扩大头锚杆技术

Bwwcs工法：套管钻进，高压水两遍分序喷射扩孔，高压水泥浆喷射注浆，水泥砂浆置换注浆；
Acg工法：钻头钻进，高压水泥浆喷射注浆，水泥浆置换注浆；
Awcg工法：钻头钻进，高压水分序喷射扩孔，高压水泥浆喷射注浆，水泥浆置换注浆；
Awwcg工法：钻头钻进，高压水两遍分序喷射扩孔，高压水泥浆喷射注浆，水泥浆置换注浆；
在工法的设计开发过程中，经过多次现场试验和调整改进，为满足锚杆工程的高要求，该工法包含以下重要的概念和工艺：
（1）分序扩孔：根据现场土质条件和锚杆扩大头设计参数，进行分序扩孔，提高了喷射流束切割土体的效率，并且还可以采用多遍分序扩孔，逐渐加大扩大头的直径。
（2）完全置换：扩孔完成后，再进行高压注浆置换，以确保水泥浆能完全将泥浆置换出来，保证扩大头锚固体的强度。
Awwcs工法：钻头钻进，高压水两遍分序喷射扩孔，高压水泥浆喷射注浆，水泥砂浆置换注浆。
三、扩大头锚杆受力破坏机理
（一）锚杆按受力特点的分类
1、摩擦型锚杆
普通锚杆（等直径锚杆）的抗拔力来源于锚固体侧壁与土体的摩阻力，属于摩擦型锚杆。
2、摩擦－端压型锚杆
扩大头锚杆的抗拔力由三部份组成：非扩大头部份锚固段锚固体侧壁与土体的摩阻力，扩大头侧壁与土体的摩阻力以及土体对扩大头端部的压力，它属于摩擦－端压型锚杆。
G：极限平衡状态：锚杆拉力不断增加，塑性区形状和应力分布状态不断调整，使塑性区内所获得的围压Pc达到与周边土体密实度和埋深相对应的最大值，同时塑性区土体被压密至与这个围压相对应的临界密度，保持体积不变。这时，如果锚杆拉力再进一步增加，塑性区土体将发生剪胀，密度反而降低，扩大头位移发生一个突变，导致锚杆破坏。
二、钜联TM扩大头锚杆工法
1、工法原理
钜联TM扩大头锚杆工法的原理，是利用高压喷射流束在规定的位置定点切割锚孔孔壁土体，通过循环水或水泥浆将所切割的土体颗粒排出，形成大的空腔，然后注浆充填形成锚杆扩大头。扩大头的位置可以设置在锚杆的底部，还可以在锚固段的中部增设一个甚至多个，这些在施工工艺方面都可以实现。
（三）扩大头锚杆的受力破坏机理
以摩擦－端压型锚杆为例，考虑正常设计情况下发生扩大头端周土体破坏形式。根据理论研究，工程实测数据分析，并参考有关桩基破坏试验结果，扩大头锚杆的受力破坏过程和作业机理如下图所示：
(A)
(B)
(C)
(D)
(E)
(F)
(G)
图6：扩大头锚杆的破坏过程
A：锚杆拉力较小时，扩大头不受力，锚杆前半段受力。
24.27
14.46
4.65
位移(mm)
12
12
12
17
17
17
26
26
26
45
45
45
45
45
45
40
40
40
22
22
22
第四循环
荷载(KN)
100
300
500
700
800
700
500
300
100
油表(Mpa)
4.65
14.46
24.27
34.08
38.98
34.08
24.27
14.46
4.65
位移(mm)
B.基坑临近有建筑物，对变形要求高，可以采用扩大头锚杆限制位移。根据工程实例对比，比普通锚杆减小基坑位移50％以上。
（二）扩大头锚杆的破坏形式：
1、杆体破坏：深埋于稳定地层中的扩大头可以提供很大的锚固力，若锚杆杆体设计不当，锚杆杆体将被拉断或破坏；
2、扩大头与杆体咬合力破坏：当扩大头直径较大而长度较短，或者扩大头锚固浆体较差时，将发生扩大头与杆体之间的握裹力破坏，杆体将从扩大头中被拔出；
3、扩大头端周土体破坏：当锚杆杆体强度和杆体与扩大头之间的握裹力足够大时，将发生扩大头受压端周围土体的破坏。
加荷量(KN)
第一循环
荷载(KN)
0
100
----
----
300
----
----
----
100
油表(Mpa)
0
4.65
----
----
14.46
----
----
----
4.65
位Biblioteka Baidu(mm)
0
0
0
0
0
0
10
10
10
3
3
3
第二循环
荷载(KN)
100
300
----
----
500
----
----
300
100
