成都市龙泉驿区帝一广场深基坑支护工程, 是高压旋喷扩体锚索在成都市膨胀土地区深基坑工程中的首次应用。首次应用于如此深的基坑支护项目, 难度相当大。若能证明该预应力锚索在依托项目中应用成功, 且经济效益良好, 则说明高压旋喷扩体锚索在成都膨胀土地区深基坑支护工程中具有极大的推广价值。

通过不同的施工参数试验及锚索抗拔力试验, 探索针对该场地硬塑黏土条件下旋喷扩体锚索的施工工艺及其极限抗拔力大小, 以保证锚索抗拔力能达到设计承载力要求, 并通过基坑位移监测及锚索轴力监测, 验证高压旋喷扩体锚索在膨胀土深基坑工程中的适用性。

项目场地位于龙泉驿区龙都北路以南、建材路以东 (交汇处) 。建筑面积约38万m², 包括5栋高层住宅、2栋高层公寓及办公楼和酒店。基坑周长为352.0m, 基底标高为498.700m, 根据建设单位提供数据:基坑深度以场地地坪标高至对应段基底标高算出对应段的深度, 场地标高为514.000～514.500m, 开挖坑深度分别为15.3, 15.8m。拟挖基坑北侧为平安粮站6层宿舍, 无地下室, 基坑开挖边线距建筑物约8.2m。

经勘察查明, 在钻探揭露深度范围内, 场地土主要由第四系全新统人工填土 (Q₄^ml) 、第四系中更新统冲击黏性土层 (Q₂^al) 、第四系中更新统冰水沉积黏性土、粉土层 (Q₂^fgl) 及白垩纪上统灌口组泥岩 (K₂^g) 组成。场地内各土层强度参数如表1所示。

该基坑采用支护桩、冠梁、锚索、腰梁、桩间网喷相结合的支护方式, 锚索采用承压型旋喷扩体锚索, 距基坑边线约9.9m为6层平安粮站宿舍, 无地下室, 经计算, 该处桩径为1.8m, 桩间距2.3m, 嵌固段15.2m, 在桩间设置3道锚索。锚索监测段基于理正的桩锚支护设计方案如图1所示。

扩大头锚索的抗拔力T由3部分构成, 包括锚固段未扩大部分浆体侧与土体的侧摩阻力、锚固段扩大头部分浆体土体间的侧摩阻力和锚固段扩大头端部扩大截面与土体之间的端承力, 其受力模型如图2所示, 计算如式 (1) ～ (4) 所示。

式中:D₁, L₁分别为锚固段非扩大头截面的直径和长度;D₂, L₂分别为锚固段扩大头部分的直径和长度;τ_sp, τ_sk分别为普通锚固段和锚固段扩大头部分的侧摩阻力;σ_d为扩大头截面前端的正压力强度。

高压旋喷扩体锚索施工选用履带式钻机、高压泵及锚索预应力张拉设备。锚索采用17.8钢绞线 (1 860MPa) , 22塑料注浆管, 注浆材料为素水泥浆, 水泥采用P·O42.5级普通硅酸盐水泥, 水灰比为0.45～0.5。

锚索施工采用全孔道跟管水钻工艺进行成孔。 (1) 第1步开孔, 钻孔时使用清水, 为确保锚索长度, 成孔时超钻500mm, 达到深度拆除跟进的导管; (2) 第2步用高压旋喷钻头替换普通开孔钻头, 采用旋喷素水泥浆的方式对锚索扩大头部分进行旋喷扩大; (3) 第3步待扩孔完成后, 用纯净素水泥浆进行洗孔, 待孔口未带出泥砂, 返出纯净水泥浆后, 停止洗孔; (4) 第4步下放锚索, 锚索索体采用5根17.8钢绞线, 中间夹22塑料注浆管, 每间隔1m交错设置扩张环和箍环, 锚索外套设置定位片以保证锚索居中, 末端设置导向帽保证锚索顺利下锚; (5) 第5步锚索下放到位后开始注M30浓水泥浆, 待孔口返出纯净浓厚素水泥浆时, 停止第1次注浆。3～5h后进行二次注浆。

共设计了旋喷扩大头锚索6组, 对比的施工参数包括旋喷压力和旋喷时间, 试验旋喷扩大头锚索全长>10m (含扩大头长度) , 扩大头部分长5m, 根据现场剩余土体情况尽量增大开孔角度。其中压力影响因数试验4组, 固定旋喷时间为20min, 分别采用20, 25, 30MPa和35MPa的旋喷压力进行扩孔施工, 扩大头需进行后注浆;旋喷时间影响因素试验2组, 固定旋喷压力25MPa, 旋喷时间分别为15, 20min和25min进行扩大头施工, 扩大头需进行后注浆。6组试验锚索施工参数如表2所示。施工完成后对试验旋喷扩大头锚索进行开挖, 并对比分析。

