膨胀土地层扩体锚杆施工工艺及拉拔试验

唐延贵 岳大昌 朱维新

（成都四海岩土工程有限公司，四川成都 610094）

0 引言

成都地区二三级阶地广泛分布膨胀性黏土[1-3]，工程案例表明膨胀土基坑单纯采用土钉墙和悬臂桩支护方式不利于稳定性和变形控制，基坑边坡事故时有发生，而双排桩支护方式常常受到场地和基坑深度的使用限制，内支撑结构造价高、工期长、占用主体结构施工空间，往往也不是第一选择，该地区采用锚拉桩支护方案较为常见。

膨胀土力学性质受含水率变化影响较大，一方面，失水收缩开裂，导致土体渗水通道增加；另一方面吸水膨胀软化，土体强度降低，产生附加力-膨胀力[4-6]。成都市对该类基坑采用常规锚杆支护进行了限制，因此，改善锚杆力学性质，提高锚杆抗拔力是保证锚拉桩结构支护效果的关键。

在锚固段形成扩大头是提高锚杆抗拔力的重要途径，目前国内应用较多的是以高压旋喷射流切削和置换土体形成的旋喷扩大头锚杆及高压喷射形成的囊式扩大头锚杆，从这两种锚杆在成都膨胀土地区的应用情况看[7-8]，前者锚固效果受水泥土强度影响较大，而后者造价偏高。后来一种机械扩大头锚杆在成都膨胀土基坑工程中应用[9-10]，但是扩孔后清渣过程需要用水将泥屑稀释并排放出来，易给施工造成困难。

基于上述锚杆的优缺点，技术人员在扩大头型式和扩孔方法上进一步探索，提出一种机械挤压式多段扩孔锚杆[11]。采用机械挤压扩孔器施工多段扩体锚杆，进行多级循环加载卸载试验，根据锚杆的荷载-位移曲线及现场变形破坏特征，确定抗拉锚杆变形破坏模式及承载力特征，试验成果可为进一步理论探索和工程施工提供参考。

1 试验方案

（1）试验场地及地层条件

试验场地位于成都市成华区某工地，施工面为已开挖基坑马道边坡，试验期间无重型机械和车辆使用，试验锚孔深度范围地层为上更新统冲洪积层黏土、粉质黏土，褐黄-灰黄色，可塑-硬塑状态，厚度5～6 m，其中上部黏土具弱膨胀潜势。该场地膨胀性黏土自由膨胀率为40%～45%，膨胀力为60～110 kPa，大气影响深度为3.0 m，大气影响急剧层深度为1.35 m。

（2）试验分组及材料性能

共布置3 组（A 组、B 组、C 组）试验锚杆，每组各3 根， A 组、B 组为多段扩孔锚杆（A 组：扩孔段间距0.5 m；B 组：扩孔段间距1.0 m），C 组为未扩孔锚杆。锚杆布置于同一水平面上，杆体长度6.5 m，锚固体长度5.0 m，间距为3.0 m，锚孔直径为150 mm，锚杆杆体材料采用4 束（1×7）钢绞线，钢绞线直径ϕs=15.2 mm，极限抗拉强度为1860 MPa，锚杆杆体物理力学参数见表1。钻机成孔→扩孔→安放锚杆杆体→制浆→注浆养护。

表1 杆材物理力学参数

（4）成孔和扩孔

钻孔所用的钻杆统一规格，钻孔实际深度为杆体长度+500 mm。孔位和角度严格测量，实际孔位允许偏差水平方向为100 mm，垂直方向为50 mm。钻孔完成后逐根装上ϕ25 mm 钢风管至孔底，用高压风清孔，直至孔内返风无渣为止。将钻头换成扩孔器，钻机将扩孔器送入预定扩孔深度，然后加压使扩孔器扩孔，扩完一段后，将扩孔器向外拉到下一段位置进行扩孔，直至全部完成（见图2-图4）。

