水泥沙漿錨筋樁實(shí)驗(yàn)

1、砂漿錨筋樁的應(yīng)用 提交日期：2004-04-07   瀏覽: 462 砂漿錨筋樁的應(yīng)用 1.工程概述 1.1基本概況 小南海水庫是1856年因地震山崩堵塞溪流形成的一座天然水庫。其壩體材料以地震崩塌堆積的頁巖、粉砂質(zhì)頁巖、塊碎石夾孤石為主。沿垂線方向，其結(jié)構(gòu)存在明顯差異。根據(jù)天然壩體的物質(zhì)組成和結(jié)構(gòu)特征差異，壩體可分為以下四個(gè)區(qū)： 區(qū)為地震崩塌堆積物構(gòu)成的上部壩體，位于高程EL663.40659.00m以上，孤石含量較大，為28.156.5%，其結(jié)構(gòu)松散，局部存在架空結(jié)構(gòu)，抽水滲透系數(shù)39.38176.31m/d,屬強(qiáng)極強(qiáng)透水層。 區(qū)為地震崩塌堆積物構(gòu)成的下部壩體，分布于高

2、程EL633.40659.00m以下至高程EL608.47622.41m之間。孤石含量比區(qū)明顯減少，為018%。塊碎石含量明顯增加，孤塊石粒徑也明顯較細(xì)，部分段被粉細(xì)砂或粘土充填，其結(jié)構(gòu)較區(qū)密實(shí)，較少存在架空結(jié)構(gòu)。抽水滲透系數(shù)6.5360.80m/d，屬較強(qiáng)強(qiáng)透水層。 區(qū)為掩埋于地震崩塌堆積物之下的級階地。其堆積物為粘土及粘土夾礫石，粘土呈塑硬塑狀，結(jié)構(gòu)密實(shí)。 區(qū)為覆蓋于天然壩上游壩坡的亞粘土粘土構(gòu)成的天然鋪蓋。 壩基巖體為志留系中統(tǒng)羅惹坪群第一段灰灰綠色頁巖，下伏基巖一般在高程EL600.00613.00m。壩體滲漏點(diǎn)主要位于天然溢洪沖溝內(nèi)，并分布在EL663.00665.00m，EL639

3、.70643.20m，EL605.50610.00m三個(gè)高程帶上。 小南海水庫位于重慶市黔江縣境內(nèi)，是黔江唯一的一座中型水庫，經(jīng)逐年開發(fā)利用，水庫已具有城鄉(xiāng)供水、灌溉、防洪、旅游服務(wù)等綜合功能，在黔江的經(jīng)濟(jì)建設(shè)中具有極其重要的作用。由于天然壩體自身缺乏溢洪設(shè)施，長期以來的洪水自然溢流給天然壩體帶來嚴(yán)重的安全隱患，天然壩體經(jīng)水利部建設(shè)與管理總站專家組安全鑒定后，確定為三類壩。為確保大壩安全，充分發(fā)揮水庫的綜合功能，擬對小南海水庫增設(shè)溢洪道。溢洪道設(shè)計(jì)為開敞式有閘控制溢洪道，主要由進(jìn)水渠、控制段、漸變段、陡槽段、消力池和泄水渠等組成。 小南海水庫天然壩體是國家級典型地震遺址保護(hù)區(qū)和全國防震減災(zāi)科普

4、宣傳教育基地，為盡可能地減少對地震遺址的破壞，溢洪道沿水庫右側(cè)的天然壩體溢洪沖溝布置，隨彎就彎。但由于天然溢洪沖溝堆積的頁巖、粉砂質(zhì)頁巖結(jié)構(gòu)疏松，透水性強(qiáng)，抗沖刷及承載力較低。為了提高地基的力學(xué)強(qiáng)度和抗變形能力，設(shè)計(jì)在溢洪道的進(jìn)水渠、控制段和漸變段的底板和邊墻下面不同部位布置了300根砂漿錨筋樁，用于加固溢洪道的基礎(chǔ)，維持溢洪道的穩(wěn)定。 1.2錨筋樁的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu) 錨筋樁是在現(xiàn)場鉆孔內(nèi)澆筑的鋼筋混凝土樁。由于錨筋樁的直徑一般都比較小，鋼筋密集，因此常以灌注水泥砂漿代替混凝土。錨筋樁的結(jié)構(gòu)主要由鋼筋骨架、樁身砂漿和錨頭混凝土組成。錨筋樁的樁頭澆注在結(jié)構(gòu)物的混凝土內(nèi)，承受軸心拉力，可給建筑物施加沿樁孔

