锚桩设计

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。