水泥沙浆锚筋桩实验.doc

砂浆锚筋桩的应用
提交日期：2004-04-07   浏览: 462
　　砂浆锚筋桩的应用
1.工程概述
1.1基本概况
小南海水库是1856年因地震山崩堵塞溪流形成的一座天然水库。其坝体材料以地震崩塌堆积的页岩、粉砂质页岩、块碎石夹孤石为主。沿垂线方向，其结构存在明显差异。根据天然坝体的物质组成和结构特征差异，坝体可分为以下四个区：
Ⅰ区为地震崩塌堆积物构成的上部坝体，位于高程EL663.40～659.00m以上，孤石含量较大，为28.1～56.5%，其结构松散，局部存在架空结构，抽水渗透系数39.38～176.31m/d,属强～极强透水层。
Ⅱ区为地震崩塌堆积物构成的下部坝体，分布于高程EL633.40～659.00m以下至高程EL608.47～622.41m之间。孤石含量比Ⅰ区明显减少，为0～18%。块碎石含量明显增加，孤块石粒径也明显较细，部分段被粉细砂或粘土充填，其结构较Ⅰ区密实，较少存在架空结构。抽水渗透系数6.53～60.80m/d，属较强～强透水层。
Ⅲ区为掩埋于地震崩塌堆积物之下的Ⅰ级阶地。其堆积物为粘土及粘土夹砾石，粘土呈塑～硬塑状，结构密实。
Ⅳ区为覆盖于天然坝上游坝坡的亚粘土～粘土构成的天然铺盖。
坝基岩体为志留系中统罗惹坪群第一段灰～灰绿色页岩，下伏基岩一般在高程EL600.00～613.00m。坝体渗漏点主要位于天然溢洪冲沟内，并分布在EL663.00～665.00m，EL639.70～643.20m，EL605.50～610.00m三个高程带上。
小南海水库位于重庆市黔江县境内，是黔江唯一的一座中型水库，经逐年开发利用，水库已具有城乡供水、灌溉、防洪、旅游服务等综合功能，在黔江的经济建设中具有极其重要的作用。由于天然坝体自身缺乏溢洪设施，长期以来的洪水自然溢流给天然坝体带来严重的安全隐患，天然坝体经水利部建设与管理总站专家组安全鉴定后，确定为三类坝。为确保大坝安全，充分发挥水库的综合功能，拟对小南海水库增设溢洪道。溢洪道设计为开敞式有闸控制溢洪道，主要由进水渠、控制段、渐变段、陡槽段、消力池和泄水渠等组成。
小南海水库天然坝体是国家级典型地震遗址保护区和全国防震减灾科普宣传教育基地，为尽可能地减少对地震遗址的破坏，溢洪道沿水库右侧的天然坝体溢洪冲沟布置，随弯就弯。但由于天然溢洪冲沟堆积的页岩、粉砂质页岩结构疏松，透水性强，抗冲刷及承载力较低。为了提高地基的力学强度和抗变形能力，设计在溢洪道的进水渠、控制段和渐变段的底板和边墙下面不同部位布置了300根砂浆锚筋桩，用于加固溢洪道的基础，维持溢洪道的稳定。
1.2锚筋桩的设计结构
锚筋桩是在现场钻孔内浇筑的钢筋混凝土桩。由于锚筋桩的直径一般都比较小，钢筋密集，因此常以灌注水泥砂浆代替混凝土。锚筋桩的结构主要由钢筋骨架、桩身砂浆和锚头混凝土组成。锚筋桩的桩头浇注在结构物的混凝土内，承受轴心拉力，可给建筑物施加沿桩孔方向的拉力，以维持建筑物的稳定，砂浆锚筋桩是处于被动受力状态。桩身结构按普通钢筋混凝土轴心受拉构件设计，钢筋骨架根据单桩设计承受荷载和桩孔直径大小设计。根据小南海工程地质特点，设计的砂浆锚筋桩结构为3根长12.0m，直径φ28mm的Ⅱ级钢筋均布于φ38mm钢管的外圆周上，在骨架的底部φ38mm钢管比φ28mm的钢筋高出30cm。骨架上端的钢筋弯折成30°角，端部弯曲成钩，以便使桩头混凝土内应力得以扩散。桩头埋入混凝土内的长度不小于30倍的钢筋直径。
