高压喷射扩大头锚杆在抗浮工程中的应用及探讨
张艳芳 曹磊
关键词：高压旋喷;扩大头锚杆;抗拔力;验收试验
当结构自重加压重与地下水浮力的比值不满足抗浮稳定安全系数时，需采取抗浮措施，否则将引起建筑底板破坏、梁柱节点处开裂、地下室整体上浮等事故。在实际工程中，常用的抗浮措施有增加配重法、抗拔桩法、抗拔锚杆法和降低地下水位法等（黄健等，2021）。抗拔锚杆因其具有施工速度快、造价低廉、底板受力均匀等优点得到广泛应用。在抗拔锚杆的设计与施工中，最重要的一个参数为锚杆的抗拔承载力。在土层中应用抗拔锚杆时，往往通过增加锚固段的长度或减小锚杆的间距来满足所需要的力，但是有研究表明，依靠增加锚固段的长度来提高抗拔力是有限度的，当锚固段的长度超过某一个数值后，抗拔力并不能得到明显的提高（曾庆义等，2004），若一味减小锚杆间距，则会产生“群锚效应”，影响锚杆抗拔承载力的发挥，从而限制了锚杆的使用。
高压喷射扩大头锚杆是一种新型锚固结构，采用高压流体在锚孔底部按设计长度对土体进行喷射切割扩孔并灌注水泥浆或水泥砂浆，形成直径较大的圆柱状注浆体的锚杆，其增大了锚固体与土层间的接触面积，充分利用了变截面处的端承效应，大大提高了锚杆的抗拔承载力，可解决普通锚杆存在的问题，近年来被广泛应用于基坑支护、边坡及基础抗浮工程中（陈城，2020;胡亮等，2020;吴勇军等，2019;李小园，2019）。
本文分析了高压喷射扩大头锚杆的抗拔力特点，通过河北廊坊某地下室抗浮锚杆工程实例，详细阐述了扩大头锚杆的施工工艺及技术要点，并与相同条件下的普通锚杆的施工成本和工期进行了对比，以期为类似工程提供借鉴。
1高压喷射扩大头锚杆的抗拔力
图1为扩大头锚杆的结构示意图，其极限抗拔承载力Tuk可由式（1）计算：
可以看出，扩大头锚杆的抗拔力由普通锚固段注浆体与土层之间的摩阻力、扩大头段注浆体与土层间的摩阻力及扩大头前端面土体对扩大头的抗力三部分组成，属于摩擦-端压型锚杆，相较于摩擦型的普通锚杆，长度相同时单根抗拔承载力得到了大幅提高。研究表明，北京地区某项目的扩大头锚杆极限抗拔承载力可达普通锚杆的2.5～3.5倍（周子舟等，2019）。因此高压喷射扩大头锚杆特别适用于基坑深度大、土质条件差、周边环境复杂的基坑支护工程、土质边坡及基础抗浮工程。
相比普通锚杆，扩大头锚杆的位移较小。某污水处理池扩大头抗浮锚杆设计抗拔力为280 kN，通过有限元数值模拟分析得出，当加载到280 kN时，位移仅为8 mm，荷载继续加载至395 kN时，位移为15 mm（陈城，2020）。因此，扩大头锚杆特别适用于对位移要求高的项目。
2工程實例
2.1工程概况
项目位于廊坊市大厂县辛杜庄村，包括9栋4F—17F公寓楼及群楼、1栋3F公共配套楼、2栋1F变配电室及地下车库等。其中地下车库为2层，采用筏板基础形式。项目区典型地层剖面如图1所示，地下车库基础底板以下土层的力学参数见表1，各土层具体描述如下（图2）：
④层粉质黏土：褐灰色，软塑—可塑状态。可见铁质锈染，稍有光泽，局部与粉土呈互层状分布。属中—高压缩性土。
④1层粉土：黄灰色，饱和，中密—密实。可见铁质锈染，局部夹粉质黏土或粉砂薄层。属中压缩性土，黏粒含量平均值ρc=9.3%。
⑤层粉砂：灰色，饱和，中密一密实，砂质纯净，矿物成分以长石、石英为主，少量云母，级配一般，局部夹粉土或粉质黏土薄层。标贯实测击数平均值N=33.9击。
⑥层粉质黏土：灰褐色，软塑一可塑状态。可见铁质锈染，稍有光泽，含少量小姜石，局部夹粉土薄层。属中一高压缩性土。
