1、灌浆工艺对土层预应力锚杆承载力的影响第 14 卷第 5 期2004 年 9 月黑龙江科技学院JournalofHeilongjiangInstituteofScienceTechnologyV0lI14No.5Sep.2004文章编号:1671 一 O118(2004)050308-03灌浆工艺对土层预应力锚杆承载力的影响赵延林,衡朝阳(1.黑龙江科技学院建筑工程学院,哈尔滨 150027;2.中国建筑科学研究院,北京100013)摘要:灌浆工艺是影响土层预应力锚杆承载力的一个重要因素 .通过对高压灌浆浆液扩散过程及灌浆结石体强度增长机理的分析研究,并结合现场土层预应力锚杆试验,认识到高压灌浆
2、工艺能从根本上改良土体的物理化学性质,从而在灌浆范围内产生一种新的介质,达到显着提高土层预应力锚杆承载能力的目的.关键词:土层锚杆;承栽力;高压灌浆中图分类号:TU473.5 文献标识码:AEffectoncarryingcapacityofpre-stressedsoilanchoraboutgroutingtechniqueZHA0Yanlin,HENGChaoyang2(1.ArchitecturalEngineeringCoUege,HeilongjiangInstituteofScienceandTechnology,Harbin150027,China;2.ChinaAcademy
3、ofBuildingResearch,Beijing100013,China)Abstract:Thegroutingtechniqueisanimportantfactorthatexertseffectsonthebearingcapacityoftheprestressedsoilanchor.Theanalysisandstudyofthediffusingprocessofhighpressuregroutinggroutandmechanismofstrengthincreaseofgroutagglomerationandthefieldtestsofpre-stressedso
4、ilanchorprovethatthehighpressuregroutingtechniquecanresultinaradicalchangeinthephysicalandchemicalpropertyofsoilandbringaboutanewmediumwithinrangeofgroutingtoraisethebearingcapacityofthepre-stressedsoilanchor.Keywords:soilanchor;carryingcapacity;highpressuregrouting0 引言在城市深基坑工程中,土层预应力锚杆可以有效控制基坑支护结构的
5、水平位移,减小基坑周围地表及近邻建筑物的沉降变形.同时,用锚杆代替内支撑可以为基坑工程提供很大的施工空间,便于施工,因此,近年来土层锚杆在基坑支护工程中得到了广泛的应用.锚杆的承载力是评价锚杆施工质量的一个重要指标,在影响锚杆承载力的众多因素中,灌浆工艺起着至关重要的作用.笔者结合现场实验,对高压灌浆浆液扩收稿日期:20040712散过程及灌浆结石体强度增长机理进行了分析研究,从而在浇注范围内产生一种新的介质,达到显着提高土层预应力锚杆承载能力的目的.1 高压灌浆对锚杆承载力的影响1.1 高压灌浆的劈裂作用机理高压灌注的水泥浆进入土体形成浆泡,浆泡向外扩张对土体施加复杂的三维应力作用,在土体较
6、薄弱的部分克服土体或弱面的初始应力和抗压强度,产生劈裂.浆液挤开,切入,渗进土体,与土体之间产生相互作用:水泥水化反应生成托勃莫来石凝胶;土体间隙中第 5 期赵延林,等:灌浆工艺对土层预应力锚杆承载力的影响 309氧化物与水化生成的 Ca2+反应,产生不溶于水的微量结晶凝胶体;Ca“与 Na 发生离子交换作用形成土的团粒结构,并联结成稳定的凝块体.经过水化作用,离子交换,化学胶结作用块体形成“浆脉“ 网络.同时,由于水泥浆的充填挤密作用,排出土体中的部分自由水和弱结合水,水化反应的水参与蒸发水分;离子交换作用可以减少水分,使土体表面的弱结合水的含量减小,从而提高土体的物理力学性能.综上所述,高
