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        擴(kuò)體錨桿在強(qiáng)中風(fēng)化砂巖抗浮工程中的應(yīng)用研究

        2020-05-27 07:12:38楊化冰
        綠色建筑 2020年6期
        關(guān)鍵詞:錨桿承載力

        張 劍,楊化冰,楊 波

        (甘肅省建筑科學(xué)研究院有限公司,甘肅 蘭州 730070)

        20 世紀(jì)以來(lái),隨著經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展,城市化進(jìn)程加快,對(duì)于一些高邊坡、深基坑、地下空間抗浮等技術(shù)難度高的、風(fēng)險(xiǎn)大的項(xiàng)目,普通的錨桿所提供的承載力已不滿足需求,而擴(kuò)體錨桿在解決此類問(wèn)題方面十分有效[1]。近年來(lái),擴(kuò)體錨桿作為一種新型巖土錨桿技術(shù)逐步推廣應(yīng)用于土木工程領(lǐng)域。國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)擴(kuò)體錨桿錨固機(jī)理與抗拔性能做了一些理論與試驗(yàn)研究,并實(shí)際指導(dǎo)應(yīng)用于工程之中。擴(kuò)體錨桿承載力高、變形小、經(jīng)濟(jì)高效等優(yōu)點(diǎn)日益受到了學(xué)術(shù)界與工程界的關(guān)注,并逐漸運(yùn)用于工程實(shí)踐中。本文現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)地域其巖層風(fēng)化嚴(yán)重,多為強(qiáng)、中風(fēng)化砂巖,對(duì)于持力層為強(qiáng)風(fēng)化巖而言,普通錨桿難以提供合適的抗拔承載力,故采用擴(kuò)體錨桿提供足夠大的承載力。本文通過(guò)持力層為強(qiáng)中風(fēng)化砂巖的擴(kuò)體錨桿現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究分析的方法,探討擴(kuò)體錨桿實(shí)際利用價(jià)值。

        1 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

        1.1 工程概況

        某公寓公租房建設(shè)項(xiàng)目地下車庫(kù)部分為地下3F 的建筑,結(jié)構(gòu)形式為框架結(jié)構(gòu),基礎(chǔ)采用筏板基礎(chǔ),基礎(chǔ)持力層為天然強(qiáng)風(fēng)化砂巖層,設(shè)計(jì)基礎(chǔ)底面對(duì)絕對(duì)標(biāo)高為1496.47 m。由于該工程抗浮不滿足要求,擬增加抗浮錨桿對(duì)該建筑進(jìn)行抗浮加固處理。

        (1)① 層,雜填土(Qml)。層厚 0.20~7.00 m。場(chǎng)地四周厚中間薄,中間局部區(qū)域缺失。黃褐色,土質(zhì)不均勻,以粉土為主,含植物根系及大量建筑、生活垃圾等,稍濕,稍密。

        (2)② 層,黃土狀粉土(Qal+pl)。埋深 0.30~ 4.80 m,厚度 0.60~3.10 m,層面高程為1507.37~1510.21 m,場(chǎng)地局部區(qū)域缺失。褐黃色,土質(zhì)較均勻,蟲(chóng)孔、孔隙較發(fā)育。無(wú)光澤反應(yīng),干強(qiáng)度低,韌性低,搖振反應(yīng)中等,稍濕,稍密。

        (3)③ 層,卵石(Qal+pl)。埋深 1.30~7.00 m,厚度 4.00~13.20 m ,層面高程為1505.42~1 508.62 m。其中,普遍厚度 4.00~7.30 m,場(chǎng)地東北部2號(hào)樓區(qū)域厚度較厚,為 8.20~13.20 m。雜色,成分以石英巖、花崗巖、變質(zhì)巖等為主,磨圓度較好,呈亞圓形,級(jí)配一般,粒徑以 20~80 mm 為主,最大150mm,含漂石,卵石顆粒呈中風(fēng)化,交錯(cuò)排列,充填物以粗粒土為主,骨架顆粒含量占全重的 60%~65%,中密。該層在表層分布有不同厚度的粉土、粉質(zhì)黏土、細(xì)砂、圓礫夾層或透鏡體,規(guī)律性差。