5、方向的拉力，以維持建筑物的穩(wěn)定，砂漿錨筋樁是處于被動受力狀態(tài)。樁身結(jié)構(gòu)按普通鋼筋混凝土軸心受拉構(gòu)件設(shè)計(jì)，鋼筋骨架根據(jù)單樁設(shè)計(jì)承受荷載和樁孔直徑大小設(shè)計(jì)。根據(jù)小南海工程地質(zhì)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)的砂漿錨筋樁結(jié)構(gòu)為3根長12.0m，直徑28mm的級鋼筋均布于38mm鋼管的外圓周上，在骨架的底部38mm鋼管比28mm的鋼筋高出30cm。骨架上端的鋼筋彎折成30°角，端部彎曲成鉤，以便使樁頭混凝土內(nèi)應(yīng)力得以擴(kuò)散。樁頭埋入混凝土內(nèi)的長度不小于30倍的鋼筋直徑。 錨筋樁的漿液灌注采用孔底升漿法，因此，利用骨架內(nèi)的38mm鋼管作為進(jìn)漿管，至到回漿管回出與進(jìn)漿相同濃度的水泥砂漿時(shí)進(jìn)行壓力灌注。 根據(jù)錨筋樁的骨架

6、結(jié)構(gòu)和單根錨筋樁設(shè)計(jì)的拉拔力400600kN，將錨筋樁的鉆孔直徑設(shè)計(jì)為130mm。 2.砂漿錨筋樁試驗(yàn) 2.1施工方案的提出 采用錨固技術(shù)可以減少開挖和混凝土工程量，因此，目前砂漿錨筋樁已被各類工程廣泛應(yīng)用。鑒于類似小南海的地質(zhì)條件下的砂漿錨筋樁施工，國內(nèi)尚無先例，沒有成熟的經(jīng)驗(yàn)借鑒，難度很大。故在施工前先進(jìn)行砂漿錨筋樁試驗(yàn)，用以論證該方法的可行性，可靠性及合理性。并通過試驗(yàn)提出成孔、灌漿施工工藝，灌注漿液的類別和配比，確認(rèn)最小抗拉拔力等技術(shù)參數(shù)。為此，業(yè)主、設(shè)計(jì)、監(jiān)理和施工四方根據(jù)設(shè)計(jì)要求并參照相關(guān)的資料進(jìn)行了多次的商榷，擬定了三套試驗(yàn)方案，即選擇一個(gè)試驗(yàn)區(qū)、布置4根砂漿錨筋樁，M1孔采用分

7、兩段先進(jìn)行固結(jié)灌漿，然后掃孔插入錨筋，全孔一次灌注水泥砂漿；M2、M4孔采用一次鉆進(jìn)成孔后插入錨筋，全孔一次灌注水泥砂漿；M3孔采用一次鉆進(jìn)成孔后插入錨筋，全孔一次灌注純水泥漿液。現(xiàn)場試驗(yàn)的工藝特性見表1。 表1 砂漿錨筋現(xiàn)場試驗(yàn)工藝特性 孔號 段次 孔徑（mm） 孔深(m) 錨固段(m) 鉆孔方式 灌（注）漿 方式 壓力(MPa) M1 1 150mm 2.5 10.0 清水回轉(zhuǎn)鉆進(jìn) 先分段進(jìn)行固結(jié)灌漿，然后全孔一次灌漿 0.45(0.45) 2 130mm 8.0 風(fēng)動沖擊鉆進(jìn) M2 1 130mm 10.5 10.0 風(fēng)動沖擊，全孔一 次鉆進(jìn)成孔 全孔一次灌注砂漿 0.30(0.23)

8、M3 1 130mm 10.5 10.0 0.27(0.25) M4 1 130mm 10.5 10.0 0.3(0.13) 說明:括號外壓力為灌注砂漿的最大壓力，括號內(nèi)為開始抬動的臨界壓力。 2.2蓋重混凝土 由于地震堆積體的松散性，為確保工藝要求的灌漿質(zhì)量，因此，設(shè)計(jì)有厚度為0.5m的C15級蓋重混凝土。 2.3鉆孔施工 2.3.1鉆孔 由于地震堆積體采用清水回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)難以成孔，為保證砂漿錨筋樁與地層的錨固力，鉆孔又不能使用泥漿護(hù)壁。因此，我們對多種成孔工藝、成孔設(shè)備進(jìn)行分析比較后，選用導(dǎo)軌式風(fēng)動沖擊鉆機(jī)及配套的沖擊器，作為砂漿錨筋樁的鉆孔機(jī)具。當(dāng)蓋重混凝土的強(qiáng)度達(dá)到70%以上，開始鉆孔施工

