自進式錨桿

新型錨桿及巖土錨固新技術(shù)

劉永闊

(中鐵二十二局集團四公司,河北高碑店074000)

摘要:巖土錨固技術(shù)在公路、鐵路、礦山等工程中得到了廣泛的應(yīng)用,綜合論

述了國內(nèi)外常見的新型錨桿以及巖土錨固新技術(shù),如單孔復(fù)合錨固技術(shù)、錨桿桿

體材料新技術(shù)、軟土錨固新技術(shù)等,對巖土錨固工程實踐有一定指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞:新型錨桿;巖土錨固;單孔復(fù)合錨固技術(shù);軟土錨固

巖層和土體的錨固是一種把受拉桿件埋入地層的技術(shù)[1]。錨固技術(shù)按應(yīng)用

對象分為巖石錨桿、土層錨桿和海洋錨桿;按是否預(yù)先施加應(yīng)力分為預(yù)應(yīng)力錨桿

和非預(yù)應(yīng)力錨桿;按錨固機理分為粘結(jié)型錨桿、摩擦型錨桿、端頭錨固型錨桿和

混合型錨桿;按錨固體傳力方式分為壓力型錨桿、拉力型錨桿和剪力型錨桿;按錨

固體形態(tài)分為圓柱型錨桿、端部擴大型錨桿和連續(xù)球型錨桿。眾多的錨桿品種,

可滿足在不同的巖土條件、工程對象和工作狀態(tài)下,得心應(yīng)手地選擇、設(shè)計和采

用不同承載能力要求的錨桿。

下面僅就新型錨桿及巖土錨固新技術(shù)作一簡述。

1新型錨桿

(1)快硬水泥錨桿[2~3]。快硬水泥錨桿是一種新型粘結(jié)式錨桿,近年來國外

研究發(fā)展很快,如瑞典、法國、美國等已批量生產(chǎn),我國煤礦近兩年也在研究各種

快硬水泥錨桿,取得了一定的成果,如煤炭部煤炭科研院建井所、中國礦業(yè)學(xué)院西

安礦業(yè)學(xué)院等均已研制成功,并已少量試生產(chǎn)?？煊菜噱^桿以快硬水泥藥包取

代樹脂藥包,桿體與桿頭部結(jié)構(gòu)與樹脂錨桿相同。安裝時先將水泥浸水2~3min,

再投入錨孔底部用桿體攪破并迅速凝固。

(2)擴頭地錨[1]。臺灣盧錫煥發(fā)明了保壯PCBA擴孔地錨。

其擴孔要點是:

①組裝PCBA旋轉(zhuǎn)擴孔預(yù)應(yīng)力錨桿桿體,包括安裝擴孔葉片、旋轉(zhuǎn)變化錨頭、

預(yù)應(yīng)力鋼鉸線、鋼鉸線與變化頭相接處防水處理等;

②將帶有PCBA旋轉(zhuǎn)擴孔裝置的預(yù)應(yīng)力錨桿體下放至鉆孔預(yù)定深度;

③液壓鉆機轉(zhuǎn)動鉆桿,擴孔時葉片張開,上下旋轉(zhuǎn),巖屑、碎片隨水沖出孔外,

部分沉渣則留在孔底,待灌漿時再與之混合;

④灌注水泥漿,必要時加砂,邊灌漿、邊旋轉(zhuǎn)擴孔葉片,使孔內(nèi)沉渣與水泥漿

體混合,以低壓灌至溢滿孔口為止,停留20min,再次灌漿;