        (4)④ 層,強(qiáng)風(fēng)化砂巖層(N 2)。埋深 8.00~ 16.60 m,厚度 5.50~6.50 m,層面高程為1493.71~1501.71 m。其中,普遍埋深 8.00~12.50 m,場(chǎng)地東北部 2 號(hào)樓區(qū)域埋深較深,為 10.20~16.60 m。半成巖,橘紅色,礦物成分以石英、長(zhǎng)石為主,含少量云母、細(xì)粒結(jié)構(gòu),層狀構(gòu)造,泥質(zhì)膠結(jié),成巖作用差,易鉆進(jìn),易塌孔,巖芯破碎,多呈 3~5 cm 的短柱狀,局部散體狀,遇水或擾動(dòng)極易軟化,暴露地表極易風(fēng)化,致密。

        (5)⑤ 層,中風(fēng)化砂巖(N2)。埋深 14.00~ 22.80 m,勘查厚度 5.00~15.60 m(未穿透),層面高程為1487.64~1 495.81 m。其中,普遍埋深 14.00~ 18.00 m,場(chǎng)地東北部2號(hào)樓區(qū)域埋深較深,為 16.10~ 22.80 m。半成巖,橘紅色,礦物成分以石英、長(zhǎng)石為主,含少量云母,細(xì)粒結(jié)構(gòu),層狀構(gòu)造,泥質(zhì)膠結(jié),成巖作用差,鉆進(jìn)較緩,巖芯較破碎,遇水或擾動(dòng)易軟化,暴露地表極易風(fēng)化,不經(jīng)擾動(dòng)時(shí)強(qiáng)度較高,致密,較堅(jiān)硬。

        勘探期間,地下水埋深 3.00~7.10 m,層面高程介于1505.40~1 506.40 m,總體流向北東。地下水類型為階地型潛水,主要含水層為卵石層,第三系砂巖層為相對(duì)隔水底板。場(chǎng)地地下水主要接受大氣降水和地表水入滲等補(bǔ)給,排泄方式主要以徑流排泄為主。受豐水期、枯水期季節(jié)性變化及周圍人工開(kāi)采降水影響明顯,地下水年內(nèi)變化幅度為 1.00~1.50 m。

        1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

        本次共進(jìn)行2組抗浮錨桿試驗(yàn),每組抗浮錨桿各3根。第1組抗浮錨桿,設(shè)計(jì)錨桿為普通錨桿,設(shè)計(jì)成孔直徑為150mm,錨桿錨固段有效錨固長(zhǎng)度為 11.30 m,錨桿自由段長(zhǎng)度為 0.70 m,設(shè)計(jì)抗浮錨桿桿體采用3根Φ22螺紋鋼筋,設(shè)計(jì)抗浮錨桿抗拔承載力特征為180kN,抗浮錨桿漿體采用 M30水泥漿。第2組抗浮錨桿,設(shè)計(jì)錨桿為擴(kuò)體錨桿,設(shè)計(jì)錨桿上部成孔直徑為200mm、長(zhǎng)度為 6.30 m,下部擴(kuò)孔直徑為400mm、擴(kuò)體段長(zhǎng)度為 5.00 m,錨桿錨固段有效錨固長(zhǎng)度為 11.30 m,錨桿自由段長(zhǎng)度為 0.70 m,設(shè)計(jì)抗浮錨桿桿體采用ΦT32螺紋鋼筋,鋼筋的屈服強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為1080 MPa,鋼筋的極限抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為1230 MPa,設(shè)計(jì)抗浮擴(kuò)體錨桿抗拔承載力為340kN,抗浮錨桿漿體采用 M30水泥漿。6 根試驗(yàn)錨桿(S1號(hào)、S2號(hào)、S3號(hào)、S4號(hào)、S5號(hào)、S6號(hào))的施工參數(shù)具體參數(shù)如表1所示。

