抗拔锚杆在软土地基中与桩基础的应用

 
时间日期:2008-7-4        已被阅读次:[4088]
 
王财文

  [摘 要] 本文先容了某桩基础工程中抗拔锚杆的设置原因分析、设计、施工过程中的
       质量控制及其试验结果与分析。
  [关键词] 桩基础 抗拔锚杆 锚固
  
  1、 工程概述
  佛山世纪莲体育中心是广东省第十二届省运动会主会场,能源中心(游泳馆)是其组成部
分之一。该能源中心建筑面积为2270m2, 建筑基底面积为1310m2,建筑高度为5.5m,基础为
桩基础, 层数为一层;附设有连接通道,上部结构为钢筋混凝土框架结构。其主要为电房、
配电房等能源设施。
  该能源中心场地位于佛山顺德区乐从镇东平河南岸,地貌单元为河流一级阶地,原场地中
鱼塘、沟渠遍布;场地在开工前已吹砂填土整平。场地各土层分布及主要物理力学指标见表
1。
水样分析表明,地下水对混凝土结构及其中钢筋无腐蚀。该地基深层基岩亦未有近期断
裂构造存在的迹象。
  本工程场地岩土土层种类多,性质变化大,工程地质条件复杂。场地及地基均属二级,
场地类别为Ⅱ类。
  2、 设置抗拔锚杆的原因分析
  本工程桩基础采用锤击高强预应力混凝土管桩(桩型:PHC-AB400-95)基础,承台均为
单桩承台。预应力管桩基础在标高+4.000m的场地地面上施工。在施工过程中场地呈现,东
边管桩入土深度大约在8m,西边管桩入土深度大约在12~13m而西北角入土深度达到18m,地
质岩层起伏变化大。
  预应力管桩施工完毕后,先后采用静载试验、低应变试验及抗拔试验三种检测方式对桩
进行检测。
  在静载试验中,测得单桩极限承载力≥2500kN,满足单桩极限承载力设计要求;低应变
试验检测53支管桩,测得均为Ⅰ类桩;抗拔试验测得单桩极限承载力≥400kN。在做抗拔试
验时,选取3支入土深度最浅的桩(入土深度均为8.2m)。测得3支桩的最大沉降量分别为1.85
mm、6.27mm、6.68mm;相应最大回弹量分别为0.87mm、3.69mm、3.30mm;相应回弹率分别为
47.03%、58.85%、49.40%。满足单桩极限承载力设计要求。而在设计中,管桩桩顶标高
为:1CT400承台,A区为+0.890m,B区为+1.470m,非A、B区为1.640m;2CT400承台,A区为
+0.290m,非A、B区为1.640m;3CT400承台,非A、B区为1.640m。这就使的有效桩长为原管
桩入土深度的基础上减少2~4m。管桩的承载力及抗拔力的实际值受到影响。
  该建筑物场地毗邻东平河,地下水与邻近的河水有密切的水力关系,其动态变化受潮汐
及气候条件影响,地下水当时埋深在地表下0.8~2.3m,而该能源中心底板厚度为400mm,上
部结构已确定。但由于底板面积大,相对于地表的地下水埋置深的情况下,为解决下沉式底
板的抗浮要求,仅依靠建筑物自身的重量来取得建筑物整体的稳定性不能实现;再从经济角
度分析,加厚底板的厚度来平衡建筑物整体的上浮也很不经济;改变结构来增加建筑物的重
量平衡其所受的上浮更是不可取。鉴于上述情况,结合整个结构的荷载分布,依建筑物总荷
载、沉降变形要求和地质条件,经研究决定,该工程采用抗拔锚杆,以抗拔锚杆作为抗浮措
施,加固地基土的同时与地下岩层锚固在一起和桩基共同承担建筑物位移。
  3、 抗拔锚杆设计
  通过对锚杆特性、锚杆与被锚固构筑物的稳定性、经济性、可操作性考虑,给合体育馆
,游泳馆抗拔锚杆的成功应用,经计算之后,确定该能源中采用Φ200锚杆孔,用泥浆护壁
成孔。锚杆杆体由4根Φ32钢筋(fy=310N/mm2)做成钢筋骨架,焊条采用J422电焊条,焊结长
度按《钢筋混凝土工程施工及验收规范》(GBJ10-65)钢筋焊接技术要求。砂浆采用M30,42
5#普通硅酸盐水泥,细砂。锚杆间距设置为3.75m×3.75m和3.75m×5.0m两种。锚杆杆体进
入粉砂岩折算深度为:La=L1+1.5L2≥6m;进入泥岩折算深度为:La=L1+1.5L2≥8m。其中
L1为进入强风化岩的深度,L2为进入中风化岩的深度。锚杆垂直并锚入承台内,让锚杆群发
挥所有锚杆的锚固力作用,而不仅仅是被锚固的那部分土(岩)重量发挥作用。
  在锚杆抗拔力设计中,锚杆的锚固体必须满足一定的抗拔力。锚杆充分发挥作用时的极
限抗拔力按下式确定。
  P=πDLψqr
  式中:
   P-锚杆的极限抗拔力;
   D-钻孔直径;
   L-锚杆的锚固长度;
   ψ-与固定长度有关的有效因子;
   qr-灌浆体与土层的粘结强度。
  抗拔锚杆除了极限承载力满足设计要求外,还必须使锚杆与构筑物的整体稳定性按下式
验算。