锚筋桩的浆液灌注采用孔底升浆法，因此，利用骨架内的φ38mm钢管作为进浆管，至到回浆管回出与进浆相同浓度的水泥砂浆时进行压力灌注。
根据锚筋桩的骨架结构和单根锚筋桩设计的拉拔力400～600kN，将锚筋桩的钻孔直径设计为φ130mm。
2.砂浆锚筋桩试验
2.1施工方案的提出
采用锚固技术可以减少开挖和混凝土工程量，因此，目前砂浆锚筋桩已被各类工程广泛应用。鉴于类似小南海的地质条件下的砂浆锚筋桩施工，国内尚无先例，没有成熟的经验借鉴，难度很大。故在施工前先进行砂浆锚筋桩试验，用以论证该方法的可行性，可靠性及合理性。并通过试验提出成孔、灌浆施工工艺，灌注浆液的类别和配比，确认最小抗拉拔力等技术参数。为此，业主、设计、监理和施工四方根据设计要求并参照相关的资料进行了多次的商榷，拟定了三套试验方案，即选择一个试验区、布置4根砂浆锚筋桩，M1孔采用分两段先进行固结灌浆，然后扫孔插入锚筋，全孔一次灌注水泥砂浆；M2、M4孔采用一次钻进成孔后插入锚筋，全孔一次灌注水泥砂浆；M3孔采用一次钻进成孔后插入锚筋，全孔一次灌注纯水泥浆液。现场试验的工艺特性见表1。
表1 砂浆锚筋现场试验工艺特性
孔号 段次 孔径（mm） 孔深(m) 锚固段(m) 钻孔方式 灌（注）浆
方式 压力(MPa)
M1 1 φ150mm 2.5 10.0 清水回转钻进 先分段进行固结灌浆，然后全孔一次灌浆 0.45(0.45)
2 φ130mm 8.0 风动冲击钻进
M2 1 φ130mm 10.5 10.0 风动冲击，全孔一
次钻进成孔 全孔一次灌注砂浆 0.30(0.23)
M3 1 φ130mm 10.5 10.0 0.27(0.25)
M4 1 φ130mm 10.5 10.0 0.3(0.13)
说明:括号外压力为灌注砂浆的最大压力，括号内为开始抬动的临界压力。
2.2盖重混凝土
由于地震堆积体的松散性，为确保工艺要求的灌浆质量，因此，设计有厚度为0.5m的C15级盖重混凝土。
2.3钻孔施工
2.3.1钻孔
由于地震堆积体采用清水回转钻进难以成孔，为保证砂浆锚筋桩与地层的锚固力，钻孔又不能使用泥浆护壁。因此，我们对多种成孔工艺、成孔设备进行分析比较后，选用导轨式风动冲击钻机及配套的冲击器，作为砂浆锚筋桩的钻孔机具。当盖重混凝土的强度达到70%以上，开始钻孔施工。钻孔按照设计要求的孔位、孔径、孔深等进行。
2.3.2清孔
结合工程的实际地质条件，对没有地下水的钻孔，全部采用高压风进行了清孔；对有地下水的钻孔，因地下水已随着钻孔的钻进不断从孔内扬出，形成了对钻孔的冲洗。
2.4固结灌浆
根据试验方案要求，选择了一个砂浆锚筋桩孔分两段进行了固结灌浆。固结灌浆施工参照《水工建筑物水泥灌浆施工技术规范》执行。
2.5锚筋的制作与安装
锚筋全部在钢筋加工厂进行加工制作。钢筋与钢管采用断续焊焊接，每米焊接长度为5cm。钻孔结束并进行清孔后，将锚筋桩运至现场后采用吊装入孔。
