随着人类对地下空间拓展的需要, 深基坑工程越来越多, 由于锚杆支护具有不占用施工作业面、技术成熟、经济性好等优点, 在深基坑支护工程中得到了蓬勃发展, 形成了系统性的设计施工指导规范^[1]。传统的锚杆锚固技术主要以钢筋或钢绞线为杆体材料, 通过在杆体材料周围灌注水泥砂浆或混合砂浆形成结石体, 结石体与土体或岩体的滑动摩擦提供锚杆的抗拔承载力。但随着城市建设的快速发展, 黏结式锚杆的发展遇到了瓶颈, 一方面, 埋入地下土层中的锚杆对城市后期建设的影响日益严重, 继上海之后, 国内诸多城市相继出台了围护结构临时超越用地红线需回收高强度固体残留物的相关规定;另一方面, 黏结式锚杆锚固力效果形成缓慢, 且锚固力无法调节, 难以适应周边荷载的变化需求。

鉴于黏结式锚杆在基坑支护工程中的缺陷, 国内外众多学者及工程一线人员开始探索可回收式锚杆的应用。王立明等^[2]为了解决锚杆超红线的问题, 设计出了一种回转型可回收扩大头锚杆;王博^[3]设计出适用于砂土施工的可回收自旋式锚杆, 并在西安地铁2号线的基坑支护中经过了工业试验, 验证了其可靠性;王卫东等^[4]采用高压旋喷成桩后插入可拆芯锚索形成大直径可回收锚索, 并将其成功应用于无锡综合交通枢纽工程的软土地基中;陈志博等^[5]采用大型商业化有限元软件对大直径可回收锚杆的承载变形特性进行了数值模拟分析, 研究表明, 该新型锚杆的极限承载力随着锚固体长度和直径增大而增大;张继红^[6]基于环境岩土工程与基坑工程的要求, 提出了全回收基坑围护体系的概念, 并申请了多项发明专利;戚瑞安^[7]结合胜利油田中心医院综合病房楼基坑支护工程, 提出一种适合特殊地质特点的自钻式锚杆施工技术;罗来兵等^[8]以北京某地铁车站深基坑为工程背景, 选用韩国GG-ECD可回收预应力锚杆开展试验, 监测结果满足控制位移、确保基坑与周边安全的要求;马金伟^[9]在西安地铁4号线的基坑支护中采用可回收自旋土钉锚杆代替横支撑开展试验, 监测结果表明, 可回收自旋土钉锚管应用在土层中比传统的支护方式更加快速、安全、可靠;李晓军等^[10]则在查阅大量文献及广泛调研的基础上, 论述了国内外新型岩土锚杆 (索) 的发展现状、存在的问题, 并有针对性地提出了城市基坑支护中对可回收锚杆 (索) 研发的必要性。

可回收锚杆为深基坑支护提供了有效技术手段。然而, 目前城市基坑中的锚杆 (锚索) 回收仍遗留有一些问题。如多数可回收锚杆 (锚索) 回收不完全, 回收时仅回收了钢筋或钢绞线的杆体材料, 而结实体仍然留置于地下, 未能完全解决地下污染问题;有些回收式锚杆 (锚索) 回收后, 钢绞线破坏严重, 不能重复使用, 浪费严重。有鉴于此, 课题组提出了膨胀控制全回收锚杆的设想, 其基本特征是:通过控制锚固段内的膨胀装置, 使锚固段外表面与土体挤压形成锚固力, 如图1所示, 其锚固段内有1个特制的挤土机构包裹在1个膨胀机构外侧, 膨胀机构的膨胀力可以动态控制与设定, 控制膨胀机构径向膨胀时, 推动挤土机构与锚孔孔壁接触挤压, 产生压剪应力通过传力机构直接传递到孔外锁定, 形成锚拉受力体系;膨胀机构收缩时, 挤土机构与锚孔孔壁脱离, 可以全部回收锚孔中的锚杆。

长江大学人才公寓由Ⅰ, Ⅱ, Ⅲ3区组成, 其中位于场地北侧的Ⅲ区设计有地下车库, 属于基坑支护的范围。Ⅲ区建筑物高46.8m, 共13层, 为框架结构和预应力混凝土管桩基础。基坑的设计计算深度为5.6m, 紧邻基坑北侧分布有单层工业厂房式金工实习工厂。场地的工程地质条件及基坑设计参数如表1所示。

综合考虑基坑的开挖深度、场地的工程地质条件及周边环境情况, 设计时采用多种支护体系的联合支护结构形式, 其中, 基坑北侧的支护形式为复合土钉结构, 即坡面采用3排水泥土搅拌桩增强加固兼作止水帷幕, 坡面土体采用注浆花管锚杆抗滑。详细的支护结构如图2所示。