  
  该能源中心采用非预应力永久性锚杆,锚杆与底板的联结采用无梁板的联结形式,使结
构与岩层联锁在一起形成一种共同工作的复合结构,使岩土能更有效地承受拉力和剪力。其
具体构造见图1所示。
  本工程中锚杆的防护等级为为Ⅱ级,单层防腐蚀,锚固段的钢筋有灌浆防腐,锚杆在底
板下0.5米范围内涂防腐底漆,然后包裹塑料布,在塑料布上再涂防腐漆。
4、 锚杆施工过程中的质量控制
  4.1 施工准备阶段
  由于抗拔锚杆属于地下隐蔽工程,为了施工的质量顺利进行,在施工前,结合现场的实
际情况了解、熟悉设计图纸,地层性状,地下水状态及水质和底下埋设障碍物等基础资料。
在施工前组织编写详细的施工组织设计,确定施工方法、施工程序、质量控制、进度计划、
安全管理事项;并对施工现场用水及排水设施,供电,作业空间做出具体的实施计划。做好
锚杆用料在施工前的检验工作。做好锚杆桩轴线定位与复核。
  4.2 锚杆钻孔
  本工程采用XY-1A地质钻探机,钻头直径为200mm,采用泥浆护壁循环钻进工艺。在第
四系填土,冲积层及残积层采用三翼合金钻头,在第三系泥岩,泥质粉砂岩及细砂岩中采用
合金套管钻头。地质资料显示在第四系冲积层和残积层中有相当厚度的粉砂、淤泥层,为防
止塌孔、缩孔采用自吸式泥浆泵循环,加定量的膨润土(一般用量为水的8%),用泥浆护壁
。泥浆相对密度控制在1.06~1.15,含砂率≤6%,PH值为7~8。
  在钻进过程中,经常检查孔的准直度,将偏离轴线的钻孔误差控制在钻孔长度的1%以
内,为纠偏斜,在钻杆距钻孔顶处设支点固定导向器。在不同土层采用不同的钻进方法。在
粘性土中,以中等速度,稀泥浆钻进尺寸,不得太快;在砂土和软土中,钻进时要控制进尺
,低挡慢速,稠泥浆钻进,防止泥浆排量不足;在岩层中用套管钻进时,低挡慢速稠泥浆钻进
。经常注意泥浆指标变化情况,并掌握好孔内泥浆面高度,进尺变化情况,发现变化后即时
调整。上下钻孔有时有很大阻力的易缩径孔段,采取上下来回反复划圆,扫孔以保证孔径要
求。套管钻进抽芯以钻杆长度和岩样控制入岩深度,由现场各专家检验岩层类别及入岩深度
。经确定达到设计深度时方可终孔。一般情况下,在孔深达到设计后超钻300~500mm以便收
容冲洗残留的沉渣和防止杆体腐蚀。钻孔深度达到设计要求,对孔深、孔径、孔的垂直度等
进行检查,符合规范要求后,进行第一次清孔。清孔过程中,不断测量孔底的沉渣厚度,使
其厚度控制在100mm以内,泥浆比重、含砂率、PH值等各项指标达到规定要求。
  4.3 锚杆杆体制作与安装
  本工程锚杆杆体由技术熟练工人专门加工制作。其制作流程如下:
本工程锚杆体因地质岩层深浅不一,其长度由成孔深度及杆体承台面标高确定。4根Φ
32钢筋杆体单面焊接在连接件上,每1m设置一个连接件,长锚杆骨架应分段制作并相互单面
焊缝焊接,焊缝质量及搭接满足《混凝土结构工程施工质量验收规范》(GB 50204-2002)。
使锚杆杆体不偏离钻孔的几何中心,有足够的保护层,在杆体上每隔2~3m设置一支架,确
保杆体的保护层。
  安装杆体时重新对钻孔进行检查,防塌孔、掉块,将注浆塑料管绑扎在锚杆体上, 并距
钻孔底部150~250mm处,推送杆体到钻孔底部将杆体安装在钻孔内中心,防止产生过大挠度
和插入钻孔时搅动土壁。安装杆体就绪后,重新对钻孔从底部向上继续二次清孔,确保杆体
与孔壁的粘结力。
  4.4 锚杆注浆
  本工程灌注锚杆的水泥浆采用新鲜425#普通硅酸盐水泥和饮用水,掺入细砂配制而成
