扩大头锚杆承载力现场试验研究
扩大头锚杆承载力现场试验研究
文章导读：文中通过对一工程实例中扩大头锚杆承载力试验结果的分析，得出其锚头位移与荷载的关系，研究了扩大头锚杆的力学机制，确定扩大头锚杆极限承载力标准值，并推广扩大头锚杆在太原地区的应用，以达到良好的技术经济效果。
0 引言
土层锚杆是现代工程施工中一项既经济又适用的新型技术，广泛应用于岩土工程的各个领域。近年来，国内外的岩土工程者针对传统锚杆技术的不足展开了大量的研究和实践。锚固技术的核心是锚杆，它关系到整个锚固工程的质量和效益。锚杆的抗拔力是锚杆工程的一个最重要的技术经济指标，是锚杆施工技术水平的一个最主要的参数。提高锚杆的抗拔力水平具有显着的技术经济价值。传统的通过增加锚索根数或长度方法，往往投资加大，特别是大部分工程受到施工条件的限制，依靠增大锚固段的长度来提高抗拔力是有一个限度的。针对这些问题，工程技术人员提出了端部扩大头锚杆技术[1-3]。本文拟通过对一工程实例中扩大头锚杆承载力试验结果的分析，确定扩大头锚杆承载力极限值，对其力学机制进行研究，并结合工程的特点来推广扩大头锚杆的应用。
1 例举工程实例
1.1 工程概况
该项目的拟建场地位于太原市迎泽大街南侧、青年路东侧、新南西条西侧的迎泽大街172 号，北距迎泽大街9.8m，位于繁华地段。
1.2 工程水文地质情况
场地内最主要地层为第四系地层，场地主要地层自上而下依次为：
⑴ 人工填土：褐黄色，以粉土及粉质粘土为主组成，含云母、煤屑、砖块、碎石，湿、可塑状态。
⑵粉质粘土：褐黄色，含云母、煤屑、氧化铁、氧化铝，粉质粘土与粉呈胡层状分布，局部夹砂土或卵石。湿、稍密状态。
⑶ 粉土：褐黄色，含云母、煤屑、氧化铁、氧化铝等，夹细砂、粉质粘土、卵石。湿、中密状态。
⑷ 细中砂：褐黄～褐色，含云母、较多卵石、圆砾，夹薄层粉土、粉质粘土，局部地段与粉质粘土呈胶结状态。饱和、稍密～中密状态。
⑸ 粉土：褐黄色，含云母、氧化铁、氧化铝等，夹粉质粘土、砂土或薄层。湿、密实状态。
⑹ 细砂：褐色，含云母、氧化铁，零星卵石、圆砾，夹粉质粘土、粉土或薄层。饱和，中密～密实状态。
⑺ 粉质粘土：褐黄～褐色，含云母、氧化铁、氧化铝，夹粉土、砂土或薄层。饱和，中密状态。
各土层有关力学参数见表该工程基坑开挖深度为地表下15.3m，深度及面积均较大，基坑的稳定性对周边建筑物及临近市区道路影响很大，本工程基坑侧壁安全等级确定为1 级。因此，基坑支护采用钢筋混泥土灌注桩+多排锚杆。在设计中，我们采用扩大头预应力锚杆，钻孔直径130mm，扩大头直径800mm，设计长度27m，自由段17m，锚固段10m，倾角25°。
2 扩大头锚杆技术的实施要点
施工准备→钻孔→扩大头注浆→安放拉杆→二次注浆→养护→安装锚头→张拉。
锚杆扩大头设计， 锚杆扩大头如何实现有效安全的扩孔是关系到土层锚杆成败的关键，本文采用高压喷射扩孔法，包括如下工艺步骤：⑴采用钻机钻孔至设计深度形成锚孔；⑵用钻机控制高压管将安装在高压管前端的喷头放入锚孔内待设置扩大头的位置，喷头通过高压管的中空通道与连接在高压管后端的高压泵连通；⑶高压泵将喷射液体增压后通过高压管的中空通道输送到喷头并经设置在喷头上的喷嘴喷射出来，冲击锚孔孔壁的土体使锚孔扩大，所使用的喷射液体至少在喷射完成时是水泥浆；⑷将锚杆杆体放入锚孔内[4-6]。根据测试，扩孔直径一般在1. 2～1. 5m ,扩孔效果好。由于锚杆扩大头直径大，抗拔力高，为了避免钢绞线杆体与水泥固结体之间，成为影响锚杆抗拔力的薄弱环节，对扩大头注浆我们采用了高压砂浆泵灌注1 :1 的水泥砂浆，以提高锚固体的强度以及锚固体与钢绞线杆体之间的咬合力。
