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(kù)是1856年因地震山崩堵塞溪流形成的一座天然水庫(kù)。其壩體材料以地震崩塌堆積的頁(yè)巖、粉砂質(zhì)頁(yè)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?gòu)?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(jí)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(yè)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(kù)位于重慶市黔江縣境內(nèi)，是黔江唯一的一座中型水庫(kù)，經(jīng)逐年開發(fā)利用，水庫(kù)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(zhǎng)期以來(lái)的洪水自然溢流給天然壩體帶來(lái)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(kù)的綜合功能，擬對(duì)小南海水庫(kù)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(kù)天然壩體是國(guó)家級(jí)典型地震遺址保護(hù)區(qū)和全國(guó)防震減災(zāi)科普

4、宣傳教育基地，為盡可能地減少對(duì)地震遺址的破壞，溢洪道沿水庫(kù)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(yè)巖、粉砂質(zhì)頁(yè)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(chǎng)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(dòng)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(zhǎng)12.0m，直徑28mm的級(jí)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(zhǎng)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(guó)內(nèi)尚無(wú)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?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的工藝特性見表1。 表1 砂漿錨筋現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)工藝特性 孔號(hào) 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(dòng)沖擊鉆進(jìn) M2 1 130mm 10.5 10.0 風(fēng)動(dòng)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(shuō)明:括號(hào)外壓力為灌注砂漿的最大壓力，括號(hào)內(nèi)為開始抬動(dòng)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(jí)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(duì)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(dòng)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(duì)沒有地下水的鉆孔，全部采用高壓風(fēng)進(jìn)行了清孔；對(duì)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(duì)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(zhǎng)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(chǎng)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(zhǎng)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(jí)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(dòng)值，以免損壞蓋重混凝土（本次試驗(yàn)控制抬動(dòng)值為+3mm）；當(dāng)抬動(dòng)值接近+3mm時(shí)，逐漸降低壓力，直到不再出現(xiàn)抬動(dòng)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(hào) 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(dòng)值在+3mm以內(nèi)，當(dāng)抬動(dòng)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(dòng)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(dòng)觀測(cè) 試驗(yàn)區(qū)左右兩側(cè)各設(shè)置一個(gè)抬動(dòng)觀測(cè)裝置，試驗(yàn)過程中專職觀測(cè)人員進(jìn)行全過程抬動(dòng)觀測(cè)。從灌注過程看，大部分孔段出現(xiàn)了蓋重混凝土抬動(dòng)，但沒有對(duì)蓋重混凝土造成損壞，由此可見，抬動(dòng)值控制在+3mm能夠有效保護(hù)蓋重混凝土不被

13、損壞。抬動(dòng)觀測(cè)統(tǒng)計(jì)見表3。 表3 抬動(dòng)觀測(cè)統(tǒng)計(jì)表 孔號(hào) 段次 固結(jié)灌漿 灌注 壓力(MPa) 抬動(dòng)值（mm） 壓力(MPa) 抬動(dòng)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(shuō)明: 壓力及抬動(dòng)值均為最大值。括號(hào)內(nèi)的壓力值為開始抬動(dòng)時(shí)的臨界值。 3.現(xiàn)場(chǎng)拉拔及結(jié)果分析 3.1現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)拉拔檢測(cè)。 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(dòng)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(jí)加載。每級(jí)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(jí)加載80kN。 每級(jí)加載后持荷穩(wěn)壓5min，并測(cè)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(zhǎng)持荷時(shí)間，繼續(xù)測(cè)記變位量，直到穩(wěn)定為止。 卸荷也要分級(jí)進(jìn)行。每

15、級(jí)卸荷荷載為加載的34倍，本次試驗(yàn)每次卸荷300kN；每級(jí)卸荷穩(wěn)壓10min，測(cè)記不少于一次的變位量，荷載全部卸除后，再測(cè)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(jí)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(hào) 灌注次數(shù) 鉆孔深度m 鉆孔直徑mm 錨固體長(zhǎng)m 按設(shè)計(jì)荷載拉拔 破壞性拉拔 鋼筋力學(xué)性能檢測(cè) 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(lái)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(lái)，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(cè)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(lái)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(chǎng)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(shuō)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(huì)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(chǎng)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(cè)量定孔位鉆孔安裝錨筋封堵孔口待凝灌注砂漿拉拔檢測(cè)。 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(cè)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(duì)地層的擾動(dòng)造成掉塊、塌孔等加大成孔的難度，對(duì)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(dòng)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