淤泥质黏土基坑支护纤维袋注浆扩体预应力锚杆研究

 冯玉国

 （山东正元建设工程有限责任公司，山东济南  250101）

[摘要]针对现有扩体锚杆的不足，从实用性和经济性两方面考虑，将具有透气、透水性能的纤维袋应用于淤泥质软土基坑支护锚杆注浆，研究开发了一种纤维袋注浆扩体预应力锚杆。通过现场工艺性试验和抗拔试验，分析了影响该锚杆抗拔承载力的原因，并据此采取措施进行改进，达到了锚杆极限抗拔承载力800~1 000kN的设计要求。研究结果表明：纤维袋注浆扩体预应力锚杆能够大幅度提高淤泥质黏土基坑支护锚杆抗拔承载力，是一种经济、实用的注浆扩体锚杆。

[关键词]淤泥质黏土；基坑；支护；注浆扩体；预应力；锚杆

[中图分类号] TU753.1；TU94+2  [文章编号]1002-8498(2016)10-0120-04

0  引言

 我国各地都有不同数量的软土分布。其中的淤泥质黏土因其具有强度低、压缩性高、灵敏度高、固结周期长等特点，采用普通锚杆进行基坑支护时孔壁易坍塌，注浆可控性差，往往达不到设计的抗拔承载力。尽管采用增大锚固直径或加长锚杆长度的方法比较有效，但施工成本增加，施工难度也增大。尽管现有的扩体锚杆应用于淤泥质黏土基坑支护也能解决这一问题，但因其结构复杂，且现场安装操作不便、成本高等问题而使用受到限制。

 针对济南滨河商务中心基坑支护工程因支护范围内有较厚的淤泥质黏土，普通预应力锚杆达不到设计承载力要求的实际难题，从施工经济性和施工难易程度两方面考虑，通过加大锚杆锚固段底部成孔直径，下入注浆纤维袋用浆液压力挤撑纤维袋将淤积孔底淤泥或扩孔残留切削物（沉渣）等挤至孔壁，形成端部扩体预应力锚杆，增大扩大段的表面积和断面积提高其摩阻力和端阻力，研究开发了一种施工简易、造价低廉、抗拔承载力大且适用于淤泥质黏土基坑支护的注浆扩体锚杆，取得了较好的效果，现已授权发明专利。

1锚杆结构

 纤维袋注浆扩体预应力锚杆包括锚杆杆体、注浆纤维袋和注浆管（见图1）。

 锚杆杆体由多根钢绞线束缚形成，在锚杆杆体一端端部外包有注浆纤维袋，注浆纤维袋一端通过密封结构固定在锚杆杆体上，在锚杆杆体上设有袋内注浆管，袋内注浆管一端延伸至纤维袋内，另一端穿过锚孔后与地面注浆泵连接。在袋内注浆管上串接有单向止浆阀，防止注浆纤维袋内的浆液倒流。在注浆纤维袋内锚杆杆体上固定有至少一对挡板，以防止浆液凝固后锚杆杆体从由注浆纤维袋形成的固结体内拔出。

 在注浆纤维袋外侧还设有分别向注浆纤维袋外部空间进行注浆的一次注浆管和二次注浆管，其中的一次注浆管用于向注浆纤维袋外部空间进行注浆，二次注浆管用于向注浆纤维袋外周进行二次高压注浆。二次注浆管锚固段设有小孔，在小孔处采用强度较低的材料密封，既能在2～3MPa压力下打开，又能防止一次注浆时堵塞。

 通过注浆泵向纤维袋内部及外部注入浆液，浆液压力挤撑纤维袋将淤积孔底淤泥或扩孔残留切削物（沉渣）等挤至孔壁形成端部扩体预应力锚杆，提高其抗拔承载力。

2  实施方式

2.1单个扩体段

 1)用常规钻头钻进成孔至待扩孔深度后换扩孔钻头或用高压喷射工艺进行端部扩孔，形成锚孔。

 2)将包有注浆纤维袋的锚杆杆体一端插入锚孔中，通过袋内注浆管对注浆纤维袋进行注浆；注满浆后，再通过袋外一次注浆管向注浆纤维袋外端锚孔内注浆，直至注满为止；至一次注浆固结体强度达到5MPa后，再通过二次注浆管，用高压注浆泵进行二次注浆。