⑤回收鉆桿,擴孔鉆頭則留置于孔底,作為擴頭地錨的錨固結(jié)構(gòu)。

(3)二次高壓灌漿錨桿[4~5]:借助特別的注漿管和密封袋,以壓力高達

3~3.5MPa的注漿工藝,使第一次注漿形成的強度約為5MPa左右的注漿體產(chǎn)生貫

通裂縫,漿液則沿裂縫深入土體中,在錨桿上形成一串球狀體,不僅可以提高錨桿

周圍土體的抗剪強度,還能增大土體與錨固體間的接觸面積,從而顯著地提高錨

固強度。

(4)讓壓錨桿(屈服錨桿)[6]:普遍的粘結(jié)式錨桿和機械式錨桿,一旦達到破

斷載荷,則造成桿體斷裂而失去支護作用;或者一旦位移過大,錨桿的錨固力將由

最大值下降到很小乃至完全喪失錨固力,導(dǎo)致圍巖失穩(wěn)破壞。為了使錨桿既始終

保持滿足設(shè)計要求的足夠大的錨固力而桿體不發(fā)生斷裂破壞,又要使錨桿適應(yīng)較

大的位移而保持其錨固力,西德采礦研究中心研制了多種可伸長的讓壓性錨桿。

一是改變錨桿結(jié)構(gòu):①在錨桿墊板、螺母處考慮,例如可壓緊一個彈簧墊圈,這就

是技術(shù)上最簡單的一種讓壓錨桿,但它僅承受7~8t的力,而且讓壓性較小。②在

桿體運動時將許多鋼珠置于一個內(nèi)部為錐形的套筒內(nèi),通過不斷將鋼珠拉入套筒

而恒定地保持力的傳遞,工作阻力可在20~25t以上。從恒定性,特別是從載荷的

可調(diào)性來看,這種系統(tǒng)顯然是效率最高的,其缺點是造價較高,而且需要較大的鉆

孔直徑;二是改變錨頭的結(jié)構(gòu),使用楔形鎖緊器錨頭的摩擦滑移錨桿和可伸長的

滑動錨桿。前者在錨頭處使用楔形鎖緊器,隨著桿體的移動,楔子將越楔越緊而最

后阻止桿體滑移。后者在錨頭端裝有強度相當大的特殊鋼組成的剪切凸塊,錨桿

桿體外面套有一根100cm長的鋼管,并將樹脂砂漿注入桿體與套管、套管與鉆孔

之間,使其粘結(jié)在一起。當錨桿受力時,剪切凸塊以旋轉(zhuǎn)方式剪碎樹脂砂漿填料,

從而使錨桿伸長,產(chǎn)生較大的滑動距離,并保持恒定工作阻力15~18t。

(5)螺旋錨[7]:螺旋錨是螺旋錨片錨桿的簡稱,它由螺旋錨片、螺桿和桿頭組

成。它最早應(yīng)用在樁基的靜載荷試驗和靜力觸探試驗中作為加載的反力裝置,最

近一、二十年來,在加拿大、美國等歐美國家已經(jīng)將螺旋錨作為一種有效的、新

型的土錨技術(shù)和承壓承板的基礎(chǔ)形式廣泛地運用于各種土木工程中。近年來興起

的螺旋錨,通過錨桿施加旋轉(zhuǎn)力矩,將錨桿旋入土中,它的優(yōu)點有:施工速度快、工

程造價低,對臨時性結(jié)構(gòu)可以重復(fù)利用,施工過程中對土層的擾動程度和范圍小,

能充分利用土體強度,施工完畢可立即承受載荷載。

(6)可回收錨桿[8~9]:可回收錨桿是指用于臨時性工程加固的錨桿,在工程

完成后可回收?？苫厥斟^桿施工與普通錨桿并沒有很大的差異,只不過是使用了

經(jīng)過特殊加工過的張拉材料、注漿材料和承載體。目前該種錨桿在國外正處于發(fā)

展階段,而國內(nèi)還未見使用的報道。如按其結(jié)構(gòu)可分為如下3類:

①機械可回收錨桿:是將錨桿體與聯(lián)結(jié)器聯(lián)結(jié)起來,在回收時施加與緊固方

向相反的力矩,使錨桿體與機械的聯(lián)結(jié)器脫離后取出;