2.6封堵孔口
根据工艺要求，锚筋桩入孔后，采用沥青麻丝和1∶1∶0.5（灰∶砂∶水，下同）的水泥砂浆封堵孔口。封堵深度根据设计要求和盖重混凝土的厚度确定，最小为0.3m。在封堵孔口时埋入一根1.0～1.5m长的φ25mm的钢管，作为灌浆时的回浆管。
2.7灌注
孔口封堵的水泥砂浆凝固一天后，开始进行灌注。
2.7.1灌注浆液
结合灌浆设备能力，实施前分别进行了1∶1.5∶0.45、1∶1.5∶0.5、1∶1∶0.5三种砂浆配合比的试验，其强度等级均能满足设计要求。实施过程中根据灌浆泵的自身能力采用了1∶1∶0.5的水泥砂浆。
2.7.2灌注
由于地震堆积体中的架空、渗漏通道较多，经常遇到单孔的灌注量很大的情况，为保证砂浆锚筋桩的质量，必须灌注到回浆管回出与进浆一样浓度的浆液。当回浆管回出与进浆相同浓度的浆液时，关闭回浆管上的阀门进行压力灌注。在升压过程中严格控制盖重混凝土的抬动值，以免损坏盖重混凝土（本次试验控制抬动值为+3mm）；当抬动值接近+3mm时，逐渐降低压力，直到不再出现抬动时进行稳压和结束。试验锚筋桩的灌注浆量见表2。
表2 试验锚筋桩的灌注浆量统计表
孔号 浆液类别 配合比 注入浆量(L) 灌入干料(kg)
M1 水泥砂浆 1∶1∶0.5 1389.7 水泥4540.3kg(含固结3345.2kg)、砂1195.1kg
M2 水泥砂浆 1∶1∶0.5 6028.8 水泥5184.8kg、砂5184.8kg
M3 纯水泥浆 1∶0.4 1964.5 水泥2718.7kg
M4 水泥砂浆 1∶1∶0.5 431.9 水泥371.4kg、砂371.4kg
合计 9814.9 水泥12815.2kg、砂6751.3kg
2.8结束标准
参照岩石锚杆、预应力锚杆等注浆结束标准，确定了砂浆锚筋桩试验的灌注结束标准，即逐渐提高灌注压力并控制盖重混凝土的抬动值在+3mm以内，当抬动值接近+3mm时进行降压灌注，压力降到盖重混凝土不再抬动时，继续灌注直到不在进浆时稳压3min结束。
2.9抬动观测
试验区左右两侧各设置一个抬动观测装置，试验过程中专职观测人员进行全过程抬动观测。从灌注过程看，大部分孔段出现了盖重混凝土抬动，但没有对盖重混凝土造成损坏，由此可见，抬动值控制在+3mm能够有效保护盖重混凝土不被损坏。抬动观测统计见表3。
表3 抬动观测统计表
孔号 段次 固结灌浆 灌注
压力(MPa) 抬动值（mm） 压力(MPa) 抬动值（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
说明: 压力及抬动值均为最大值。②括号内的压力值为开始抬动时的临界值。
3.现场拉拔及结果分析
3.1现场拉拔
参照岩石锚杆、预应力锚杆等拉拔试验的要求，在灌注浆液达到28天强度时进行现场拉拔检测。
3.1.1拉拔设备
拉拔设备选用YCD-2000型千斤顶和2YBZ2-50型电动油泵。千斤顶公称张拉力2000kN，油泵额定压力50MPa。拉拔设备投入使用前进行率定，并确定荷载与压力的换算关系。
3.1.2拉拔过程
⑴将安放千斤顶范围内的基础面清理干净，并正确、稳定安装千斤顶。
