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        囊式擴(kuò)體錨桿受力原理及現(xiàn)場試驗研究

        2020-01-14 06:55:24陳夢鷗
        城市勘測 2019年6期
        關(guān)鍵詞:囊袋拉力錨索

        陳夢鷗

        (深圳市勘察研究院有限公司,廣東 深圳 518026)

        1 前 言

        隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展,建筑物除了向上發(fā)展之外還向地下延伸,基坑開挖深度越來越大;同時,城市用地越來越緊張,基坑周邊存在各種已建的建(構(gòu))筑物,為了避免對其產(chǎn)生不利影響,錨桿(索)不得伸入周邊建(構(gòu))筑物下方[1],錨索長度受到限制。

        為解決傳統(tǒng)錨索長度的問題,巖土工程界開始嘗試在支護(hù)工程中采用擴(kuò)體錨桿(又稱擴(kuò)大頭錨桿、擴(kuò)大頭錨索等):1997年,夏柏如等就介紹了國內(nèi)外土層錨桿端頭擴(kuò)大技術(shù)的原理及應(yīng)用情況[2];2004年,曾慶義等采用旋噴擴(kuò)孔,成功將擴(kuò)孔錨桿應(yīng)用于深圳某基坑中[3];2008年,孫凱等研究了擴(kuò)大頭壓力型錨索的受力性能,并將其應(yīng)用于??谀郴庸こ讨衃4];龔復(fù)軍將擴(kuò)大頭錨索應(yīng)用于南寧某基坑支護(hù)工程中[5];李云峰等將擴(kuò)大頭錨索應(yīng)用于廣州某地鐵基坑[6];張小平等采用旋噴擴(kuò)孔,將擴(kuò)大頭錨索應(yīng)用于河南省鄭東新區(qū)某基坑[7]。在工程應(yīng)用如火如荼之際,對擴(kuò)體錨桿的理論和試驗研究也在緊鑼密鼓地開展:曾慶義等基于多個工程的實測數(shù)據(jù),研究了擴(kuò)體錨桿的力學(xué)機(jī)制并提出了擴(kuò)大頭錨桿抗拔力計算公式[8];胡建林等在研制錨桿機(jī)械擴(kuò)孔器的基礎(chǔ)上,進(jìn)行了擴(kuò)體錨桿的工藝試驗和抗拔試驗研究[9];郭鋼等通過室內(nèi)模型試驗,研究了砂土中豎直埋設(shè)的擴(kuò)體錨桿在不同埋深條件下的豎向拉拔破壞模式,提出在工程設(shè)計中擴(kuò)體錨桿應(yīng)采用深埋形式[10],并運用數(shù)字照相變形量測技術(shù)研究了擴(kuò)體錨桿拉拔破壞機(jī)制[11]。

        經(jīng)過大量的工程應(yīng)用和試驗研究,發(fā)現(xiàn)常規(guī)的擴(kuò)體錨桿不能有效利用擴(kuò)體段的端承力,中國京冶工程技術(shù)有限公司開發(fā)了囊式擴(kuò)體錨桿,并在多個項目中應(yīng)用:由深圳市勘察研究院有限公司設(shè)計、中建二局施工的某超高層深基坑就采用了囊式擴(kuò)體錨桿[12];中鐵十五局將囊式擴(kuò)體錨桿應(yīng)用于湖州某淤泥質(zhì)土基坑中[13];劉鐘等研究了囊式擴(kuò)體錨桿的承載特性和破壞形式,并統(tǒng)計了囊式擴(kuò)體錨桿在深基坑和地下空間抗浮的應(yīng)用現(xiàn)狀(截止到發(fā)稿時)[14]。

        2 囊式擴(kuò)體錨桿的受力原理

        囊式擴(kuò)體錨桿利用液壓擴(kuò)孔后在孔內(nèi)放入囊袋,然后在囊袋內(nèi)注漿(或灌注細(xì)石混凝土),利用囊袋增加錨固體與土體之間的摩阻力,同時有效利用囊袋頭部的端壓力,減短錨桿長度、增加單錨拉力。囊式擴(kuò)體錨桿具有以下幾個特點:

        (1)囊袋式擴(kuò)體段對周邊土體產(chǎn)生擠脹作用,可增加單錨拔力,同時減少變形量;

        (2)囊式擴(kuò)體錨桿能利用囊袋頂部的土體端壓力,單錨拉力大大提高;

        (3)囊式擴(kuò)體錨桿是壓力型錨桿,耐久性好;

        (4)囊內(nèi)灌注高標(biāo)號水泥漿體或者細(xì)石混凝土,錨固體強(qiáng)度大,可以給錨固端頭承壓提供強(qiáng)度保證。

        囊式擴(kuò)體錨桿的基本結(jié)構(gòu)是由無黏結(jié)線材構(gòu)成的自由段和帶有囊式膨脹擠擴(kuò)體的端承錨固段組成,其各組成部分及受力簡圖如圖1所示[12]。

        圖1 囊式擴(kuò)體錨桿組成及受力簡圖

        從圖1可以看出,囊式擴(kuò)體錨桿與傳統(tǒng)錨桿最顯著的區(qū)別在于兩者錨固段形式的差異,傳統(tǒng)錨桿依靠錨固段與周圍土體的黏結(jié)力和摩擦效應(yīng)來傳遞荷載,所以錨固力的大小取決于有效錨固段的長度;而囊式擴(kuò)體錨桿主要依靠膨脹擠擴(kuò)體的端壓作用承載,錨固力的大小主要取決于膨脹擠擴(kuò)體的端頭承載面積,所以膨脹擠擴(kuò)體的長度只需滿足能夠?qū)ν馏w有效擠密的要求即可,錨固段的長度可以大大縮短。