9、。鉆孔按照設(shè)計(jì)要求的孔位、孔徑、孔深等進(jìn)行。 2.3.2清孔 結(jié)合工程的實(shí)際地質(zhì)條件，對沒有地下水的鉆孔，全部采用高壓風(fēng)進(jìn)行了清孔；對有地下水的鉆孔，因地下水已隨著鉆孔的鉆進(jìn)不斷從孔內(nèi)揚(yáng)出，形成了對鉆孔的沖洗。 2.4固結(jié)灌漿 根據(jù)試驗(yàn)方案要求，選擇了一個(gè)砂漿錨筋樁孔分兩段進(jìn)行了固結(jié)灌漿。固結(jié)灌漿施工參照水工建筑物水泥灌漿施工技術(shù)規(guī)范執(zhí)行。 2.5錨筋的制作與安裝 錨筋全部在鋼筋加工廠進(jìn)行加工制作。鋼筋與鋼管采用斷續(xù)焊焊接，每米焊接長度為5cm。鉆孔結(jié)束并進(jìn)行清孔后，將錨筋樁運(yùn)至現(xiàn)場后采用吊裝入孔。 2.6封堵孔口 根據(jù)工藝要求，錨筋樁入孔后，采用瀝青麻絲和110.5（灰砂水，下同）的水泥砂漿

10、封堵孔口。封堵深度根據(jù)設(shè)計(jì)要求和蓋重混凝土的厚度確定，最小為0.3m。在封堵孔口時(shí)埋入一根1.01.5m長的25mm的鋼管，作為灌漿時(shí)的回漿管。 2.7灌注 孔口封堵的水泥砂漿凝固一天后，開始進(jìn)行灌注。 2.7.1灌注漿液 結(jié)合灌漿設(shè)備能力，實(shí)施前分別進(jìn)行了11.50.45、11.50.5、110.5三種砂漿配合比的試驗(yàn)，其強(qiáng)度等級均能滿足設(shè)計(jì)要求。實(shí)施過程中根據(jù)灌漿泵的自身能力采用了110.5的水泥砂漿。 2.7.2灌注 由于地震堆積體中的架空、滲漏通道較多，經(jīng)常遇到單孔的灌注量很大的情況，為保證砂漿錨筋樁的質(zhì)量，必須灌注到回漿管回出與進(jìn)漿一樣濃度的漿液。當(dāng)回漿管回出與進(jìn)漿相同濃度的漿液時(shí)，

11、關(guān)閉回漿管上的閥門進(jìn)行壓力灌注。在升壓過程中嚴(yán)格控制蓋重混凝土的抬動值，以免損壞蓋重混凝土（本次試驗(yàn)控制抬動值為+3mm）；當(dāng)抬動值接近+3mm時(shí)，逐漸降低壓力，直到不再出現(xiàn)抬動時(shí)進(jìn)行穩(wěn)壓和結(jié)束。試驗(yàn)錨筋樁的灌注漿量見表2。 表2 試驗(yàn)錨筋樁的灌注漿量統(tǒng)計(jì)表 孔號 漿液類別 配合比 注入漿量(L) 灌入干料(kg) M1 水泥砂漿 110.5 1389.7 水泥4540.3kg(含固結(jié)3345.2kg)、砂1195.1kg M2 水泥砂漿 110.5 6028.8 水泥5184.8kg、砂5184.8kg M3 純水泥漿 10.4 1964.5 水泥2718.7kg M4 水泥砂漿 110.5

12、 431.9 水泥371.4kg、砂371.4kg 合計(jì) 9814.9 水泥12815.2kg、砂6751.3kg 2.8結(jié)束標(biāo)準(zhǔn) 參照巖石錨桿、預(yù)應(yīng)力錨桿等注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)，確定了砂漿錨筋樁試驗(yàn)的灌注結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)，即逐漸提高灌注壓力并控制蓋重混凝土的抬動值在+3mm以內(nèi)，當(dāng)抬動值接近+3mm時(shí)進(jìn)行降壓灌注，壓力降到蓋重混凝土不再抬動時(shí)，繼續(xù)灌注直到不在進(jìn)漿時(shí)穩(wěn)壓3min結(jié)束。 2.9抬動觀測 試驗(yàn)區(qū)左右兩側(cè)各設(shè)置一個(gè)抬動觀測裝置，試驗(yàn)過程中專職觀測人員進(jìn)行全過程抬動觀測。從灌注過程看，大部分孔段出現(xiàn)了蓋重混凝土抬動，但沒有對蓋重混凝土造成損壞，由此可見，抬動值控制在+3mm能夠有效保護(hù)蓋重混凝土不被