⑵千斤顶安装完毕后进行预紧，然后安装千分表并记录预紧后的千分表读数。
⑶拉拔时分级加载。每级加载荷载按预计极限荷载的1/15加载，本次试验每级加载80kN。
⑷每级加载后持荷稳压5min，并测记锚筋桩的变位量3次。
⑸持荷稳定的标准：持荷阶段连续3次累计变位量不超过0.1mm，即为稳定，否则延长持荷时间，继续测记变位量，直到稳定为止。
⑹卸荷也要分级进行。每级卸荷荷载为加载的3～4倍，本次试验每次卸荷300kN；每级卸荷稳压10min，测记不少于一次的变位量，荷载全部卸除后，再测读2～3次，读完残余变位量数值。
3.1.3破坏性拉拔
按设计要求，试验阶段在每根砂浆锚筋桩达到400～600kN后继续进行破坏性拉拔。破坏性拉拔时仍按预计极限荷载的1/15分级加载，直至破坏。
3.2拉拔结果与分析
3.2.1拉拔结果
拉拔结果见表4。
表4 砂浆锚筋桩拉拔结果汇总表
孔号 灌注次数 钻孔深度m 钻孔直径mm 锚固体长m 按设计荷载拉拔 破坏性拉拔 钢筋力学性能检测 龄期
d 施工部位
加载
kN 钢筋变
位mm 荷载kN 拉拔结果
M1 1 10.5 130 10.0 608.5 0.39 1110.6 钢筋拉断 极限强度
625MPa 24 试验区
M2 1 10.5 130 10.0 608.5 0.18 未作 28 试验区
M3 1 10.5 130 10.0 608.5 0.40 1150.7 钢筋拉断 28 试验区
M4 1 10.5 130 10.0 608.5 0.51 1010.2 钢筋拉断 28 试验区
1-M9 1 10.3 130 10.0 450 0 不作 28 主体一单元
由表4可见，试验阶段加载到608.5kN时锚固体均没有被破坏，其锚固力满足设计要求的400～600kN的拉拔力。从破坏性拉拔来看，拉拔力达到了三根钢筋的极限值时，钢筋被拉断，锚筋桩没有被拉出来，证明在地震堆积体中，锚筋与水泥砂浆的握裹力较高，而且锚筋桩与地震堆积体的摩擦阻力较高。
3.2.2拉拔检测结果分析
⑴孔口封闭、孔底升浆、压力灌注的工艺原理分析。能否提高地震堆积体中砂浆锚筋桩的拉拔力,关键在于砂浆锚筋桩的灌浆工艺。为此，我们参照岩石锚杆、预应力锚杆等的灌浆工艺，并结合本工程地质条件的实际情况，确定了采用孔口封闭、孔底升浆、压力灌注的工艺。这种工艺特点就是利用灌浆的挤压原理来形成锚固体与地层中孤块石的可靠粘结并扩大砂浆在松散体中的扩散、渗透范围，即当浆液灌满钻孔进行压力灌注时，在灌注压力的作用下，浆液冲破地层中的松散体并不断向周围扩散、渗透和挤压，从而形成直径较大的锚固体，同时砂浆又与地层中的孤块石粘结，就形成了较多的大小不等、形状各异的扩体，使其与周围地层形成可靠的摩擦阻力，也就可以提高锚固体的拉拔力。
⑵锚筋桩抗拉拔能力的分析。要使砂浆锚筋桩在天然地震堆积体中获得较高的拉拔力，现场试验之前，普遍认为是极为困难的。这主要是由于地震堆积体中松散体、砂窝（由粉细砂组成）较多，地层的可灌性差，设计单位认为砂浆锚筋桩试验成功与否是溢洪道工程能否正常实施的关键。在这类地层中若不形成锚固体的扩体也就难以提高锚固体在这类地层中的摩擦阻力，因此，采用常规锚杆灌注砂浆的工艺难以获得锚固体较高的拉拔力。但是，采用孔口封闭、孔底升浆、压力灌注浆液的工艺，解决了这个难题，因此，也就提高了锚筋桩的抗拉拔能力。