。水泥龄期不超过一个月,细砂采用粒径不大于2mm的河川砂,含泥量按重量计不大于3%,
有机质含量不大于1%,砂与水泥的重量比为1:1~1:3,水泥浆水灰比为0.45。水泥浆浆体
以取样试验,浆体强度均满足7d,28d抗压强度。在水泥浆的拌制过程中采用自循环搅拌机
,搅拌时间不少于20min,并且连续搅拌,至全部灌浆完毕。拌好的浆液存放时间不得超过1
20min。开始注浆与第二次清孔的时间间隔不宜大于30min。水泥浆采用活塞式注浆泵,通过
高压胶管将水泥浆从开始注入至钻孔注满浆液。
  5、 试验结果与分析
  为确定锚杆极限承载力,验证锚杆设计参数及施工工艺的合理性,检验锚杆的工程质量
是否满足设计要求,本工程选取6根锚杆做锚杆抗拔试验(原则上选项取的锚杆数量不少于锚
杆总数的5%,且不少于3根)。用作试验锚杆的参数及检测结果见表2。
由上表及图可以看出,桩长约为23m的M18#抗拔锚杆,当上拔荷载加至800kN时,累
计上拔量为14.22mm。上拔量没有明显的拐点,回弹量约为累计上拔量的44.59%,上拔极限
承载力大于试验的最大荷载,满足设计要求。
   桩长约为20m的M26#、M80#抗拔锚杆当上拔荷载加至800KN时,累计上拔量分别为
14.64mm、16.02mm。上拔量没有明显的拐点,回弹量约为累计上拔量的41.46%、58.11%,
上拔极限承载力大于试验的最大荷载,满足设计要求。
  桩长为17m的M9#抗拔桩,当上拔荷载加至800kN时,累计上拔量为10.26mm。上拔量没
有明显的拐点,回弹量约为累计上拔量的47.47%,上拔极限承载力大于试验的最大荷载,
满足设计要求。
  由于基岩层以上为粉质粘土或粉砂抗拔力较小,上拔摩擦力主要由埋入基岩的深度控制
。在持力层较浅处,抗拔桩进入持力层的深度可能稍大,所以产生相对短的桩在上拔荷载相
同时,上拔变形量可能小的现象。
  另外,上拔变形量与材料的拉伸率有关,同等荷载下同种材料上拔变形量与上拔桩长成
正比。从表2可以看出,显然上拔变形量与桩长不是成正比例增长,因而进入持力层的深度
对上拨变形量影响较大,钢筋的拉伸对上拔变形量影响较小。而一般锚杆的破坏标准为:
  ①后一级荷载作用下锚头位移增量达到或超过前一级荷载作用下锚头位移增量的2倍;
  ②锚头位移不收敛;
  ③锚头总位移超过设计允许值。
  经过试验,6根锚杆均无出现以上现象,并且6根锚杆也满足规范规定的徐变、位移要求
。V-δ曲线都没有明显的拐点,抗拔极限承力大于最大试验荷载800KN值,满足设计要求。
  6、 小结
  锚杆以其用料省,工效快,施工方便,在国内外已被广泛应用于边坡稳定工程、重力坝
加固工程、桥梁工程、深基坑工程、隧道与地下工程,同时也被应用于加固、抢修出现病害
的结构物等,但锚杆在低洼结构物中的应用却很少。随着深基础工程不断增多,特别是对于
底板面积大的低洼结构物的抗浮要求,抗拔锚杆的应用给施工带来极大的方便。由于抗拔锚
杆的设计、规范还不完善,其在岩土锚固工程中的应用在我国还处在初级阶段。但随着沿海
地区高层建筑的蓬勃发展,抗拔锚杆对于一大批软土深基坑工程却有着广阔的发展前景。
  参考文献
  1. 程良奎,范景伦,韩军,许建平.岩土锚固.中国建筑工业出版社,2003,(8).
     
 
 
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