7、压灌浆浆液以劈裂作用为主,渗透,充填,挤密等多种复合作用形式为辅,并进行复杂的化学反应和物理反应,最终形成以“浆脉“ 网络为骨架的复合固结体.1.2 高压灌浆对提高锚杆承载力的作用形式高压灌浆使浆液对一次常压灌浆形成的圆柱形锚固体及其周围土体产生劈裂充填作用,在圆柱形锚固体外形成新的锚固体异形扩体,见图 1.此时,锚固体的剪切滑动面不再是原来的圆柱面,而是不规则的曲面,滑面内外均受注浆影响.特别是劈裂注浆改变了滑动曲面处土体的物理力学性质,从而提高了锚杆承载力.主要表现在:图 1 高压灌浆扩散作用示意Fig.1SchematicplanofdiffusingactionoflIighpress
8、uregrouting(1)改良土的物理力学性质,提高土的抗剪强度.(2)提高锚固体剪切滑动面的面积.高压灌浆的劈裂,挤密作用,加固了原锚固段土体,形成异形扩体,锚杆承载破坏时,剪切滑动面也相应外移.新的剪切滑动面的面积与一次常压灌浆形成的圆柱形锚固体相比明显增大,一般为其外表面的 2-6 倍.(3)异形扩体受压部位的端承效应.高压灌浆形成不连续异形扩大锚固体,当锚杆承受张拉荷载时,不仅要克服锚固体与周围土体间的摩擦阻力,而且还要克服扩体受压部位所受到的土体压力.这种端承效应能大大提高锚杆的承载力.2 锚杆的现场试验2.1 工程概况北京市某小区三期工程地上为 3 层幼儿园,附属用房和其他 1,
9、2 层建筑,地下为 2 层车库.该工程北侧紧邻小区主要道路,且坑壁距离电缆沟仅为 0.70m,南侧距坑边 3.0m 有一单层厂房,施工图0.0o 相当于绝对标高 34.50m.工程场地土层自上而下分别为:粉质黏土素填土,层底标高 3O.4433.00m;杂填土,层底标高 31.74-33.90m;粉质黏土,层底标高 29.81-32.09m;黏质粉土一砂质粉土,层底标高 26.09-29.35m;黏质粉土一砂质粉土,层底标高 24.89-27.90m;粉质黏土,层底标高17.84-19.61m;粉细砂,厚度 0.8O4.50m;砂质粉土一黏质粉土,厚度 0.30-3.50m;黏土,厚度 0.5
10、0-1.80m;细中砂,层底标高 13.60-17.30m.各层土的物理力学特性见表 1.表 1 各层土的物理力学特性Table1Physicalandmechanicalpropertiesofsoil土层名称 EJMPay/kN?m,口 to/%C“/kPa,()场地勘察实测地下水情况为:第一层为上层滞水,水位标高 26.73-32.50m(埋深 0.7-6.5m);第二层为潜水,水位标高 23.15-23.49m(埋深 9.95-10.60m).基坑支护形式:北侧基坑采用排桩+锚杆+ 旋喷止水体支护;西侧采用土钉墙结构;南侧采用排桩+锚杆;西侧和南侧采用管井降水法.笔者只讨论南侧的桩锚结
11、构.如图 2 所示.地面,一次常压灌浆锚杆,.,.二次高压灌浆锚杆/,_,_图 2 基坑支护形式剖面Fig.2Sectionofsupportingformoffoudationpit2.2 试验方法2.2.锚杆的施工参数常压灌浆锚杆长度为 15m,孑 L 径为 150mm,水平间距为 1800mm,倾斜角为 15.,采用常压灌注素水泥浆,水灰比为 0.45,主筋采用 312.7(1860MPa)钢绞线,单根预应力锚杆抗拔力设计值为 280kN,锁定荷载为 18OkN.310 黑龙江科技学院第 14 卷二次高压灌浆锚杆长度为 15m,孔径为 150mm,水平间距为 2400mm,倾斜角为 15