        表1 抗浮錨桿基本試驗(yàn)錨桿情況匯總表

        1.3 抗浮錨桿施工情況

        (1)基坑開(kāi)挖至設(shè)計(jì)基底墊層底標(biāo)高處,按照抗浮錨桿平面布置示意圖布點(diǎn)定位。在錨桿孔位中心點(diǎn)處固定安裝同直徑 PVC 管預(yù)留孔,立即進(jìn)行混凝土墊層施工,墊層混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求后,進(jìn)行錨桿鉆機(jī)組裝就位調(diào)平。

        (2) 鉆機(jī)安裝就位調(diào)平后,采用鉆機(jī)成孔至設(shè)計(jì)抗浮錨桿深度后,采用旋噴鉆機(jī)對(duì)擴(kuò)大頭部位旋噴注漿,控制注漿量大于理論注漿量,注漿至孔口,注漿體直徑由注漿壓力控制,保證注漿體直徑達(dá)到設(shè)計(jì)要求。注漿料根據(jù)地質(zhì)情況,按照設(shè)計(jì)要求地下水有腐蝕性時(shí)采用普通硅酸鹽水泥,同時(shí)摻入抗硫阻銹外加劑及各種外加劑。

        (3)擴(kuò)體抗浮錨桿選用鋼筋為單筋 T32PSB1080精軋螺紋鋼。該鋼筋及所有配件均從鋼筋生產(chǎn)廠家預(yù)訂,抗浮錨桿桿體(設(shè)計(jì)保護(hù)區(qū)域)外層涂抹一層環(huán)氧樹(shù)脂防腐涂層,進(jìn)行防銹、防腐處理。錨桿上端頭錨入筏板中 0.70 m,端頭采用2個(gè)專用螺母,長(zhǎng)度72mm,螺母中間為方形墊板,規(guī)格為150mm×150 mm×20 mm。錨桿安裝桿底端采用2個(gè)專用螺母,螺母中間鎖定直徑110mm、厚度12mm 的圓形墊板,用于控制錨桿在錨孔中位置及增強(qiáng)錨桿在錨固體重的錨固力。

        (4)為了保證錨桿桿體的在錨固體中的位置和保護(hù)層厚度,錨桿底端采用2個(gè)專用螺母,螺母中間鎖定Φ110mm 為圓形墊板。錨桿安裝定位,采用現(xiàn)場(chǎng)加工制作輔助三角支架安裝,三角支架頂兩面安裝水平管,錨桿安裝時(shí),調(diào)平三腳架,三腳架上下孔與墊層預(yù)留錨桿孔位對(duì)中,下孔定位裝置插入預(yù)留孔,防止支架移位,錨桿垂直插入孔中。

        1.4 加載方式

        依據(jù) GB 50086—2015《巖土錨桿與噴射混凝土支護(hù)工程技術(shù)規(guī)范》及試驗(yàn)方案,本次錨桿基本試驗(yàn),采用循環(huán)加、卸荷方法,每級(jí)荷載達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定后加下一級(jí)荷載,同時(shí)觀測(cè)每級(jí)荷載下預(yù)應(yīng)力錨索位移量,直到加載量達(dá)到預(yù)估荷載或破壞荷載后,再逐級(jí)卸荷至零并測(cè)讀錨頭位移量。

        (1)試驗(yàn)設(shè)備及儀表。本次試驗(yàn)采用水泥支墩提供支座反力。第1組抗浮錨桿采用1臺(tái)50t 拉拔儀加荷,第2組抗浮錨桿采用1臺(tái)100t 拉拔儀加荷,用百分表測(cè)讀沉降。拉拔儀、百分表已經(jīng)過(guò)標(biāo)定校正。