扩大头技术在桩基工程应用很广，挖孔桩、钻孔扩底桩、夯扩桩已经是用得最多的主流桩型，早期爆扩桩也流行过一段时间。但是，扩大头技术在锚杆工程应用的例子则不多见。文［６］介绍了一例扩大头土层锚杆在基坑支护中的应用。其方法是钻孔成孔后，在孔底引爆炸药，在孔底形成大蒜头（Φ400mm左右）空腔，并在扩孔的同时将锚杆端部3Φ18钢筋张开伸入空腔中。该扩大头土层锚杆的极限抗拔力可达375KN，比该场地普通土层锚杆极限抗拔力大3倍以上。经过五年的探索和实践，我们成功地开发出了一套扩大头锚杆的施工工艺和方法，并在多个工程的应用中都显示出了钜力效果。我们把这种工法也叫做钜联TM扩大头锚杆工法。工程实践表明，该工法工程实践应用效果好，可靠性高，已具全面推广应用的条件。
（4）可靠性高。扩大头锚杆属于承压性锚杆，加之高压喷射对孔壁有明显的“加糙”作用，其可靠性比普通锚杆高。工程实践证明了这一点。
2、钜联TM扩大头锚杆的适用对象
（1）深基坑支护,特别适合于
A.深度大，土质条件差的基坑，当采用锚拉排桩或锚拉地下连续墙时，可以用一排扩大头锚索替代2～3排普通锚杆，经济效益显着，并且桩顶位移小；
油表(Mpa)
4.65
14.46
----
----
24.27
----
----
14.46
4.65
位移(mm)
3
3
3
12
12
12
22
22
22
20
20
20
12
12
12
第三循环
荷载(KN)
100
300
500
----
700
----
500
300
100
油表(Mpa)
4.65
14.46
24.27
----
34.08
----
22
22
22
28
28
28
37
37
37
50
50
5.0
55
55
55
55
55
55
52
52
52
45
45
45
30
30
30
第五循环
荷载(KN)
100
300
500
800
900
800
500
300
100
油表(Mpa)
4.65
14.46
24.27
38.98
43.89
38.98
24.27
14.46
4.65
位移(mm)
30
35
40
40
40
50
50
50
75
75
75
90
90
90
89
89
89
85
85
85
70
70
70
55
55
55
观测时间(min)
5
5
5
5
5
5
5
5
5
（图7）
试验结果表明，扩大头锚杆具有明显的预拉强化特征。
1、经过每一级循环预拉之后，锚杆的屈服强度提高，弹性工作拉力提高。在图7中，一个规律是，后一级循环的直线段最大，拉力值等于前一级循环的最大拉力值，即前一级循环把土体压密使其塑性变形消除了。这一特征具有很好的工程实用价值，当需要严格限制位移，我们可以通过多循环的预张拉消除塑性变形，提高锚杆的弹性工作拉力。
3、端压型锚杆
对于扩大头锚杆,当扩大头直径较大,扩大头长度较小时,扩大头所提供的端压很大,摩阻力所占比例很小,其受力特征属于端压型锚杆。锚杆与桩的一个不同在于，锚杆在锁定前都要经过1.0～1.1倍设计抗拔力的预张拉，我们在工程实践中发现预张拉能使扩大头的端压不断提高。因此，锚杆经过预张拉尤其反复预张拉后，端压所占比重很高，甚至由摩擦－端压型锚杆转化为端压型锚杆。
钜联TM扩大头锚杆技术
曾庆义()
一、前言
锚杆的抗拔力是锚杆工程最重要的技术经济指标，是锚杆施工技术水平最主要的参数。提高锚杆的抗拔力水平具有十分显着的技术经济价值。依靠增加锚固段长度来提高抗拔力是有一个限度的。文［1］
指出：１０m以内的锚固长度对提高抗拔力是有作用的，但超过１０m
并不合理。文［２］介绍的北京京城大厦基坑锚杆张拉应变图，拉拔力达到最大值时，锚杆应变峰值深度为９m，零应变深度为１４m（锚杆自由段４m），与文［1］观点吻合。锚固长度超过某个数值后，抗拔力并不能得到明显提高。这是因为，只有当前面的锚固段有了相当大的位移或者被破坏后，后面的锚固段才能发挥作用。规范［３］、［５］以１８米为锚固段的上限，对软土是合适的，对其它土层则是不合适的、不安全的。锚杆扩大头，无疑是提高锚杆抗拔力水平、减小锚杆变形的最好办法。规范［４］虽已将其作为一种结构形式列入，但是扩大头的实现却是一个最大的难点。
σ——约束核锥面上的正应力。σ值的大小与锚杆的设计工作状态、扩大头所在土层的物理力学指标、扩大头的埋深等因素有关。
六、扩大头锚杆的设计要点
1、钜联TM扩大头锚杆的特点
（1）扩大头直径可达到0.6～2.0m，所提供的抗拔力大；
（2）锚头位移小，特别适合于对位移限制要求高的地方；