②力學(xué)式可回收錨桿:是使用特殊被復(fù)的鋼絲作為錨桿體,使鋼絲與注漿體

隔離,回收時對每一根鋼絲進行張拉,直到鋼絲被一根根抽出;

③化學(xué)式可回收錨桿:是先在錨桿的錨固段安裝發(fā)熱裝置或爆破裝置,在回

收時使用點火裝置把錨桿從錨固段與自由段處切斷,然后將其收回。

(7)自鉆式注漿錨桿[10]:自鉆式注漿錨桿也稱為注漿錨桿,即用帶鉆頭的鉆

桿為錨桿桿體,進行鑿孔到一定深度,放在孔中注漿的錨桿。它一般用在松軟破碎

巖層中,因成孔困難,鉆桿拔出,孔即坍塌。自鉆式注漿錨桿的鉆頭有活鉆頭和死

鉆頭兩種。在材質(zhì)和形狀上,有硬度60HRC的十字鉆頭和金剛石鉆頭等。

(8)塑料錨桿[11]:塑料錨桿是近幾年研制的新產(chǎn)品,已在內(nèi)蒙東勝、福建天

湖山礦等使用,德國埃森Esn煤礦也推廣應(yīng)用。塑料錨桿是為降低成本、節(jié)約

鋼材,特別是它的錨固力可達200~300kN,抗腐蝕性強、重量輕、可切割、可彎曲

搬運等優(yōu)點,而研制的新產(chǎn)品,公認為是今后的發(fā)展方向。塑料錨桿有兩種,一是

塑料錨桿;二是玻璃鋼錨桿。塑料錨桿是金屬桿體和塑料的合制品。如錐體、桿

體、墊板和螺帽為金屬,脹殼為塑料制品。玻璃鋼錨桿是一種以合成樹脂為粘結(jié)

劑,玻璃纖維為增強材料制成的復(fù)合材料。采用拉擠成型方法制成的玻璃鋼桿體。

其相對密度為1.8~2.1,抗拉強度600~700MPa(鋼桿體相對密度7.8,抗拉強度

340~500MPa),可以部分代替鋼錨桿,節(jié)省鋼材。玻璃鋼桿體具有可切割性、可彎

曲和良好的防腐蝕性,很適合煤巷和綜采工作面使用。

(9)分散壓縮型錨桿[11]:分散壓縮型錨桿是指將無粘結(jié)力的鋼絞線彎曲加

工成U型,分別裝入數(shù)個按一定間距配置的承載體上,張拉鋼絞線時,在錨固體內(nèi)

部以承壓方式作用于灌漿材料,形成壓縮分散型錨固體,其使用功能完成后,鋼絞

線可從無粘結(jié)包裹體中抽出。這種錨桿的結(jié)構(gòu)特征為,通過對錨固體施加壓縮應(yīng)

力及使用數(shù)個承載體,具有把傳遞到地層的周邊粘結(jié)摩阻應(yīng)力峰值控制到最低限

度和分散到整個錨固體上的效果。

(10)砂固結(jié)內(nèi)錨頭預(yù)應(yīng)力錨桿[12]:砂固結(jié)錨固技術(shù)是近幾年來出現(xiàn)的新型

錨固技術(shù),與前述錨固技術(shù)不同,它所利用的是砂的膨脹性產(chǎn)生的與巖壁的摩擦

力作用而提供錨固力。砂固結(jié)內(nèi)錨頭預(yù)應(yīng)力錨桿特點是:

①用膨脹木材料制成空心圓柱體做封口。封口吸水(吸潮)后自身膨脹而起封

砂作用,無需通過其他手段緊固封口,因此封口可以深入到鉆孔中,從而內(nèi)錨頭砂

體長度可以適當減小,錨桿自由段得到加長;

②采用預(yù)制砂柱體的辦法解決輸砂問題。在天然散砂中添加少量水泥漿做為

粘結(jié)劑,用類似做蜂窩煤的辦法預(yù)制空心砂柱體。錨桿安裝時,把砂柱體和膨脹木

封口套到桿體上,然后推入鉆孔中,無需專門的灌砂機械,工藝簡單,操作方便。

2巖土錨固新技術(shù)