        (2)錨桿基本試驗(yàn)應(yīng)采用多循環(huán)張拉方式,其加荷、持荷、卸荷方法應(yīng)符合下列規(guī)定。① 預(yù)加的初始荷載應(yīng)取最大試驗(yàn)荷載的 0.1 倍,分8級(jí)加載到最大試驗(yàn)荷載。② 每級(jí)荷載施加或卸除完畢后,應(yīng)立即測(cè)讀位移量;砂性土、巖層中的錨桿每級(jí)持荷時(shí)間宜為5min。③ 試驗(yàn)中的加荷速度約為70kN/min;卸荷速度約為160kN/min。④ 加、卸荷等級(jí)、測(cè)讀間隔時(shí)間確定如表2所示。

        表2 錨桿基本試驗(yàn)循環(huán)加、卸荷等級(jí)與位移觀測(cè)間隔時(shí)間

        (3)錨桿試驗(yàn)中出現(xiàn)下列情況之一時(shí)可視為破壞,應(yīng)終止加載。① 在規(guī)定的持荷時(shí)間內(nèi)錨桿位移增量 > 2.0 mm。② 錨桿桿體破壞。

        2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

        2.1 第1組試驗(yàn)結(jié)果

        2.1.1 S1號(hào)抗浮錨桿

        試驗(yàn)在含水量狀態(tài)下,該錨桿上拔加載量為108kN 時(shí),相應(yīng)錨桿總上拔位移量為 12.34 mm。在加載下一級(jí)過(guò)程中,錨桿被拔出,此時(shí)加載量為120kN,可判定錨桿已破壞,滿足終止加荷條件,終止試驗(yàn)。該抗浮錨桿試驗(yàn)在含水量狀態(tài)下的豎向抗拔極限承載力取錨桿破壞荷載的前一級(jí)荷載,即 S1號(hào)錨桿抗拔極限承載力為108kN。

        2.1.2 S2號(hào)抗浮錨桿

        試驗(yàn)在含水量狀態(tài)下,該錨桿上拔加載量為108kN 時(shí),相應(yīng)錨桿總上拔位移量為 9.86 mm。在加載下一級(jí)過(guò)程中,錨桿被拔出,此時(shí)加載量為120kN,可判定錨桿已破壞,滿足終止加荷條件,終止試驗(yàn)。該抗浮錨桿試驗(yàn)在含水量狀態(tài)下的豎向抗拔極限承載力取錨桿破壞荷載的前一級(jí)荷載,即 S2號(hào)錨桿抗拔極限承載力為108kN。

        2.1.3 S3號(hào)抗浮錨桿

        試驗(yàn)在含水量狀態(tài)下,該錨桿上拔加載量為108kN 時(shí),相應(yīng)錨桿總上拔位移量為 9.34 mm。在加載下一級(jí)過(guò)程中,錨桿被拔出,此時(shí)加載量為120kN,可判定錨桿已破壞,滿足終止加荷條件,終止試驗(yàn)。該抗浮錨桿試驗(yàn)在含水量狀態(tài)下的豎向抗拔極限承載力取錨桿破壞荷載的前一級(jí)荷載,即 S3號(hào)錨桿抗拔極限承載力為108kN。

        2.2 第2組試驗(yàn)結(jié)果

        2.2.1 S4號(hào)抗浮錨桿

        試驗(yàn)在含水量狀態(tài)下,該錨桿上拔加載量為684kN 時(shí),相應(yīng)錨桿總上拔位移量為 25.31 mm。繼續(xù)加載至720kN 時(shí),本級(jí)相應(yīng)錨桿上拔位移量為 6.24 mm,累計(jì)總位移量達(dá) 31.55 mm,在規(guī)定的持荷時(shí)間內(nèi),錨桿的位移增量達(dá)到 4.45 mm(已 > 2.00 mm),可判定錨桿已破壞,滿足終止加荷條件,終止試驗(yàn)。該抗浮錨桿試驗(yàn)在含水量狀態(tài)下的豎向抗拔極限承載力取錨桿破壞荷載的前一級(jí)荷載,即 S4號(hào)錨桿抗拔極限承載力為684kN。