12、.,主筋采用 3 西 12.7(1860MPa)钢绞线,首次灌浆采用常压灌注,素水泥浆的水灰比为 O.45,12h 后进行二次高压灌浆,灌浆压力为 0.5-2.0MPa,单根预应力锚杆抗拔力设计值为380kN,设计锁定荷载为 240kN.2_2.2 锚杆试验由于土层含水量较大,使用人工洛阳铲成孔出现严重的塌孔现象,故采用螺旋钻机成孔.灌浆后第 7 天进行锚杆的承载力试验2,锚杆的端部位移和支护结构的变形位移用百分表测定,张拉设备采用高压电动油泵,空心液压千斤顶.两种灌浆工艺锚杆的加载等级及观测时间分别如表 2,表 3 所示.表 2 常压灌浆锚杆的加载等级及观测时间Table2Loadinggr
13、adeandobservationtimeofnormalpressuregroutinganchor垫塾羔丝:!:翌:竺!:竺!:兰观测时问/rain5555555101015表 3 二次高压灌浆锚杆的加载等级及观测时间Table3Loadinggradeandobservationtimeofhighpressuregroutinganchor加载等级/kN35.270.4105.6150.0193.2237.3281.4325.5369.6观测时间/ndn5555551010152.3 试验结果常压灌浆锚杆的抗拔试验结果为:锚杆中最大极限抗拔力为 200kN,最小极限抗拔力为 110kN
14、,平均极限抗拔力约为 150kN,仅为设计值的 53.5%.选择其中3 根具有代表性的锚杆,绘其 p-L 曲线,如图 3 所示.2502oozl5Oloo500102O304050L/ram+锚杆 6;十锚杆 7;十锚杆 9图 3 常压灌浆锚杆的 p?L 曲线Fig.3PLcurvesofnormalpressuregroutingsoilanchor二次高压灌浆锚杆抗拔试验结果为:锚杆的极限抗拔力均超过 360kN.由于张拉设备的原因,荷载只能加到369kN.选取其中 3 根锚杆,绘其 p-L 曲线,如图 4 所示.2.4 试验结果分析该工程在进行南侧锚杆成孔施工时,发现锚杆所在土层的含水量
15、很大,使用洛阳铲无法成孔,出现严重40o3503ooz250鼍 200l5Oloo50U5lol52025303540Llmm+锚杆 1;十锚杆 4;叶锚杆 9图 4 高压灌浆锚杆 pL 曲线Fig.4pcurvesofhiighpressuregroutingsoilanchor的塌孔现象,后改为螺旋钻机成孔.土层含水量较高与螺旋钻机成孔所造成的孔壁的泥浆层较厚是影响常压灌浆锚杆抗拔力的主要原因.由图 2 可知,当荷载超过100-150kN 时,锚杆就开始出现了较大的塑性位移.与一次常压灌浆相比,高压灌浆能使浆液对一次常压灌浆形成的圆柱形锚固体及其周围土体产生劈裂充填作用,在圆柱形锚固体外形
16、成新的锚固体异形扩体,此时,锚固体的剪切滑动面不再是原来的圆柱面,而是不规则的曲面,滑动面内外均受注浆影响,特别是劈裂注浆改变了滑动曲面处土体的物理力学性质,从而提高了锚杆承载力.从图 3 可以看到.在整个加载过程中,锚杆基本处于弹性工作状态.3 结论(1)通过对高压注浆的机理分析,表明其能改良土体的现有性质,从而在灌浆范围内产生一种新的介质,达到提高锚固段土体的 C,值,提高锚固段土体所受的值及锚固段土体外表面的剪切滑动面面积,并产生异形扩体受压部位的端承效应的目的.显着提高预应力锚杆的承载能力.(2)在相同轴向拉力作用下,二次高压灌浆锚杆的拔出位移比一次常压灌浆锚杆小,有利于控制基坑支护结构的水平位移.(3)在软弱土层或含水量较高的土层中,采用二次高压灌浆锚杆可以有效控制基坑支护结构的水平位移,从而减小基坑开挖对周围地表及近邻建筑物的沉降变形的影响.参考文献:1刘建航.侯学渊 .基坑工程手册M.北京:中国建筑工业出版社,1999.749-762.2建筑基坑支护技术规程S.北京:中国建筑工业出版社,l999.60-62.作者简介:赵延林(1971 一).男,山东省莱阳人,讲师,硕士研究生.研究方向:深基坑支护工程.
