波等[9]研究了扩大头锚索在饱和粉细砂层基坑支护中的应用,并结合现场监测数据对锚索受力机理进行了分析。肖俊等[10]采用弹塑性有限元法对锚索加固效果进行了计算分析,认为锚索自由段采用注浆填充后会直接影响其张拉力的传递,从而影响锚索加固效果,而自由段不进行注浆充填将最能达到期望的锚固效果。刘晓明等[11]通过建立考虑自由段受荷的锚杆变形受力理论模型,计算分析指出自由段受荷后对锚杆的刚度和承载力都有明显的提高,且随着自由段长度的增加,其承载力会有所提高,但锚杆整体刚度却在降低。杨庆光等[12]讨论了自由段先注浆对预应力锚索抗拔试验结果影响,指出自由段注浆较大幅度提高了锚索抗拔力。

而在考虑锚固段及自由段长度影响的锚索受力变形试验测试方面,覃荷瑛等[13]通过开展室内试验,采用分布式光纤光栅传感器对预应力锚索锚固段及自由段的受力变形进行了监测分析,指出锚固段锚索轴力传递并不均匀,自由段传力均匀但随张拉荷载与自由段长度的增加,轴力损失也会逐渐增加。孙伟红等[14]通过开展预应力锚索现场拉拔试验,分析了含砂卵石地层中锚索拉拔位移与锚固段及自由段长度的关系。按照预应力锚索的设计理念,锚索自由段在预应力张拉锁定之前不进行注浆充填,而在实际工程中经常出现由于自由段范围土质条件差,为确保自由段不塌孔,需在成孔后一次性完成锚索全长注浆的情况;同时,自由段所采取的隔离浆液保护措施也将会对锚索受力变形特性产生影响。然而,目前针对注浆长度和自由段保护措施对锚索受力变形特性方面的研究鲜有报道,因此,针对不同施工条件下的锚索开展现场拉拔试验,从而更好地揭示实际锚索施工条件下扩大头锚索受力变形特征,具有重要理论与工程应用价值。

为此,现依托实际工程,通过开展现场试验,对比研究锚固段注浆+聚乙烯(polyethylene,PE)波纹管(设计方案)、全长注浆+PE波纹管(实际施工常用方案)、锚固段注浆+高密度聚乙烯(high density polyethylen,HDPE)套管、全长注浆+HDPE套管等不同条件下锚索受力变形特性,分析注浆长度与套管类型对于锚索受力变形的影响规律。

1 试验方案

1.1 试验场地概况

试验场地位于山东省青岛市上合广场地下空间项目工地,项目建设主要包括地下停车场综合体工程、地下环路及综合管廊工程。地面为绿地公园、配套地下2或3层建筑的大型综合体,地下建筑面积达315 510 m2,基坑最大开挖深度为13.5 m,试验场地工程设计概况如图1所示。

图1 试验场地工程设计概况Fig.1 Engineering design sketch of field experiment site

场区原地貌为滨海浅滩,后经人工回填改造。钻探结果表明,场区第四系主要由全新统人工填土层(Q4ml)、全新统海相沼泽化层(Q4mh)、全新统洪冲积层(Q4al+pl)、上更新统洪冲积层(Q3al+pl)组成,基岩为白垩系王氏群砂砾岩(K2W),场地典型地质剖面如图2所示。

图2 试验场地典型地质剖面图Fig.2 Typical geological profile of the field experiment site

场区地下水主要为第四系孔隙潜水与承压水,潜水水位埋深0.10～3.90 m,水位标高0.96～1.53 m,地下水年变幅为1～2 m,主要接受大气降水的补给。

根据场地岩土工程勘察资料,地层主要物理力学参数如表1所示。

表1 地层物理力学参数Table 1 Physical and mechanical parameters of the strata

1.2 基坑支护设计方案

试验区域基坑采用双排钻孔灌注桩+3排高压旋喷扩大头锚索支护。其中,钻孔灌注桩桩径为1.0 m,桩间距1.8 m,排间距为3.0 m,桩顶设置冠梁及连梁;高压旋喷扩大头锚索从上至下共设置3排,各排锚索设计参数如表2所示。

表2 扩大头锚索主要设计参数Table 2 Main design parameters of underreamed anchors

地下水控制采用高压旋喷桩+三轴搅拌桩+坑内集水明排的方案,高压旋喷桩设置于前排钻孔灌注桩桩间,旋喷桩直径为1.0 m,桩间距1.8 m,桩深至坑底以下1.0 m。搅拌桩紧贴前排钻孔灌注桩布置,桩径为0.85 m,桩间距为0.6 m。