1) 施工工艺 膨胀控制全回收锚杆具有免注浆、全回收、绿色环保、经济适用、实时锚固且锚固力可控等优点, 其锚固效果已经通过大量的模型试验进行了验证。长江大学人才公寓项目的工程地质条件与该新型膨胀控制锚杆开展模型试验地质条件一致, 并在人才公寓基坑支护中开展膨胀控制全回收锚杆的现场试验。

现场试验以基坑北侧为试验断面, 施工时, 将基坑北侧的支护段分成东西2段, 西段仍然采用图2的支护结构, 东段则以膨胀控制全回收锚杆代替图2中的注浆花管;为确保基坑安全, 满足信息化施工的要求, 验证新型锚杆的支护效果, 项目组在基坑北侧的东西2段分别埋设了深层水平位移管, 在紧邻基坑的金工实习工厂厂房牛腿柱及外墙角点处埋设沉降观测点。

膨胀控制全回收锚杆施工时将履带式锚杆钻机以静压顶进方式预成孔, 预成孔直径130mm, 锚杆的锚固端预先在实验室加工制作组装, 运至施工现场后连接锚固段与拉筋, 并一起放置在辅助套管中, 拉筋即为锚杆的自由端, 成孔后立即将辅助套管及套管中的膨胀控制锚杆送入孔洞, 并试充气膨胀, 初始充气压力控制在0.20MPa左右, 根据基坑开挖深度充气压力控制到设计值, 并张拉拉筋, 与腰梁固定。

回填前, 进行膨胀控制全回收锚杆的现场回收, 回收采用专用的回收装置, 逐节回收拉筋, 最后回收膨胀锚杆锚固端, 锚杆回收后进行清理维护即可重复使用。

2) 支护效果分析 基坑施工过程中, 项目组对埋设在东西2段的深层水平位移管和实习工厂的沉降观测点进行了实时监测, 监测结果如图3, 4所示。

从图3可以看出, 膨胀控制全回收锚杆支护段土体的深层水平位移最大值为23mm, 而注浆花管锚杆支护段土体的深层水平位移最大值为35mm, 均满足设计要求的水平位移限值40mm;对于离基坑开口线仅1m的金工实习工厂, 分别选取东西两支护段中部牛腿柱上的沉降观测点进行分析, 监测结果表明:随着基坑开挖的进行, 注浆花管锚杆支护段的沉降值普遍大于膨胀控制锚杆段的沉降值, 膨胀锚杆段最大沉降值为20mm左右, 花管段最大沉降值为30mm, 均满足设计限值30mm的要求。

锚杆抗拔承载力是衡量支护效果的一项关键指标。为进一步获取基坑开挖过程中新型锚杆抗拔承载力大小, 深入掌握锚杆抗拔承载力大小与膨胀力大小的关系, 基坑开挖过程中, 一方面, 选取了部分膨胀控制锚杆开展膨胀力与抗拔承载力关系的试验;另一方面, 在回收膨胀控制锚杆前, 有针对性地选取了注浆花管锚杆与膨胀控制锚杆开展抗拔试验, 获取有代表性的抗拔承载力试验数据如图5, 6所示。

从图5可以看出, 当膨胀装置内的膨胀气压为0.20MPa时, 锚杆的极限抗拔承载力为26kN;膨胀气压为0.30MPa时, 锚杆的极限抗拔承载力为34kN;膨胀气压增加到0.36MPa时, 锚杆的极限抗拔承载力为40kN, 即随着膨胀气压的增大, 该锚杆的抗拔承载力增加。根据基坑开挖前该新型锚杆的极限抗拔试验成果, 该成品锚杆能够施工的最大膨胀力为0.40MPa, 提供的极限抗拔承载力约48kN。因此, 基坑开挖时, 采用充气提供的膨胀力稳定在0.30MPa左右。

2种锚杆的极限抗拔承载力对比性试验研究表明, 当充气膨胀力为0.3MPa时, 该膨胀锚杆的极限抗拔承载力为32kN, 对应的位移值为21.5mm;而注浆花管锚杆的极限抗拔承载力约18kN, 对应的位移量为19.5mm。

综合图3~6的现场监测数据及对比性抗拔试验, 研究表明:膨胀控制全回收锚杆具有理想的抗拔性能, 在抗拔承载力允许范围内, 能够代替注浆锚杆在临时性基坑边坡工作中使用。

1) 膨胀控制全回收锚杆的施工工艺简单、回收方便, 既解决了锚杆超红线的问题, 也未形成地下污染。

2) 基坑工程中, 膨胀控制全回收锚杆能代替常规的注浆锚杆使用, 可以根据设计锚固力大小及周边荷载的变化实时调节锚固力大小, 符合位移控制、确保基坑及周边环境安全的要求, 支护效果理想。

3) 膨胀控制全回收锚杆回收后能重复利用, 可节约大量的工程成本, 经济性好。