图1 扩孔器模型和实体照片

图2 扩孔后孔内照片

图3 锚杆扩大段照片（中间段）

图4 锚杆扩大段照片（端部）

锚孔注浆材料采用M30 水泥砂浆。按锚杆与锚固砂浆间黏结强度控制的锚杆抗拔承载力Nd由式（1）计算：

经计算，Nd=1.35×4×3.14×15.2×5×0.8=1030 kN。

2 锚杆的制作与施工

（1）锚杆的制作

锚杆由4 束钢绞线制成，锚固长度为5.0 m，地面以上预留1.5 m 杆体进行拉拔试验；锚杆隔离支架间距为1.0 m，对中支架间距为1.5 m。

（2）机械设备

锚杆施工主要机械设备包括空压机（21 m3/min）、锚杆钻机、扩孔器[12]（专利号ZL 2017 2 1663748.5）、制浆机和注浆机。扩孔器模型和现场实体照片见图1。

（3）施工流程

施工主要流程为：修坡/网喷施工→测放孔位→

（5）锚杆安装和注浆

安装前用高压风清孔一次，核对锚索编号与孔号是否一致。安装时注浆管一并随锚索到孔底，随后应向外拉出200 mm，确保注浆管畅通。注浆管采用ϕ25 mmPVC 管，注浆后可拔出重复使用。预应力锚索注浆采用纯水泥浆（M30），施工时加适量早强剂和速凝剂；水泥浆初凝后终凝前进行补浆，补浆压力2.0 MPa。

根据试验结束后开挖、实测的锚杆尺寸为：未扩大段锚固体直径158～169 mm，扩大段锚固体直径208～223 mm，扩大段平均长度200 mm。

3 试验装置及加载方式

（1）试验装置

试验装置由混凝土垫块（现浇）、千斤顶（型号YCW200B，规格200 t，经校准标定后使用）、油压泵、百分表（规格型号100 MPa，经校准标定后使用）等部件组成。其中，混凝土垫块面积按预计施加最大荷载等于地基能提供的反力验算。

（2）试验步骤及加载方法

拉拔试验流程为：场地平整→混凝土垫块浇筑、养护→千斤顶安装→锚垫板、锚具安装→油压泵连接→预张拉→百分表安装→试验加载、卸载→读数、变形破坏现象观测记录。

本次试验加载是按《建筑基坑支护技术规程》（JGJ 120-2012）附录A.2 节规定的循环加载方式，每级荷载下观测时间不少于5 min、测读位移次数不少于3 次，位移增量小于0.1 mm 时，施加下一级荷载。

（3）终止加载条件

当试验遇到以下情况之一时，终止加载：a. 后一级荷载产生的单位荷载下的锚头位移增量大于前一级荷载产生的单位荷载下的锚头位移增量；b. 锚头位移不收敛；c. 锚杆杆体破环。

4 试验成果及分析

4.1 试验过程及成果

图5-图11 为锚杆在循环加卸载条件下锚头荷载-位移（F-S）曲线。

锚杆极限承载力标准值确定方法：在某级试验荷载下出现第3 节（3）规定的终止加载情况时，取终止加载前一级荷载作为锚杆极限承载力标准值。

（1）A 组试验锚杆

由图5 可知，当施加荷载小于一定值时，A1 锚杆变形随荷载增加呈非线弹性增大，当荷载从295 kN 增加到313 kN 时，位移能稳定在14.3 mm，当荷载从313 kN 增加到332 kN，锚头位移持续增大，不收敛，出现自动卸压现象，最终位移超过23.8 mm。A1 锚杆极限拉拔力取313 kN。

图5 A1 锚杆锚头荷载-位移曲线

由图6 可知，当施加荷载小于一定值时，A2 锚杆变形随荷载增加呈非线弹性增大，当荷载从276 kN 增加到295kN 时，位移能稳定在17.2 mm，当荷载从295 kN 增加到313 kN 的过程中，锚头位移持续增大，不收敛，出现自动卸压现象，荷载不能稳定在313 kN，最终位移超过23.6 mm。A2 锚杆极限拉拔力取295 kN。