⑦层粉细砂：褐灰色，饱和，密实，砂质纯净，矿物成分以长石、石英为主，少量云母，级配一般，局部夹粉质黏土薄层。标贯实测击数平均值N=44.4击。
勘察期间在钻孔内实测地下水位稳定埋深为2.80～4.50 m，水位绝对高程为13.10～14.19 m。地下水类型为第四系孔隙潜水。补给方式以大气降水及河流侧向补给为主，排泄方式以自然蒸发、人工开采及侧向径流为主。根据区域水文地质资料，地下水受大气降水影响较大，水位常年变幅在2.00 m左右，近期内年最高水位高程为16.00m。
建设场地+0.00标高为18.5 m，地下车库基础底绝对标高为8.24 m，自然地面标高约17.7 m。基底埋置于④层中，抗浮设防设计水位高程按16.5 m考虑。由于上部结构自重无法抵御水浮力，需采取抗浮措施。
2.2扩大头抗浮锚杆设计情况
地下车库面积约20 783 m2，要求单位面积提供不少于38 kN的抗浮力，抗浮措施采用了永久性高压喷射扩大头抗浮锚杆，锚杆安全等级为Ⅱ级，具体设计参数如下：锚杆的有效总长度14 m，扩大头段长度为4m，直径为600 mm，非扩大头段长度为10 m，直径为200 mm，根据土层参数及抗拔力计算公式，设计扩大头锚杆抗拔承载力特征值按保守取值为283 kN，扩大头端部位于⑦粉细砂层。锚杆杆体采用4根直径25 mmHRB400级螺纹钢筋，沿杆体方向每隔1.0 m设置1个定位器，整个地下车库共布置2846根扩大头锚杆。水泥采用P.0.42.5普通硅酸盐水泥。由于地下水具有微腐蚀性，抗浮锚杆采用Ⅲ级防腐措施，即外涂防腐涂层，涂层钢筋基层的附着力不低于5 MPa，涂层厚度大于280μm。
扩大头锚杆设计详见图3。
3高压喷射扩大头锚杆施工技术
高压喷射扩大头施工工艺流程见图4所示。
3.1锚孔测放及钻机就位
施工场地整平并达到三通一平后，根据设计要求和地层条件，将锚孔位置准确测放在设计位置上，并做出标记，孔距误差不得超过100 mm。准确安装固定钻机，并严格认真进行机位调整，确保锚杆钻孔角度偏差控制在2.0°以内。
3.2钻孔
成孔机具采用高强牌新型大扭矩打桩钻机（ZGZ-A型），该钻机的最大成桩深度为18.5 m，成桩直径最大达0.9 m。项目钻孔成孔直径200 mm，为确保锚孔深度，实际钻孔深度要求大于设计深度0.2～0.5 m。钻进过程中做好现场施工记录，如遇塌孔、缩孔、涌砂流土等不良钻进现象时，须立即停钻，及时进行固壁灌浆处理，待水泥砂浆初凝后，重新扫孔钻进。当成孔过程中遇不明障碍物时，查明其性质后再继续钻进。
3.3扩孔
高压旋喷扩孔流程如图5所示。高压喷射扩孔过程中的喷射压力、提升速度、扩孔遍数是最重要的工艺参数，应给予足够的重视，严格按照设计要求执行。当其他参数相同时，提高喷射压力或减小提升速度，均会使扩孔段直径增加，进而影响扩大头锚杆的抗拔承载力。项目设计施工参数为：旋喷提升速度10～20 cm·nin-1，旋转速度10～15转.min-1，水泥浆为水灰比1.0的纯水泥浆，旋喷压力为25～30 MPa，浆量75L·min-1。
项目扩大头段长度为4.0 m，需分段扩孔。为保证整个扩大头段的连续性，喷射管分段提升过程中搭接长度不少于100 mm。采用水泥浆液扩孔，需至少上下往返扩孔两遍。扩孔过程中如果出现压力骤降或者上升时，应立即停止作业，查明原因，排除故障，恢复正常后方可继续施工，喷射被迫中断后，恢复旋喷时的搭接长度不小于0.5 m。
3.4杆体制作及安放
项目锚杆杆体采用4根直径25mm HRB400级螺纹钢筋，沿杆体方向每隔1.0m设置1个定位器，钢筋接长采用直螺纹套筒连接。制作前钢筋应平直、除锈并外涂防腐涂层。