3 扩大头锚杆承载力试验研究
3.1 检测目的及检测数量
⑴锚杆基本试验的目的：采用循环加卸荷载试验方法确定各锚杆的极限承载力标准值，对扩大头锚杆的极限承载力进行检验和分析。
⑵检测数量：三组扩大头锚杆承载力试验。
3.2 试验设备主要试验设备
3.3 试验方法
本次试验采用锚杆基本试验循环加卸荷载，最大试验荷载为1250kN。初始荷载取最大试验荷载的0.1 倍，每级加荷增量取最大试验荷载的0.1 倍。在每级加荷等级观测时间内，测读锚头位移不少于3 次。在每级加荷等级观测时间内，锚头位移增量不大于0.1mm 时，方可施加下一级荷载，否则要延长观测时间，直到锚头位移增量2.0 小时内小于2.0mm 时，再施加下一级荷载。
3.4 锚杆试验终止条件
⑴ 后一级荷载产生的锚头位移增量达到或超过前一组荷载产生位移增量的2 倍；
⑵ 锚头位移不收敛或者锚头位移超过设计允许位移值；⑶ 锚杆杆体拉断；⑷ 达到试验最大加载量。
4 试验数据整理及现象分析
4.1 试验结果
扩大头锚杆承载力试验采用单向多循环加载法，每级加载为125kN，试验结果详见。试验锚杆荷载-位移曲线、锚杆荷载-弹性位移曲线、锚杆荷载-塑性位移曲线见。在本次 3 根锚杆的测试中，均在最大试验荷载作用下，锚头位移趋于稳定。因此各锚杆的极限承载力标准值可取为最大试验加载值的95%，具体计算结果为1187.5kN。
4.2 扩大头锚杆受力分析
扩大头锚杆的承载力，是指锚杆锚固体所能够承受的极限拉拔力，其数值大小等于土层与锚固体的摩擦力总和，它由锚固段锚固体与土体摩擦力及扩大头端部阻力两部分组成由图1-6 可见，扩大头锚杆受力过程可分为3 个阶段。
第一阶段：弹性受力阶段。锚杆受力较小时，锚固段和扩大头段侧壁受摩阻力，扩大头端阻力为弹性土压力。此时锚杆力学性能由锚固段摩阻力决定。
第二阶段：过渡阶段。当锚杆受力超过摩阻力峰值时，扩大头端部阻力逐渐增大，扩大头端前土体形成局部塑性区。此时锚杆力学性能由扩大头端前土体的压缩性能决定。
第三阶段：塑性区阶段。当锚杆受力继续增大时，扩大头锚杆向前发生较大位移，塑性区的土体不断被压密，扩大头的阻力随之增加，锚杆位移趋于稳定。此阶段锚杆的位移特征是：由于锚杆受力向前位移，土体不断的被压密强化。由扩大头锚杆承载力试验可以得出：在同一荷载增量级别因前一循环对土体的压密作用使其刚度增大，后一循环的位移减小，位移曲线斜率增大。
5 结论
随着我国重大工程的建设与施工，锚杆支护作为一种经济有效的支护方式将会得到更广泛的应用，而扩大型锚杆凭其独特的性能优势，也将会在越来越多的实际工程中发挥它的积极作用。土层扩大头锚杆具有使用条件广，受周围情况影响小，有较高安全性等好处，可获得较好的社会效益和经济效益，应用过程中得出以下几个结论：
⑴ 扩大头锚杆特别适合于土质条件差、深度大、临近有建筑物，对变形要求高的基坑。而且更重要的是扩大头锚杆位移小的特别适用于地下室的抗浮要求。而且可推广在抗浮锚杆的应用中。
⑵ 在扩大头锚杆第三阶段其端部阻力变化变化比较复杂，需要在今后工作中进一步研究。
⑶ 扩大头锚杆的抗拔力比普通锚杆显着提高，可靠性也比普通锚杆高。