图6 A2 锚杆锚头荷载-位移曲线

由图7 可知，当施加荷载小于一定值时，A3 锚杆变形随荷载增加呈非线弹性增大，当荷载从276 kN 增加到295 kN 时，位移能稳定在13.9 mm，当荷载从295 kN 增加到304 kN 后，锚头位移持续增大，不收敛，位移超过23.8 mm。A3 锚杆极限拉拔力取295 kN。

图7 A3 锚杆锚头荷载-位移曲线

（2）B 组试验锚杆

由图8 可知，当施加荷载小于一定值时，B1 锚杆变形随荷载增加呈非线弹性增大，当荷载从239 kN增加到258 kN 时，位移能稳定在18.1 mm，当荷载从258 kN 增加到276 kN 的过程中，锚头位移持续增大，不收敛，出现自动卸压现象，荷载不能稳定在276 kN，最终位移超过23.7 mm。B1 锚杆极限拉拔力取258 kN。

图8 B1 锚杆锚头荷载-位移曲线

由图9 可知，当施加荷载小于一定值时，B2 锚杆变形随荷载增加呈非线弹性增大，当荷载从276 kN增加到295 kN 时，位移能稳定在11.2 mm，当荷载从295 kN 增加到313 kN 后，锚头位移持续增大，不收敛，位移超过18.9 mm。B2 锚杆极限拉拔力取295 kN。

图9 B2 锚杆锚头荷载-位移曲线

由图10 可知，当施加荷载小于一定值时，B3 锚杆变形随荷载增加呈非线弹性增大，当荷载从295 kN 增加到313 kN 时，位移能稳定在10.7 mm，当荷载从313 kN 增加到332 kN，锚头位移持续增大，不收敛，出现自动卸压现象，最终位移超过19.5 mm。B3 锚杆极限拉拔力取313 kN。

图10 B3 锚杆锚头荷载-位移曲线

（3）C 组试验锚杆

因为施工原因，导致C2、C3 锚杆拉拔试验结果数据异常，仅获得C1 锚杆拉拔试验荷载-位移曲线（见图11），由图可知，当施加荷载小于一定值时，A1锚杆变形随荷载增加呈非线弹性增大，当荷载从118 kN 增加到146 kN 时，位移能稳定在11.5 mm，当荷载从146 kN 增加到165 kN，锚头位移持续增大，不收敛，出现自动卸压现象，最终位移超过21.1 mm。C1 锚杆极限拉拔力取146 kN。

图11 C1 锚杆锚头荷载-位移曲线

4.2 成果分析

（1）锚杆破坏模式

拉拔试验结果表明，当加载至一定荷载后，锚杆位移均不收敛，多段扩体锚杆最大加载量为276～313 kN，小于杆体极限强度标准值以及按杆体与锚固体极限黏结强度控制的承载力值，均为锚固体与土层之间黏结界面破坏。

（2）锚杆极限承载力取值

根据试验结果分析，A 组锚杆极限承载力平均值为301 kN，B 组锚杆极限承载力平均值为288 kN，C组锚杆极限承载力为146 kN，A 组比B 组仅提高4.1%，提高幅度不大，但A 组、B 组相对于C 组分别提高1.06 倍、0.97 倍（见表2）。

表2 锚杆极限承载力取值

5 结论

（1）膨胀土地层多段挤压扩体锚杆施工工艺可行，相对于未扩孔锚杆其抗拔承载力高，实际工程中能满足较高拉拔力的需求，两种多段扩体试验锚杆承载力比未扩孔锚杆提高1 倍左右。试验锚杆破坏方式为锚固体与土层之间黏结界面破坏。

（2）扩大段间距为0.5 m 的锚杆承载力比间距为1.0 m 的仅提高4.1%，由于扩大段间距越密，施工难度越大，实际应用时可选择间距为1.0 m 的多段扩体锚杆。

（3）试验结果可为进一步探索膨胀土体含水率、扩体段数、锚杆总长度对承载力的影响以及锚杆破坏机理等提供一定的参考。另外，可在提高扩孔效率及在其他地层适用性方面做进一步尝试。