扩孔完成后，立即取出喷管并迅速将杆体放入锚孔直到设计深度，以免浆液沉淀和凝固导致增加杆体放入的难度。杆体的角度偏差控制在2%以内。注浆管与钢筋杆体绑扎在一起放入钻孔。
3.5注浆
注浆的目的是将钻孔和扩孔的泥浆和较稀的水泥浆置换出来，因此要求注浆管到孔底的距离宜小于300mm，自下而上连续不断地灌注。项目采用高压注浆工艺，水泥净浆灌注，水泥浆液应搅拌均匀，随搅随用，并应在初凝前用完，注浆管路需保持畅通。注浆水灰比0.5，注浆体设计强度不小于30 MPa。当孔口溢出浆液或排气管排出的浆液与注入浆液颜色和浓度一致时方可停止注浆。注浆完毕应将外露的钢筋清洗干净，不得随意敲击杆体或在杆体上悬挂重物。
4应用效果
4.1验收试验
验收试验的目的是为了检验所施工的锚杆质量能否达到设计要求，根据规范要求，项目选取抗浮锚杆总数的5%共144根锚杆进行抗拔力验收试验。当注浆体满28 d龄期或注浆体强度达到设计强度的80%后进行试验。
采用单循环试验方法，利用穿心千斤顶对锚杆施加拉拔力，通过地基土提供反力，对锚杆逐级施加荷载，直至最大荷载，试验示意图见图6a。
根据规范要求，试验初始荷载取锚杆抗拔力特征值的10%，最大试验荷载取锚杆抗拔力特征值的1.5倍。分级加荷值取锚杆抗拔力特征值的50%、75%、100%、120%、135%、150%，每级荷载的稳定时间不少于5min。在每级加载等级观测时间内，测读锚头位移不少于3次。最大试验荷载观测10 min，待位移稳定后即卸载至锚杆抗拔力特征值的10%并量测位移。锚杆验收合格的标准是在最大试验荷载作用下，锚头位移收敛稳定。
项目抗浮锚杆施工完成lOd后进行验收试验，图6b所示为1#—4#试验锚杆的荷载一位移曲线变化图，在最大试验荷载作用下，锚头位移变化量稳定，试验过程中没有出现锚杆被破坏的现象，验收合格。同时锚杆的位移离散性小、可靠性高，说明锚杆的质量性能非常稳定。
4.2施工成本和工期分析
在工程地质、水文地质、上部结构等条件均相同的情况下，若采取普通抗浮锚杆的方案，则抗浮锚杆长度取14 m，杆体直径200 mm，抗拔承载力特征值取140 kN，锚杆杆体采用3根直径25 mm的HRB400级螺纹钢筋，则需设置约5760根普通抗浮锚杆。
两种抗浮锚杆的成本组成见表3。可以看出，扩大头锚杆虽然在水泥用量及人工、机械费方面存在劣势，但总成本仍比普通锚杆降低了约13.3%。工期按投入1台设备算，采用套管护壁钻孔方法施工，扩大头锚杆虽然施工效率较慢，但因数量减少了50.3%，总工期可节省99.6 d，约25.9%。同时，可节省因工期产生的其他费用，如降水费用。
4.3對环境的影响分析
由于抗浮锚杆施工范围内存在粉土及砂层，粉土在受扰动时易出现涌砂流土，砂土在钻孔时易发生塌孔，因此普通锚杆施工需采用套管护壁钻孔。施工场地内需留设泥浆池，并采取措施以保证基底不被泥浆破坏，且随着国家对环保的要求越来越严，很多卸土点不接受泥浆的直接堆放，产生的泥浆需在施工现场晒干后才能进行清运。而采用新型大扭矩打桩钻机（ZGZ-A型）施工，扩大头锚杆不需要泥浆护壁，不会产生泥浆污染，也减少了泥浆外运的麻烦。
5结论
1）高压喷射扩大头锚杆技术先进，工艺成熟，可以大规模应用于基坑支护、边坡及基础抗浮工程中，有推广使用价值。
2）河北省廊坊市某地下车库采取了高压喷射扩大头锚杆抗浮，施工质量合格，且在成本、工期及环境保护等方面均具有一定的优势，可为类似工程的设计与施工提供参考。
3）在选择抗浮方案时，要注意扩大头锚杆工程量与材料用量的减少是否能弥补水泥用量及机械费的增加对成本的影响，以及锚杆数量的减少是否能弥补施工效率较慢对工期的影响。