1.3 试验锚索方案

现场试验以第1排锚索为研究对象,锚索锚固段持力层主要为⑦粉质黏土、⑨中粗砂及黏土,各土层与锚杆的极限黏结强度标准值分别为60、140、65 kPa。

为分析注浆长度、自由段保护套管类型对于锚索受力变形特性的影响,现场试验了锚固段注浆+PE波纹管套管(A组)、锚固段注浆+HDPE套管(B组)、全长注浆+PE波纹管套管(C组)、全长注浆+HDPE套管(D组)4种锚索方案,其中,A组锚索为现场设计施工的锚索方案,其余3组为开展对照试验的锚索。试验方案如表3所示。

表3 锚索试验方案参数Table 3 Experimental scheme of the underreamed anchors

采用高压旋喷工艺实现锚固段扩孔,扩大头锚固段直径为500 mm,普通锚固段及自由段钻孔直径为200 mm,锚索间距为1.80 m,倾角为30°,锚索材料为高强度低松弛1 860级钢绞线,注浆材料采用42.5级普通硅酸盐水泥制备,水灰比为0.5。

如图3所示,PE波纹管为施工中通常采用的锚索自由段保护套管类型,其外径为21.2 mm,内径17.0 mm,壁厚为0.8 mm,通过拉伸强度试验测得PE波纹管抗拉强度为6.3 MPa,极限拉伸率为95%,实际施工中发现由于波纹管壁厚较薄,在锚索安装过程中容易出现破损,失去对自由段的隔离保护作用;HDPE套管为穿线专用管,其外径为外径25.0 mm,内径20.4 mm,壁厚2.3 mm,拉伸强度试验测得HDPE套管抗拉强度为16.1 MPa,极限拉伸率为544%,从而保证其在锚索安设过程中不容易被损坏。

图3 锚索自由段不同套管实物图Fig.3 Different casing tube for the free anchor length

1.4 锚索施工与拉拔试验

锚索施工与拉拔试验主要流程如下。

(1)锚索制作:根据设计方案确定锚索钢绞线长度,在锚索自由段涂刷脱水黄油后分别套装PE波纹管或HDPE套管,并按照设计方案进行锚索编制与托架安装。同时,由于HDPE套管密度相对较大,需要与锚索钢绞线采取有效的固定措施才能避免出现套管与钢绞线滑脱。为此,采取在自由段与锚固段分界部位的套管上开孔,使用扎丝与钢绞线绑扎固定,并使用胶带对绑扎位置封堵密封的措施。

(2)钻孔:采用MDL-150H履带式钻机进行钻孔,通过中空钻杆泵送水泥浆至钻头处,起到护壁、携渣及冷却钻头等作用,钻孔至设计自由段长度后停止钻进,准备进入高压旋喷扩孔施工。

(3)高压水泥浆喷射扩孔:调整注浆泵压力至高压旋喷注浆设计压力(≥25 MPa),将配制好的普通硅酸盐水泥浆液(水灰比0.5)从钻头位置的喷浆口喷出,钻头推进速度为10～25 cm/min,钻孔至设计钻孔深度后停止高压旋喷,完成高压旋喷扩孔段施工。

(4)锚索安放:高压旋喷注浆结束后,退出钻杆,采用钻杆牵引顶进已经制作好的锚索,完成锚索安放。

(5)注浆:锚索安放完成,退出钻杆过程中利用钻杆对锚索钻孔进行注浆,调整注浆泵压力0.4～0.6 MPa,注浆量分别按照锚固段(11 m)及全长注浆段落(33 m)对应的钻孔体积进行计算确定。

(6)拉拔试验:待注浆体达到设计龄期后,开展现场拉拔试验,采用多循环荷载法,加荷等级及位移观测时间参考《建筑基坑支护规程》(JGJ 120—2012)[15]表A.2.3确定。

2 试验结果分析

2.1 荷载-位移曲线特征

各组锚索典型拉拔试验荷载-位移(Q-s)曲线如图4所示,可以看出,随着拉拔荷载的增加,锚索的拉拔位移也逐渐增大。同时,随着荷载的增加,相同荷载增量引起的位移增量逐渐增大,表明锚索在荷载作用下的变形逐步由自由段的弹性伸长转变为包括锚固段塑性位移在内的复合变形。除C2锚索由于钢绞线损伤未达到轴向拉力设计值以外(破坏时荷载为990 kN),其余锚索的的极限拉拔荷载均达到了锚索轴向拉力设计值1 100 kN。

图4 锚索拉拔试验荷载-位移曲线Fig.4 Load-displacement curve of the underreamed anchor

2.2 弹塑性位移特征对比

为了进一步分析各组锚索在拉拔荷载作用下变形特征,对比作出各组锚索的荷载-弹性位移(Q-se)和荷载-塑性位移(Q-sp)曲线,如图5所示。

图5 各组锚索弹塑性位移对比曲线Fig.8 Comparison curve of elastic and plastic displacement between each group underreamed anchor