        2.2.2 S5號(hào)抗浮錨桿

        試驗(yàn)在含水量狀態(tài)下,該錨桿最大上拔加載量720kN,相應(yīng)錨桿上拔量為 18.95 mm,加載量達(dá)到最大預(yù)估試驗(yàn)荷載,滿足終止加荷條件,終止試驗(yàn)。該抗浮錨桿試驗(yàn)在含水量狀態(tài)下的豎向抗拔極限承載力取其最大加荷量,即S5號(hào)錨桿抗拔極限承載力為720kN。

        2.2.3 S6號(hào)抗浮錨桿

        試驗(yàn)在含水量狀態(tài)下,該錨桿最大上拔加載量720kN,相應(yīng)錨桿上拔量為 16.44 mm,加載量達(dá)到最大預(yù)估試驗(yàn)荷載,滿足終止加荷條件,終止試驗(yàn)。該抗浮錨桿試驗(yàn)在含水量狀態(tài)下的豎向抗拔極限承載力取其最大加荷量,即 S 6 號(hào)錨桿抗拔極限承載力為720kN。

        抗浮錨桿基本試驗(yàn)結(jié)果匯總?cè)绫?所示。

        表3 抗浮錨桿基本試驗(yàn)結(jié)果匯總表

        3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

        該工程場(chǎng)地內(nèi),兩組抗浮錨桿基本試驗(yàn)結(jié)果。對(duì)第1組3根(S1號(hào)、S2號(hào)、S3號(hào))抗浮錨桿的基本試驗(yàn)情況綜合分析確定,其抗拔極限承載力均為108kN、抗拔極限承載力平均值為108kN,極差未超過(guò)平均值的 30%,取最小值為錨桿的抗拔極限承載力,即108kN。對(duì)第2組3根(S4號(hào)、S5號(hào)、S6號(hào))抗浮錨桿的基本試驗(yàn)情況綜合分析確定,試驗(yàn)在含水量狀態(tài)及抗浮錨桿施工參數(shù)條件下,其抗拔極限承載力分別為684kN、720 kN、720 kN,其抗拔極限承載力平均值為708kN,極差未超過(guò)平均值的 30%,取最小值為錨桿的抗拔極限承載力,即684kN。由上面兩組試驗(yàn)結(jié)果可以看出,有擴(kuò)體的錨桿承載力提高是明顯的。

        (1)抗浮錨桿有效解決了抗浮樁在強(qiáng)風(fēng)化砂巖中成孔困難及深基坑中打樁機(jī)退場(chǎng)的問(wèn)題,而擴(kuò)體抗浮錨桿又有效解決了普通抗浮錨桿在強(qiáng)風(fēng)化砂巖中承載力偏低、防水的問(wèn)題。擴(kuò)體抗浮錨桿為單根鋼筋、普通抗浮錨桿為3根鋼筋。

        (2)基坑開(kāi)挖至設(shè)計(jì)標(biāo)高處,立即進(jìn)行混凝土墊層施工,有效地控制了錨桿位置、防止了強(qiáng)風(fēng)化砂巖層因遇水在空氣中暴露而軟化,并避免施工過(guò)程中對(duì)基底的擾動(dòng)。

        (3)試驗(yàn)結(jié)果表明,擴(kuò)體抗浮錨桿承載力是普通抗浮錨桿承載力的 6.3 倍,減少錨桿數(shù)量,有效節(jié)約了施工成本,并減少了錨桿施工對(duì)砂巖層的破壞。

        4 結(jié)語(yǔ)

        通過(guò)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果分析可知,有擴(kuò)大頭的抗浮錨桿在極限承載力上有明顯的提高,同時(shí)也有減少工程成本、節(jié)約自然資源、更好防滲能力的優(yōu)點(diǎn)。雖然本次試驗(yàn)研究還有待完善,但是基本驗(yàn)證了擴(kuò)體錨桿在實(shí)際工程應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)。未來(lái)隨著對(duì)擴(kuò)體型錨桿不斷地研究,其應(yīng)用會(huì)更加廣泛。

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