2.1單孔復(fù)合錨固技術(shù)[13~14]

傳統(tǒng)的巖土錨固方法,即拉力型錨桿在錨桿受荷時,不能將荷載均勻地分布

于固定長度上,會產(chǎn)生嚴重的應(yīng)力集中現(xiàn)象。由于粘結(jié)應(yīng)力分布的不均勻性,隨著

錨桿上荷載的增大,在荷載傳至固定長度最遠端之前,在桿體與灌漿體或灌漿體

與地層界面上就會發(fā)生粘結(jié)效應(yīng)逐步弱化或脫開的現(xiàn)象。為了從根本上改變拉力

型錨固方法的弊端,冶金部建筑研究總院等單位已研究成功單孔復(fù)合錨固方法。

該方法是在同一鉆孔中安裝幾個單元錨桿,而每個單元錨桿有自己的桿體、自由

長度和固定長度,而且承受的荷載也是通過各自的張拉千斤頂施加的,并通過預(yù)

先的補償張拉(補償各單元錨桿在同等荷載下因自由段長度不等而引起的位移

差),而使所有單元錨桿始終承受相同的荷載。這種新型錨固體系,可將集中荷載

分散為幾個較小的荷載作用于固定段的不同部位,使粘結(jié)應(yīng)力峰值大大降低,因

單元錨桿的固定長度很小,不會發(fā)生粘結(jié)效應(yīng)逐步弱化,能使粘結(jié)應(yīng)力均勻地分

布在整個固定長度上,最大限度地調(diào)用整個錨桿固定長度范圍內(nèi)的地層強度,錨

桿承載力可隨固定長度的增長而成比例的提高。與拉力型錨桿相比,承載力可提

高30%~200%。目前,單孔復(fù)合錨固已成功地用于北京中國銀行總行基坑支護工

程、北京華澳中心基坑工程、首都機場地下車庫抗浮結(jié)構(gòu)工程和北京虎峰山莊邊

坡工程中。在中國銀行大廈基坑工程中使用的單孔復(fù)合錨固法為一個鉆孔內(nèi)安放

4根單元錨桿,每根單元錨桿的固定段長度5.0m,固定段位于粉質(zhì)粘土和中細砂

層中,在1500kN荷載作用下,無異常變化。冶金部建筑研究總院開發(fā)的單孔復(fù)合

錨固體系是一種壓力分散型錨桿,它是將無粘結(jié)鋼絞線繞承載體彎曲成U型構(gòu)成

單元錨桿。這種錨桿用于永久工程,由于預(yù)應(yīng)力筋(鋼絞錢)由油脂、聚乙烯及灌

漿體包圍,形成多層防腐,大大提高了錨桿的耐久性。用于臨時工程,使用功能完

成后,可方便地拆除芯體,不構(gòu)成對周邊地下工程開發(fā)的障礙。

2.2錨桿桿體材料新技術(shù)[15~16]

目前,錨桿桿體材料一般使用各種類號的熱軋鋼筋,對大噸位長錨桿,常采用

精軋螺紋鋼作為錨桿桿體材料。精軋螺紋鋼強度高可根據(jù)需要,用接頭接長。因

此可制作大噸位長錨桿。非金屬材料作桿體材料,特別是塑化玄武巖(強度指標見

表2)、玻璃纖維(性能、規(guī)格見表3、4)等材料具有強度高、新型錨桿及巖土錨

固新技術(shù)重量輕、防腐性能好、易切割等優(yōu)點,是錨桿桿體材料今后發(fā)展的方向。

2.3軟土錨固取得重大突破[17]

軟土主要由細粒土組成,一般具有松軟、含水率高、孔隙比大、壓縮性高和

強度低的特點,主要分布在沿海一帶。改革開放以來,沿海地區(qū)高層建筑蓬勃興起,

并要求快速經(jīng)濟地建造一大批深基坑工程,它為軟土錨固的發(fā)展提供了契機。應(yīng)