对比图5(a)所示A组和B组锚索的Q-se及Q-sp曲线可以看出,随着拉拔荷载的增加,两组锚索的弹性位移与塑性位移均相应增大,但B组锚索的弹塑性位移均大于比A组,且随着荷载的增加,两组锚索的弹塑性位移差值也相应增大。特别是在荷载达到设计荷载1 100 kN时,B组锚索弹性与塑性位移相比A组平均分别高约42.4%和143.4%,表明在锚固段注浆条件下,采用PE波纹管的A组锚索的变形能力要低于采用HDPE套管的B组锚索,这可能与A组锚索由于套管破损、自由段塌孔等受到的摩阻力偏大相关。

对比图5(b)所示A组和C组锚索的Q-se及Q-sp曲线可以看出,随着拉拔荷载的增加,锚索的弹性位移与塑性位移均相应增大,且C组锚索的弹塑性位移相比A组锚索偏低。由于C2锚索钢绞线在施工过程中存在局部损伤,其拉拔荷载未能达到设计值,这里仅对比C1锚索与A组锚索在1 100 kN荷载下的弹塑性位移,C1锚索的弹性与塑性位移分别为A组锚索平均值的87.7%和73.9%,表明在采用PE波纹管条件下,全长注浆锚索受到的摩擦阻力高于仅对锚固段注浆的锚索。

对比图5(c)所示C组和D组锚索的Q-se及Q-sp曲线可以看出,随着拉拔荷载的增加,锚索的弹性位移与塑性位移均相应增大。在1 100 kN荷载条件下,D组锚索的弹性和塑性位移较C1锚索分别高约30.0%和148.9%,表明在全长注浆条件下,采用HDPE套管相比PE波纹管作为隔离浆液措施能够更好地保证锚索的变形性能。

对比图5(d)所示B组和D组锚索的Q-se及Q-sp曲线可以看出,随着拉拔荷载的增加,两组锚索的弹性位移与塑性位移变化规律基本一致,在1 100 kN荷载条件下,D组锚索的弹性和塑性位移分别为B组锚索平均值的80.1%和75.6%,表明注浆长度对HDPE套管保护的锚索变形性能影响较小,采用HDPE套管能够起到良好的隔离浆液效果,避免拉拔试验过程中钢绞线与套管产生明显的摩擦阻力,保证了锚索的变形性能。

2.3 自由段弹性伸长比例分析

在分析锚索荷载-位移曲线宏观特征的基础上,进一步对锚索弹性伸长量进行分析,锚索自由段弹性伸长量理论值的计算公式为

(1)

式(1)中:Δs为锚索自由段弹性伸长量理论计算值,mm;Q为锚索轴向拉力值,kN;L为锚索的有效长度,自锚固端至张拉锚具之间的距离,m;E为钢绞线的弹性模量,1.95×105MPa;A为钢绞线的断面面积(φs15.2 mm钢绞线断面面积为140 mm2);n为锚索根数。

各组锚索在最大荷载作用下的自由段弹性伸长量实测值与理论计算值如表4所示,为表述方便,定义锚索自由段伸长量实测值与理论计算值的比值为R。由表4可以看出,A、B、C、D组锚索的R值分别为58.4%、79.3%、50.9%和64.3%。可以看出,在锚固段注浆条件下,采用HDPE套管的B组锚索的R值相比使用PE波纹管的A组锚索高约20.9%;而全长注浆时,采用HDPE套管的D组锚索的R值相比使用PE波纹管的C组锚索高约13.4%。进一步表明采用HDPE套管相比PE波纹管能够更好地发挥对自由段的隔离保护作用,保证锚索更好的发挥弹性变形性能。而相同套管类型条件下,随着注浆长度的增加,锚索的弹性伸长量实测值与理论计算值的比值R减小。

表4 锚索自由段弹性伸长量实测值与理论计算值Table 4 Experimental and theoretical elastic elongation value of the free anchor length

2.4 锚索刚度系数分析

通过分析各组锚索拉拔试验过程中的Q-se及Q-sp曲线可以看出,注浆长度及套管类型对锚索受力变形特性产生影响,在此基础上,进一步分析各组锚索刚度系数的变化规律。

根据《建筑基坑支护技术规程》(JGJ 120—2012)[15]中关于锚拉式支挡结构的弹性支点刚度系数的计算方法,利用拉拔试验数据的计算公式为

(2)

式(2)中:kR为锚杆刚度系数,kN/mm;Q1和Q2为锚杆循环加荷或逐级加荷试验中(Q-s)曲线上对应锚杆拉力锁定值与轴向拉力标准值的荷载,kN;s1和s2为(Q-s)曲线上对应于荷载Q1和Q2的锚头位移值,mm;ba为挡土结构计算宽度,m,对于单根支护桩,取排桩间距;s为锚杆水平间距,m。