现场旋喷扩大头锚索施工完成14d后, 将锚索周边土体开挖后取芯, 对旋喷扩体部分锚固体尺寸及质量进行测量。由于开挖出的锚固体并非规则的圆柱体, 因此采用周长替代直径用于描述扩大头锚固体的外形尺寸。

由表2可知, S-1～S-4号试验锚索旋喷施工时间为20min, 旋喷压力分别为20, 25, 30MPa和35MPa。S-5, S-2, S-6号试验锚索旋喷施工压力为25MPa, 旋喷时间分别为15, 20min和25min。开挖出的S-1～S-6号试验锚索扩大头锚固体照片如图3所示。

由图3可以看出, 开挖出的扩大头锚固体表面粗糙程度高, 质感坚硬, 锚固体砂浆部分与土体无明显分界线, 边界由强度稍高的水泥土逐渐过渡为黏土。扩大头周长测量数据如表3所示。

根据测量结果, 绘制出旋喷压力与扩大头锚固体周长的关系曲线, 如图4所示。从图4中可以看出, 锚固体周长随着旋喷压力的增大而增加。根据实测结果回归分析出旋喷压力与扩体周长关系拟合公式如式 (5) 所示。

式中:L为锚固体周长;P为旋喷压力。

图5为旋喷时间与扩大头锚固体周长的关系曲线。从图5中可看出, 锚固体周长仍随着旋喷时间的增加而增大。根据测量结果回归分析出旋喷时间与扩体周长关系拟合公式如式 (6) 所示。

式中:L为锚固体周长;t为旋喷时间。

为验证高压旋喷扩体锚索抗拔力是否满足设计要求, 共选择基坑北侧边坡Z21～Z24桩间9根锚索进行抗拔力试验。现场记录1～9号锚索拉拔力对应值如表4所示。因现场条件限制, 未能进行锚索位移测量及拉拔破坏试验, 测量锚索未拉拔到承载力极限状态。

由前期调研可知, 在该地区膨胀土深基坑中, 相同锚固段长度的普通锚索抗拔力普遍在300kN以下, 抗拔力较低。由表4可知, 测量的旋喷扩大头锚索拉拔力普遍达到800kN以上, 且未发生破坏现象, 相较于普通锚索, 表现出了明显的抗拔力优势, 也证明其抗拔力满足该膨胀土深基坑工程设计要求 (>600kN) 。

基坑位移监测点布置如图6所示, 相邻建筑物沉降监测点布置如图7所示。

由监测结果可知, 基坑水平位移监测点均朝基坑内发生位移, 基坑水平位移曲线均呈阶梯状增长趋势。开挖期间, 监测点水平位移值增大, 在该层锚索张拉锁定完成后位移值变得相对稳定;随着下层基坑开挖, 监测点水平位移值继续变大, 待锚索支护施工完成后再次变得稳定, 直到开挖和基坑支护施工结束。在施工后期阶段, y方向位移值逐步趋于稳定, 累计位移集中在16～26mm, 最大值出现在1号点, 达到26mm, 未超过基坑位移报警值, 判定安全。

基坑监测点沉降量随着基坑土方的开挖增大, 在该层锚索施工完成后稳定, 随着下层土方的开挖, 监测点沉降量继续增大, 随着锚索张拉锁定后又变稳定, 如此循环。后期监测点沉降值随着基坑开挖及支护施工的完成逐步趋于稳定, 沉降量远低于30mm的警戒值。

相邻建筑物周围各监测点沉降值随施工的完成逐步增加后趋于稳定, 在第30次监测时A5号点沉降量陡增, 原因是A5号测点靠近马道, 是基坑前期支护效果较为薄弱的地方, 开挖马道附近土体造成其沉降量陡增, 后随开挖的完成趋于稳定, 最大累计沉降量为2.50mm, 符合四川省地方标准DB51/T5026—2001《成都地区建筑地基基础设计规范》第5.2.3条规定, 该相邻建筑物未发现异常沉降。

在该基坑项目中选取合适的试验断面, 对该旋喷扩体锚索的受力特征及预应力情况进行长期监测, 并以基坑支护时长为背景, 分析旋喷扩体锚索在全生命周期内的预应力损失及松弛情况。