        3 囊式擴(kuò)體錨桿在某項目中的應(yīng)用

        某項目位于深圳市,設(shè)4層地下室,基坑總體開挖深度約 20 m,局部坑中坑處開挖深度約 25 m,支護(hù)周長 427 m,面積約 10 000 m2。

        場地內(nèi)自上而下可分為人工填土層(厚度 3 m~9 m)、粗砂(厚度 0.7 m~3.8 m)、礫質(zhì)粉質(zhì)黏土(厚度 3.6 m~41.4 m),下伏燕山期粗?;◢弾r。

        場地周邊分布有密集的管線和建、構(gòu)筑物,且靠近正在運營的地鐵,錨索長度受限;若采用樁撐支護(hù),則支撐梁體量較大、立柱較多,造價高昂且影響施工工期。綜合比選之后,本項目采用灌注樁+囊式擴(kuò)體錨桿進(jìn)行支護(hù)。

        本項目地層參數(shù)如表1所示。

        本項目地層參數(shù) 表1

        本項目典型支護(hù)剖面圖如圖2所示。

        圖2 典型支護(hù)剖面圖

        4 現(xiàn)場試驗及支護(hù)效果

        因本項目支護(hù)結(jié)構(gòu)安全等級為一級,正式施工前另行施工3根囊式擴(kuò)體錨桿進(jìn)行了基本實驗,基本實驗循環(huán)加載至擴(kuò)體錨桿軸向拉力標(biāo)準(zhǔn)值的1.8倍即 828 kN,3根囊式擴(kuò)體錨桿均未發(fā)生破壞,仍處于良好的工作狀態(tài)。其中的1#實驗錨索的荷載—位移曲線如圖3所示,荷載—彈性位移曲線如圖4所示,荷載—塑性位移曲線如圖5所示。

        圖3 基本實驗錨索的荷載—位移曲線

        圖4 基本實驗錨索的荷載—彈性位移曲線

        圖5 基本實驗錨索的荷載—塑性位移曲線

        從圖3~圖5可以看出,當(dāng)實驗荷載517 kN(接近錨桿工作荷載)時,實驗錨桿的彈性變形約為 14.6 mm,塑性變形約為 16 mm;當(dāng)實驗荷載 620 kN時,實驗錨桿的彈性變形約為 19 mm,塑性變形約為 20 mm;當(dāng)實驗荷載達(dá)到 724 kN時,實驗錨桿的彈性變形約為 27.3 mm,塑性變形約為 23.3 mm;當(dāng)實驗荷載達(dá)到最大值 828 kN時,實驗錨桿的彈性變形約為 49 mm,塑性變形約為 37 mm。以上數(shù)據(jù)說明,實驗錨索在循環(huán)加載過程中錨索錨固段未發(fā)生較大的位移,錨索仍處在正常工作狀態(tài),錨索的軸向拉力標(biāo)準(zhǔn)值可取為 460 kN。

        根據(jù)本項目的地質(zhì)條件,同長度的普通錨索軸向拉力標(biāo)準(zhǔn)值只能達(dá)到 250 kN~280 kN,本項目采用囊式擴(kuò)體錨桿后拉力標(biāo)準(zhǔn)值得到顯著提高。

        施工過程中第三方監(jiān)測數(shù)據(jù)表明,本項目基坑開挖到底后地面水平位移最大值僅約 29 mm,與基本實驗接近錨索工作荷載時的錨索彈性變形與塑性變形之和接近,且滿足規(guī)范和設(shè)計要求。

        5 結(jié)論與建議

        (1)囊式擴(kuò)體錨桿由于充分利用了囊袋端部的土體承載力,可有效減短錨桿(索)長度、提高錨桿(索)拉力標(biāo)準(zhǔn)值,并可有效控制變形。在本項目中,囊式擴(kuò)體錨桿的拉力標(biāo)準(zhǔn)值從 250 kN~280 kN提高到了 460 kN,提高幅度達(dá)到了64%~84%。

        (2)囊式擴(kuò)體錨桿可用在深圳地區(qū)的沖洪積層之黏性土、砂層中以及殘積土層中,但因其囊袋端部受力較大的特點,目前尚未見用于淤泥及淤泥質(zhì)土等軟弱地層中的文獻(xiàn),用于淤泥及淤泥質(zhì)土等軟弱地層中前需進(jìn)一步研究其效果。

        (3)在周邊條件受限的情況下采用囊式擴(kuò)體錨桿可取得較好的經(jīng)濟(jì)效果。

        (4)本項目囊式擴(kuò)體錨桿在施工過程中采用了液壓擴(kuò)孔工藝,該工藝在淤泥及淤泥質(zhì)土等軟弱地層中易塌孔,需在擴(kuò)孔前采取其他如旋噴等預(yù)防塌孔的措施。

        (5)囊式擴(kuò)體錨桿為工廠定制,其囊袋有固定尺寸,設(shè)計及施工前需了解囊袋的常用尺寸,以免現(xiàn)場二次加工。

        (6)囊式擴(kuò)體錨桿端部體積大,需充分考慮避免群錨效應(yīng)的錨桿間距;同時,若錨桿端部相近,易出現(xiàn)錨桿端部上方土體整體被拉裂的情況,設(shè)計時應(yīng)注意避免。

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