试验中锚索的拉力锁定值Q1为400 kN,轴向拉力标准值Q2为800 kN,排桩间距ba为1.8 m,锚杆水平间距s为1.8 m,根据锚杆拉拔试验结果,计算得到各种工况下锚杆的刚度系数如表5所示。

表5 锚索刚度系数计算结果Table 5 Calculated stiffness coefficient of the underreamed anchors

对比表5中B组锚索和D组锚索,B组锚索刚度系数平均为6.56 kN/mm,D组锚索刚度系数平均为8.32 kN/mm,D组锚索相比B组锚索高约62.2%,表明在采用相同的HDPE套管条件下,全长注浆增加了锚索的刚度系数;而采取全长注浆+PE波纹管的C组锚索刚度系数平均为10.64 kN/mm,相比采用全长注浆+HDPE套管的D组锚索的平均刚度系数8.32 kN/mm高约27.6%,表明在全长注浆条件下,采用HDPE套管的锚索具有更好的变形能力。

3 讨论

结合不同注浆长度与套管类型条件下锚索变形特性的试验结果分析,可以看出,采用锚固段注浆+HDPE套管或者全长注浆+HDPE套管的锚索能够减小自由段摩擦阻力的影响,更好的发挥承载能力,且具有更为优良的弹性变形性能。

采用PE波纹管作为锚索自由段保护套管时,由于PE波纹管质地较软且材料强度较低,在锚索安设过程中容易出现破损,且在全长注浆情况下,注浆体将会对钢绞线产生包裹与压缩,使得自由段波纹管与钢绞线呈嵌合接触,即自由段注浆体对钢绞线产生了一定的阻力,这一阻力也导致当锚索初始张拉在拉力较小时主要以塑性变形为主。同时,由于锚索自由段较长,即使采取锚固段注浆+PE波纹管的方案,由于锚索自由段不可避免地出现塌孔等问题,坍塌土体也将会对自由段产生额外的摩擦阻力,使得锚索拉拔力不能全部传递至锚固段,并影响自由段的变形性能。

而采用HDPE套管作为自由段保护套管时,能够有效保证钢绞线在套管中处于无黏结状态,且HDPE套管的强度、刚度较PE波纹管高,能够较好发挥隔离浆液及抵抗注浆体或坍塌土体径向压力的作用,有效保证自由段钢绞线发挥弹性伸长作用,并能够使自由段更好地将锚索拉拔力传递至锚固段。

因此,建议在实际工程中采用HDPE套管替代PE波纹管,并根据钻孔稳定性情况确定注浆长度,即在钻孔地层稳定性较好、不易出现塌孔时,采用锚固段注浆+HDPE套管的方案,并可在锚索张拉锁定之后再对钻孔进行注浆封堵;而在钻孔稳定性差、塌孔严重时,则采用全长注浆+HDPE套管的方案,保证锚索发挥变形受力性能的同时也能够对钻孔岩土体进行有效加固,降低锚索钻孔施工对地层造成的扰动影响。

4 结论

依托实际工程开展了自由段注浆+PE波纹管、全长注浆+PE波纹管、自由段注浆+HDPE套管、全长注浆+HDPE套管4种扩大头锚索的现场拉拔试验,对比分析了不同工况下锚索受力变形特性,得到主要结论如下。

(1)在对锚固段注浆条件下,采用HDPE套管的锚索弹性与塑性位移相比PE波纹管锚索平均分别高约42.4%和143.4%;而在全长注浆条件下,采用HDPE套管的锚索弹性与塑性位移相比PE波纹管锚索平均分别高约30.0%和148.9%,表明在相同注浆长度条件下,采用HDPE套管相比PE波纹管能够更好地发挥对自由段的隔离保护作用,保证自由段的变形性能。

(2)通过对比锚索自由段伸长量实测值与理论值可以看出,采用锚固段注浆+HDPE套管的锚索自由段弹性伸长量实测值与理论计算值的比例最高,达到79.3%,全长注浆+HDPE套管的锚索次之(64.3%),锚固段注浆+PE波纹管的锚索再次(58.4%),而全长注浆+PE波纹管的锚索的弹性变形最低(50.9%)。

(3)采用相同套管类型时,注浆长度的增加会导致自由段伸长量值的减小,但会增大锚索刚度系数;而在相同注浆段落长度条件下,采用HDPE套管锚索的刚度系数相比采用PE波纹管锚索的出现降低,表明采用HDPE套管的锚索具有更好的变形能力。

(4)在试验研究的基础上,提出在钻孔地层稳定性较好、不易出现塌孔时,采用锚固段注浆+HDPE套管的方案,并可在锚索张拉锁定之后再对钻孔进行注浆封堵;而在钻孔稳定性差、塌孔严重时,则采用全长注浆+HDPE套管的方案,从而保证锚索受力变形性能均达到设计预期。