13、損壞。抬動觀測統(tǒng)計(jì)見表3。 表3 抬動觀測統(tǒng)計(jì)表 孔號 段次 固結(jié)灌漿 灌注 壓力(MPa) 抬動值（mm） 壓力(MPa) 抬動值（mm） M1 1 0.23（0.13） 0.33 0.45（0.45） 2.02 2 0.40（0.38） 3.0 M2 1 0.30（0.23） 2.8 M3 1 0.27（0.25） 1.72 M4 1 0.3（0.13） 2.72 說明: 壓力及抬動值均為最大值。括號內(nèi)的壓力值為開始抬動時(shí)的臨界值。 3.現(xiàn)場拉拔及結(jié)果分析 3.1現(xiàn)場拉拔 參照巖石錨桿、預(yù)應(yīng)力錨桿等拉拔試驗(yàn)的要求，在灌注漿液達(dá)到28天強(qiáng)度時(shí)進(jìn)行現(xiàn)場拉拔檢測。 3.1.1拉拔設(shè)備 拉拔設(shè)備選

14、用YCD-2000型千斤頂和2YBZ2-50型電動油泵。千斤頂公稱張拉力2000kN，油泵額定壓力50MPa。拉拔設(shè)備投入使用前進(jìn)行率定，并確定荷載與壓力的換算關(guān)系。 3.1.2拉拔過程 將安放千斤頂范圍內(nèi)的基礎(chǔ)面清理干凈，并正確、穩(wěn)定安裝千斤頂。 千斤頂安裝完畢后進(jìn)行預(yù)緊，然后安裝千分表并記錄預(yù)緊后的千分表讀數(shù)。 拉拔時(shí)分級加載。每級加載荷載按預(yù)計(jì)極限荷載的1/15加載，本次試驗(yàn)每級加載80kN。 每級加載后持荷穩(wěn)壓5min，并測記錨筋樁的變位量3次。 持荷穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)：持荷階段連續(xù)3次累計(jì)變位量不超過0.1mm，即為穩(wěn)定，否則延長持荷時(shí)間，繼續(xù)測記變位量，直到穩(wěn)定為止。 卸荷也要分級進(jìn)行。每

15、級卸荷荷載為加載的34倍，本次試驗(yàn)每次卸荷300kN；每級卸荷穩(wěn)壓10min，測記不少于一次的變位量，荷載全部卸除后，再測讀23次，讀完殘余變位量數(shù)值。 3.1.3破壞性拉拔 按設(shè)計(jì)要求，試驗(yàn)階段在每根砂漿錨筋樁達(dá)到400600kN后繼續(xù)進(jìn)行破壞性拉拔。破壞性拉拔時(shí)仍按預(yù)計(jì)極限荷載的1/15分級加載，直至破壞。 3.2拉拔結(jié)果與分析 3.2.1拉拔結(jié)果 拉拔結(jié)果見表4。 表4 砂漿錨筋樁拉拔結(jié)果匯總表 孔號 灌注次數(shù) 鉆孔深度m 鉆孔直徑mm 錨固體長m 按設(shè)計(jì)荷載拉拔 破壞性拉拔 鋼筋力學(xué)性能檢測 齡期 d 施工部位 加載 kN 鋼筋變 位mm 荷載kN 拉拔結(jié)果 M1 1 10.5 130

16、 10.0 608.5 0.39 1110.6 鋼筋拉斷 極限強(qiáng)度 625MPa 24 試驗(yàn)區(qū) M2 1 10.5 130 10.0 608.5 0.18 未作 28 試驗(yàn)區(qū) M3 1 10.5 130 10.0 608.5 0.40 1150.7 鋼筋拉斷 28 試驗(yàn)區(qū) M4 1 10.5 130 10.0 608.5 0.51 1010.2 鋼筋拉斷 28 試驗(yàn)區(qū) 1-M9 1 10.3 130 10.0 450 0 不作 28 主體一單元 由表4可見，試驗(yàn)階段加載到608.5kN時(shí)錨固體均沒有被破壞，其錨固力滿足設(shè)計(jì)要求的400600kN的拉拔力。從破壞性拉拔來看，拉拔力達(dá)到了三根鋼筋的