⑶这里需要说明的是：试验时选择了一根锚筋桩灌注1∶0.4（灰∶水，下同）的纯水泥浆液，其拉拔力也能满足设计要求，但由于1∶0.4纯水泥浆的造价要比1∶1∶0.5水泥砂浆的造价高30%，同时因纯水泥浆的收缩性较水泥砂浆要大，在灌浆压力较小时，锚筋桩的握裹力和摩擦阻力会受到一定的影响，因此，在主体工程实施中将以水泥砂浆为主。
综上所述，按上述工艺完成的砂浆锚筋桩完全可以在工程中应用，能够保证工程质量并有明显的经济效益。
4.砂浆锚筋桩施工
现场试验成功后即开始主体工程砂浆锚筋桩施工。为防止灌注砂浆时出现串孔，造成废孔，因此，主体工程施工时按照加密的原则进行施工。其工艺流程为：浇注盖重混凝土—→测量定孔位—→钻孔—→安装锚筋—→封堵孔口—→待凝—→灌注砂浆—→拉拔检测。
4.1盖重混凝土和定孔位
主体工程中设计有0.3m厚的盖重混凝土，砂浆锚筋桩的施工全部在盖重混凝土上进行。
主体工程的锚筋桩孔的孔位全部用仪器测量确定，确保锚筋桩孔位的准确以满足上部结构物的需要。
4.2钻孔
在主体工程施工中的砂浆锚筋桩孔均要遇到地下水，为减少地下水对地层的扰动造成掉块、塌孔等加大成孔的难度，对试验阶段的成孔工艺进行了优化调整，即采用导轨式风动冲击钻机跟套管钻进成孔，同时锚筋的端头部分在下入孔内前不进行弯曲成型并将φ38mm钢管更换为φ25mm钢管，以满足起拔套管的需要。钻孔孔径为φ130mm，孔深为10.3m。
4.3安装锚筋和封堵孔口
锚筋的加工制作、安装与封堵孔口的方式方法与试验阶段相同。
4.4灌注浆液
灌注浆液全部采用1∶1∶0.5的水泥砂浆。灌注砂浆的结束压力为0.3MPa。
4.5抬动观测
为确保盖重混凝土不被抬动破坏，在主体工程施工过程中每块盖重混凝土上布设一个深度为6.0m的抬动观测孔。在灌注过程中专职观测员全过程进行抬动观测。
4.6结束标准
当灌注砂浆的压力达到0.3MPa，继续灌注到不再进浆时稳压3min结束。
4.6拉拔检测
主体工程砂浆锚筋桩的拉拔检测由监理工程师随机抽样。按照设计要求的450kN的拉拔力进行拉拔检测，不再进行破坏性拉拔。从一单元拉拔结果来看，拉拔到450kN时锚固体没有出现任何的变化。
主体工程施工阶段拉拔时加载和卸载也分级进行。每级加载60kN，每级卸载150kN。加载、卸载的持荷时间和稳定标准与试验阶段相同。
5.结束语
5.1采用导轨式钻机一次钻进成孔的钻孔工艺，是解决地震堆积体或类似地层钻孔较好的工艺，其工艺简单、操作方便、成孔快、质量高。
5.2砂浆锚筋桩是解决地震堆积体或类似地层基础加固的又一项有效的措施。
5.3孔口封闭、孔底升浆、压力灌注砂浆的工艺，是提高砂浆锚筋桩拉拔力和确保砂浆锚筋桩工程质量的有效手段。从现场试验和主体工程施工中的拉拔结果来看，试验阶段的破坏性拉拔的拉拔力达到了三根钢筋的极限拉力后将钢筋拉断，锚固体没有被破坏，主体工程的拉拔检测的拉拔力达到设计要求的450kN后，锚固体没有被破坏。
5.4采用1∶1∶0.5的水泥砂浆既能满足设计要求又能满足设备的输送要求