 3)当锚固体强度达到15MPa或设计强度的75%后，在锚杆外端对锚杆进行张拉锁定。

2.2多个扩体段

 根据地层情况及设计抗拔承载力，可将扩体段增加至2个或2个以上，即形成图2中两个注浆纤维袋共用的形式，以提高抗拔承载力。

3  现场抗拔试验

 济南滨河商务中心位于济南市历山北路与小清河北路交叉口，基坑开挖深度12.2~15. 8m，采用桩锚支护方案。因地坪以下10. 0m范围内分布有5~ 6m的淤泥质黏土，常规预应力锚杆承载力达不到设计要求的800~1000kN。为此，采用纤维袋注浆扩体预应力锚杆，锚杆杆体采用钢绞线（下称锚索），锚索轴向设计拉力值为1000kN。

3.1前期锚索试验

 前期锚索设计参数如表1所示。该次主要是工艺性试验，重点试验纤维袋的抗破损能力、锚杆受力情况及扩孔工艺的影响。试验结果如表2所示。

 从表2可以看出：锚杆抗拔承载力不低于国内现有专利产品。但存在以下问题。

 1)钢绞线与纤维袋扩体段端部的连接仅靠钢绞线与注浆体之间提高的摩擦力难以满足锚索承载力要求。

 2)纤维袋内压力注浆时浆液外溢。

 3)高压喷射工艺扩孔施工质量不易保证，且施工效率较低。

 4)现场加工扩孔钻头难以保证扩孔效果。

 5)纤维袋破损时，扩体段内结石体成型质量不易保证，如17号锚索其抗拔承载力仅达到100kN。

 6)纤维袋内注浆量未经计算，注浆量不加控制，易将纤维袋撑破。

 针对工艺性试验中出现的问题，采取相应的措施进行了改进。

 1)在纤维袋两端增加法兰盘，端部钢绞线采用挤压锚阻挡法兰盘滑脱，增加钢绞线与扩体段的连接强度，在端部用铁丝将钢绞线形成锥形，减小钢绞线下放时的阻力（见图3）。

 2)注浆管通过端部法兰盘中孔直接伸至底部，并在注浆管安装一个单向阀；采用盘根密封钢绞线与纤维袋间的孔隙，保持袋内注浆压力（见图4）。

 3)全部采用机械扩孔工艺扩孔。

 4)委托厂家加工扩孔钻头，保证扩孔段直径达到500mm。

 5)换用高强度土工材料。

 6)通过理论计算，确定纤维袋内注浆量。

 使用的纤维袋直径0. 5m，长6.0m，注浆管长17m，内径20mm，高压注浆管长40. 0m，内径25mm，注浆泵内损失水泥浆量按0. 05 m3，水灰比0.5的水泥浆密度按1 824kg/m3，则注满纤维袋的水泥浆体积为：V=1. 255 m3，水泥浆质量为m =2 289( kg)。其中，水的质量为763kg，水泥质量为1 526kg，忽略外加剂的质量。

 注浆时，按1.0 m3水泥浆进行搅拌，水泥浆质量为：

 m=1 824 x1.0=1 824(kg)。

其中，水的质量为600kg，水泥质量为1 200kg。

 现场搅拌机直径1. 2m，高1.0m，容积为1.1m 3，注浆时，搅拌机内添加500mm高水，添加24袋水泥即可。

3.2改进后锚索试验

 将改进的纤维袋应用于第2道及第3道支护结构中间位置共9根锚索进行施工验证。锚索设计参数为ɸSS15. 2mm钢绞线4根，自由段长6.5m，锚固段长8. 5m，扩孔段长6.0m，均采用机械扩孔。考虑工期原因，在锚索注浆时添加NC-5型早强剂。锚索抗拔试验时，选取其中1根（MS9号）进行蠕变试验。典型MS4号锚索试验曲线如图5所示，MS9号锚索的试验数据如表3所示，试验曲线如图6所示。

 通过对改进后的锚索进行试验表明，锚索极限抗拔承载力达到800~1 000kN，蠕变率为1.3，达到国内先进产品的效果。

4  工程应用

 在济南滨河商务中心基坑支护及坡道支护中使用了纤维袋注浆扩体锚索。根据监测结果及对纤维袋注浆扩体试验锚索的试验报告显示，其抗拔承载力满足设计要求，但注浆袋成本不到现有产品的20%。

5  结语

 1)纤维袋注浆扩体预应力锚杆具有结构简单、易于现场加工制作、现场安装操作方便、成本低廉等特点，是一种经济、实用的扩体锚杆，可广泛用于淤泥、淤泥质黏土、淤泥质粉土、泥炭、泥炭质土等软土基坑支护及边坡支护锚杆。

 2)现场抗拔试验表明，纤维袋注浆扩体锚杆应用于淤泥质黏土等软土基坑支护锚杆能够达到设计要求的抗拔承载力，值得推广应用。