1) 锚索轴力监测方案

根据监测研究内容及现场周围建筑物分布情况, 现场选取基坑西北侧边坡Z21～Z24桩间锚索进行监测, 监测布置如图8所示, 从上往下分别为第1, 2, 3道测试锚索。第1道锚索从左往右依次编号为803107, 803108, 803110, 第2道锚索从左往右依次为803771, 803774, 803883, 第3道锚索从左往右依次为803769, 803772, 803768。

2) 锚索轴力监测结果分析

监测第1道锚索, 803107 (第1道左) 张拉锁定值为521.2kN, 803108 (第1道中) 张拉锁定值为415kN, 803110 (第1道右) 张拉锁定值为529kN;监测第2道锚索, 803771 (第2道左) 张拉锁定值为602.5kN, 803774 (第2道中) 张拉锁定值为625.7kN, 803883 (第2道右) 张拉锁定值为611.5kN;监测第3道锚索, 803769 (第3道左) 张拉锁定值为614kN, 803772 (第3道中) 张拉锁定值为647kN, 803768 (第3道右) 张拉锁定值为540kN。从2016年11月11日起, 对所选锚索进行了超过300d的轴力监测, 得到第1～3道预应力锚索轴力随时间增加的变化规律曲线, 分别如图9～11所示。

由图9可知, 第1道锚索轴力随着基坑土体的开挖卸荷呈现上升的趋势, 且逐渐趋于稳定。在基坑施工完成后, 第1道锚索轴力未呈现出下降趋势。同时, 第1道的3条监测锚索在其锁定值基础上, 随着基坑的开挖, 轴力增长幅度均在40kN以上, 涨幅较大, 因此应该适当提高第1道锚索的预应力锁定值, 防止因锚索预应力不足而造成的基坑失稳破坏。

由图10可得, 第2道锚索从监测日起1周内, 锚索预应力有一定损失, 曲线呈下降趋势, 这是因为在第2道锚索施工完成后, 基坑土方开挖搁置, 基坑壁土体微小蠕变造成了锚索预应力损失, 随着施工的恢复, 锚索轴力继续提高并趋于一个稳定值。

由图11可看出, 第3道锚索轴力起初有一段损失, 曲线呈下降趋势, 到1月15日开始平稳, 2月底锚索轴力开始缓慢增长, 后逐渐趋于稳定值。锚索轴力刚开始出现下降, 这是因为该层锚索的锁定值大于基坑壁土体主动土压力, 锚索扩体锚固段挤压土体使土体变形而产生部分锚索预应力损失, 后随着施工的完成, 锚索轴力开始增大并逐步达到稳定。

锚索轴力监测结果表明, 高压旋喷扩体锚索在该膨胀土深基坑支护工程应用中, 在其全生命周期内, 未发现预应力损失及松弛现象, 且锚固力满足该深基坑工程支护需要, 表现出了较好的锚固能力及稳定性。

以依托工程为例, 共需施工锚索510条, 共计13 770m。相较于该地区普遍采用的囊式锚索, 其囊袋单个售价为1 300元, 该工程采用旋喷扩体锚索技术, 可直接节省囊袋采购费用510×1 300=66.3万元, 加之旋喷扩大头锚索对施工设备要求相对较低, 施工起来更为便捷。结合成都地区实际情况, 旋喷扩体锚索施工的综合单价仅为230元/m, 相较于囊式锚索330元/m (含囊袋价格) 的单价, 锚索成本节省达到100元/m, 该工程锚索施工成本节省137.7万元。

较于囊式锚索, 高压旋喷扩体锚索对施工条件及施工设备的要求更低, 其施工速度更快。由前期调研可知, 在相同施工条件下, 1台设备, 囊式锚索1d仅可施工4～5条, 而高压旋喷扩体锚索1d可施工9条以上。假设天气条件一直理想, 若依托工程采用囊式锚索, 其工期为102～128d;若采用高压旋喷扩体锚索, 只需56d工期甚至更少, 较囊式锚索节省工期50d以上。由于项目杠杆的存在, 工期节省可带来相当可观的经济价值。

综上, 旋喷扩体锚索具有更好的经济效益。

1) 在成都地区膨胀土基坑支护工程中, 高压旋喷扩体锚索具有更好的经济效益。

2) 高压旋喷扩体锚索在成都帝一广场基坑支护工程中的首次成功应用, 证明了高压旋喷扩体锚索在成都膨胀土基坑支护工程中的实用性, 对该地区类似工程的设计和施工具有良好的借鉴意义。