（3）只要扩大头进入稳定地层一定深度，锚杆总长度可以很短；
T2———扩大头段侧壁摩阻所提供的抗拔力；
T2=πDlDτfD
D———扩大头直径；
lD———扩大头长度；
τfD——扩大头的侧壁摩阻力，采用高压喷射扩孔对孔壁有明显的加糙作用，可采用τfD＝1.2τf；
T3————扩大头端部压力所提供的抗拔力；
α＝45o－Φ／2；
φ———土体的内磨擦角；
C———土体的内聚力；
E：锚杆拉力继续加大，土体塑性范围扩大并连通，扩大头锚杆结束弹性阶段开始进入塑性阶段。
F：锚杆拉力继续加大，扩大头及其承压端形成的约束核（亦可称为压密核，为圆锥体）整体向前发生较大位移，在外围压力作用下，塑性区内土体得到压缩，并进行应力状态的调整和塑性区的调整。当扩大头埋深较大，土体较密实时，随锚杆拉力的增加，土体不断压密，锚杆位移趋于稳定，扩大头实现“自锁”。塑性区土体对扩大头的抗力随锚杆拉力的增加而增加。在砂土的三轴压缩试验中，当围压较大时，随轴向压力的增加和轴向变形的增大，土体被不断压密，当围压σ3大于土样初始密度所对应的临界压力Pc时，土体达到全塑状态后将发生剪缩，随着轴向压力的不断增加和轴向变形的增大，土体不断被压密，直至其密度增大到与σ3相对应的临界密度，这就是扩大头锚杆阶段性自锁的理论根据。
2、循环预拉力加载可以使锚杆的弹性工作拉力不断提高，还可以使锚杆的设计抗拔力不断提高。本次试验锚杆设计抗拔力450KN，极限抗拔力720KN，实际试验拉力达1000KN时锚杆并没有破坏。如果后续能继续循环向上加载（本次试验中由于钢垫板陷入砼墩无法继续加载），锚杆的弹性工作拉力和抗拔力还会不断提高。其力学机理与上节F图中所述的“自锁”现象吻合。这一规律还有待在今后的破坏试验中做进一步的研究。
以下几种工法，适用不同的土质条件、锚杆类型、扩大头直径和锚杆设计抗拔力水平。
Bcg工法：套管钻进，高压水泥浆喷射扩孔，水泥浆置换注浆；
Bwcg工法：套管钻进，高压水分序喷射扩孔，高压水泥浆喷射注浆，水泥浆置换注浆；
Bwwcg工法：套管钻进，高压水两遍分序喷射扩孔，高压水泥浆喷射注浆，水泥浆置换注浆；
30
30
34
34
34
40
40
40
60
60
60
69
69
69
68
68
68
65
65
65
55
55
55
35
35
35
第六循环
荷载(KN)
100
300
500
900
1000
900
500
300
100
油表(Mpa)
4.65
14.46
24.27
43.89
48.79
43.89
24.27
14.46
4.65
位移(mm)
35
35
（3）二次注浆：在砂卵石层和地下水流动较大的地方，在扩大头内进行高浓度的二次注浆，必要时可加适量速凝剂。
（4）充填砂浆：在锚杆扩大头直径大、抗拔力高的情况下，锚杆杆体与扩大头锚固体之间的咬合力将成为影响抗拔力的一个薄弱环节。为此，我们采用了高压砂浆泵灌注水泥砂浆（1：0.5～１）进行置换。
2.钜联TM扩大头锚杆工法
五、扩大头锚杆抗拔力计算公式
1、扩大头锚杆的力学模型
上述三种破坏形式中，以下针对的是第三种破坏形式，其力学模型见下图：
图7
2、锚杆抗拔力T由三部份组成：
T＝T1+T2+T3
其中T1———扩大头前锚固段侧壁摩阻所提供的抗拔力；
T1＝πdldτf
d———锚杆钻孔直径；
ld———锚固段长度；
τf——钻孔孔壁摩阻力；
四、扩大头锚杆的预拉强化特征
某工程抽取一根实际施工的工程锚杆进行了循环加载试验。该锚杆孔口埋深3m，倾角20°，锚杆全长18m，自由段8m，锚固段10m，（其中扩大头段长3m），钻孔直径Φ130mm，扩大头直径Φ550mm（根据基坑中心岛同深度同工艺扩大头试验锚杆之开挖实测直径）。锚杆所涉及地层为坡积土。循环加载试验预定最大拉力1000KN,分六级进行，按锚杆基本试验技术标准和要求进行。试验数据见下表，位移－拉力曲线见下图：
B：锚杆拉力增加，拉力传至扩大头段，扩大头段侧壁与土体产生摩阻力，扩大头端部不受力或受力较小。
C：锚杆拉力继续增大，扩大头的侧阻达到极限，扩大头开始产生位移，端部开始受压。
D：锚杆拉力继续加大，扩大头端部受压，土体产生局部塑性区。扩大头位移处于弹性阶段。压缩区土体强度由σ1＝γh,σ2＝σ3＝k0γh,摩尔园控制。