17、極限值時(shí)，鋼筋被拉斷，錨筋樁沒有被拉出來，證明在地震堆積體中，錨筋與水泥砂漿的握裹力較高，而且錨筋樁與地震堆積體的摩擦阻力較高。 3.2.2拉拔檢測結(jié)果分析 孔口封閉、孔底升漿、壓力灌注的工藝原理分析。能否提高地震堆積體中砂漿錨筋樁的拉拔力,關(guān)鍵在于砂漿錨筋樁的灌漿工藝。為此，我們參照巖石錨桿、預(yù)應(yīng)力錨桿等的灌漿工藝，并結(jié)合本工程地質(zhì)條件的實(shí)際情況，確定了采用孔口封閉、孔底升漿、壓力灌注的工藝。這種工藝特點(diǎn)就是利用灌漿的擠壓原理來形成錨固體與地層中孤塊石的可靠粘結(jié)并擴(kuò)大砂漿在松散體中的擴(kuò)散、滲透范圍，即當(dāng)漿液灌滿鉆孔進(jìn)行壓力灌注時(shí)，在灌注壓力的作用下，漿液沖破地層中的松散體并不斷向周圍擴(kuò)散、滲

18、透和擠壓，從而形成直徑較大的錨固體，同時(shí)砂漿又與地層中的孤塊石粘結(jié)，就形成了較多的大小不等、形狀各異的擴(kuò)體，使其與周圍地層形成可靠的摩擦阻力，也就可以提高錨固體的拉拔力。 錨筋樁抗拉拔能力的分析。要使砂漿錨筋樁在天然地震堆積體中獲得較高的拉拔力，現(xiàn)場試驗(yàn)之前，普遍認(rèn)為是極為困難的。這主要是由于地震堆積體中松散體、砂窩（由粉細(xì)砂組成）較多，地層的可灌性差，設(shè)計(jì)單位認(rèn)為砂漿錨筋樁試驗(yàn)成功與否是溢洪道工程能否正常實(shí)施的關(guān)鍵。在這類地層中若不形成錨固體的擴(kuò)體也就難以提高錨固體在這類地層中的摩擦阻力，因此，采用常規(guī)錨桿灌注砂漿的工藝難以獲得錨固體較高的拉拔力。但是，采用孔口封閉、孔底升漿、壓力灌注漿液的

19、工藝，解決了這個(gè)難題，因此，也就提高了錨筋樁的抗拉拔能力。 這里需要說明的是：試驗(yàn)時(shí)選擇了一根錨筋樁灌注10.4（灰水，下同）的純水泥漿液，其拉拔力也能滿足設(shè)計(jì)要求，但由于10.4純水泥漿的造價(jià)要比110.5水泥砂漿的造價(jià)高30%，同時(shí)因純水泥漿的收縮性較水泥砂漿要大，在灌漿壓力較小時(shí)，錨筋樁的握裹力和摩擦阻力會受到一定的影響，因此，在主體工程實(shí)施中將以水泥砂漿為主。 綜上所述，按上述工藝完成的砂漿錨筋樁完全可以在工程中應(yīng)用，能夠保證工程質(zhì)量并有明顯的經(jīng)濟(jì)效益。 4.砂漿錨筋樁施工 現(xiàn)場試驗(yàn)成功后即開始主體工程砂漿錨筋樁施工。為防止灌注砂漿時(shí)出現(xiàn)串孔，造成廢孔，因此，主體工程施工時(shí)按照加密的原

20、則進(jìn)行施工。其工藝流程為：澆注蓋重混凝土測量定孔位鉆孔安裝錨筋封堵孔口待凝灌注砂漿拉拔檢測。 4.1蓋重混凝土和定孔位 主體工程中設(shè)計(jì)有0.3m厚的蓋重混凝土，砂漿錨筋樁的施工全部在蓋重混凝土上進(jìn)行。 主體工程的錨筋樁孔的孔位全部用儀器測量確定，確保錨筋樁孔位的準(zhǔn)確以滿足上部結(jié)構(gòu)物的需要。 4.2鉆孔 在主體工程施工中的砂漿錨筋樁孔均要遇到地下水，為減少地下水對地層的擾動造成掉塊、塌孔等加大成孔的難度，對試驗(yàn)階段的成孔工藝進(jìn)行了優(yōu)化調(diào)整，即采用導(dǎo)軌式風(fēng)動沖擊鉆機(jī)跟套管鉆進(jìn)成孔，同時(shí)錨筋的端頭部分在下入孔內(nèi)前不進(jìn)行彎曲成型并將38mm鋼管更換為25mm鋼管，以滿足起拔套管的需要。鉆孔孔徑為130mm，孔深為10.3m。 4