當說我國軟土錨固技術(shù)與世界先進水平相比是毫不遜色的。其主要成果可歸納為

三方面:

表2塑化玄武巖錨桿強度指標

破壞強度拉伸壓縮彎曲拉伸時的彈性模數(shù)

MPa1080~1880460~490670~70089000~93000

表3玻璃纖維錨桿的性能

序號性能單位數(shù)據(jù)序號性能單位數(shù)據(jù)

1抗拉強度MPa12005密度kg/cm32.0

2彈性模量MPa506泊松比—0.30

3抗剪強度MPa2007熱膨脹率K05×10-6

4破壞變形%3.18玻璃含量%70

表4玻璃纖維錨桿的規(guī)格

項目

項目直徑

單位

(mm)

性能參數(shù)

1517202225

抗拉力kN180

抗剪力kN35.345.462.876.098.1

(1)采用可重復(fù)灌漿技術(shù),大幅度提高了軟土中錨桿的承載

力。該技術(shù)是借助于密封袋、注漿套管、注漿槍等特殊的結(jié)構(gòu)構(gòu)造,能在一

次灌漿體強度達5MPa后,實現(xiàn)二次或多次重復(fù)高壓(3.5~4.0MPa)劈裂灌漿,使水

泥漿能較均勻地沿錨固段全長向周圍土體滲透、擠壓和擴散,以顯著提高灌漿加

固土層的抗剪強度,從而使灌漿體與土層界面上的粘結(jié)強度及錨桿承載力提高

0.6~1.0倍。可重復(fù)灌漿型錨桿已在天津、上海、深圳、廈門等地的軟土基坑工

程中得到廣泛應(yīng)用。

(2)基本上掌握了軟土中錨桿蠕變變形和預(yù)應(yīng)力值變化的規(guī)律,對塑性指數(shù)

大于17的軟土(不包括淤泥)在錨桿荷載作用下的蠕變變形及錨桿荷載時間的變

化特性進行了較深入的研究,提出了以下一些基本認識:

①用較小的應(yīng)力水平,即當錨桿鎖定荷載與極限承載力的比值小于0.53,能

使錨桿的蠕變變形控制在容許范圍內(nèi);

②錨桿相聯(lián)系的樁墻支擋結(jié)構(gòu)出現(xiàn)較大位移時,錨桿荷載(預(yù)應(yīng)力值)會急劇

增大,故錨桿鎖定荷載值以取設(shè)計值的0.7~0.85為宜;

③錨桿的預(yù)應(yīng)力損失大于10%時,可通過重復(fù)張拉加以補償。

(3)在實踐中,找到了控制軟土基坑周邊位移的若干有效方法?？刂栖浲粱?/p>

周邊位移的方法主要有:

①在地下水位較高的軟土地層中開挖基坑,應(yīng)設(shè)可靠的止水帷幕,阻止坑邊

地下水的流失;

②適當加大樁墻結(jié)構(gòu)尺寸和加密錨桿,以提高支護結(jié)構(gòu)剛度;

③錨桿成孔采取”跳鉆”,即在水平方向上每隔2~4個錨桿孔位鉆孔,并隨即

完成插筋、注漿作業(yè),使單位時間內(nèi)對單位體積土體的擾動范圍降低到最小程度;

④土方開挖要分層實施,使卸荷作用的應(yīng)力調(diào)整緩慢發(fā)生?；又苓厬?yīng)邊開

挖,邊錨固,使無支承條件下坑邊所暴露的時間盡可能少,所敞露的面積盡可能

小;

⑤當坑邊有密集建(構(gòu))筑物時,可在建構(gòu)筑物周邊設(shè)置垂直方向的微型樁,

以改變應(yīng)力傳遞途徑,減少基坑周邊位移對建(構(gòu))筑物的影響。

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