基坑工程自旋式可回收土锚设计和应用
摘 要:作为一种新型的基坑支护措施,自旋式可回收土锚在西安地铁基坑中使用,该种土锚采用等间距螺旋式锚叶,在安装过程中进行排土,对土层扰动较小。本文给出土锚的结构设计、详细的下锚方法和回收方法。通过对土锚的拉拔试验,证明了在西安地区自旋式可回收土锚完全可以满足基坑支护要求。
关键词:自旋式可回收锚杆;锚杆结构;下锚方法
1 引言
螺旋锚杆的系统研究工作始于20世纪50年代。1950年,W ilson在螺旋桩的承载力和桩的沉降方面进行了很多研究。A. B. Chance公司在输电线塔的基础工程中采用螺旋锚杆,1959年制定了第一个有关螺旋锚杆的标准—PISA(Power In-stalled Screw Anchors),随后根据不同工程的需要制定了不同系列的螺旋锚标准。早期原始的螺旋锚杆慢慢地演变成今天标准化生产的自旋式可回收锚杆[1]。
自旋式可回收锚杆在基坑维护结构的应用上具有以下优点:可以为施工提供一个开阔的环境,极大地提高了施工效率;施工便捷,操作简单,加快了施工速度;造价相对于常规土钉或锚杆要低的多; (可回收锚索每米380-400元人民币,可回收锚杆每米100元人民币);受力方面,只要将锚杆打入土体,即可承受土压力,常规锚杆需要砂浆凝固后方可受力,从这点上体现出我们支护方面的及时支护的观点。
2 土层锚杆的类型
天然土层中锚固方式以钻孔灌浆为主,一般称为灌浆锚杆,还有土钉墙锚固等形式。土层锚杆由受拉杆件和锚固体两部分组成,其作用机理是受拉杆件一端通过腰梁或压顶梁与围护桩(墙)联结,另一端将锚杆拉力通过锚固体握裹力传递到周边稳定地层中。灌浆土层锚杆由锚杆(锚索)、自由段、锚固段及锚头、垫块等组成。锚固段及锚头是抗拔力的提供者,其性能如何关系到锚杆的作用发挥程度[2]。
在较软弱的土层中使用土锚技术,由于土质较差,土的抗剪强度、承载力较低,造成变形过大,因此很多工程都是采用较密集的锚杆来增加锚固结构的承载力,并且控制结构物的变[3]形。目前国内外土层锚杆的类型主要有三种:圆柱型锚杆、连续球体型锚杆和端部扩大头型锚杆。圆柱型锚杆靠锚固体与周围岩土介质间的黏结摩阻强度传递结构物拉力,适用于各类岩石和较坚硬的土层作为临时性挡土结构,但拉力不高。连续球体型锚杆的锚固段是一连串球状体,与周围土体有较高的嵌固强度,一般适用于淤泥质土层并要求较高承载力的锚杆[4]。端部扩大头型锚杆则靠锚固体与土体间的摩阻强度及扩体处土层的端承强度来传递结构拉力,一般用于要求较高承载力的砂质土、硬黏土中[4]。
3 自旋式可回收锚杆
基坑自旋式可回收锚杆由煤层用自选锚杆发展而来,煤层专用自旋锚杆在近三年来已经用于煤矿巷道煤层顺槽支护,达到了很好的支护效果。在地铁基坑中试验应用,也达到了很好的支护效果[5]。
3. 1 自旋式可回收锚杆的结构
整结构的自旋锚杆的前端有特制钻头,用来顺利前进。末端有螺纹用来预紧托板。锚杆的参数需要根据岩土层的性质确定。
自旋式可回收锚杆的完整结构示意图如图2-1所示,使用时可以根据需要选择杆件各附件。
3. 2 自旋式可回收锚杆的下锚方法和回收方法
煤层用自旋锚杆安装时不需要用机械的方法强迫推进,利用人工方法稍加轴向推进力,锚杆即可拧入钻孔中,然后靠电钻回转力矩完成。自旋锚杆采用煤矿一般通用的电钻拧入,不需要冲击力。现阶段研制的自旋锚杆可以有效地应用于中等硬度以下的围岩中,锚固力一般在80kN以上。在回采期间,反转锚杆即被旋出,实现了锚杆回收再利用[6]。
土层自旋锚杆无需打孔,利用机械钻具直接将自旋锚杆强力旋进土体中。扭进过程中杆体所占空间的土体被强行挤压向周边分布,使得锚杆体近周围土体形成不均匀挤压区,强化了锚杆的锚固力。在一般砂土层中锚固力可以达到11kn/m以上。在古土壤中一般可以达到25kn/m以上。锚固效果非常理想。
3. 3 自旋式可回收锚杆试验
自旋锚杆土钉的初步试验在西安地铁2#线TJSG-4标深基坑支护,通常螺旋结构的土层锚杆需要有较大的锚叶片以保证有足够的面积形成阻力,这种旋片结构可以通过反向旋转回收,试验方法与结果如下:
(1)试验1
参数: ц32, ц36, ц50三种直径
1米长锚杆,不打眼用风扳机完全旋入。———锚固力30kN
2米长锚杆,不打眼用风扳机完全旋入。———锚固力30kN
2米长锚杆,先打ц28直径的眼,用风扳机完全旋入。———锚固力25kN
试验1结论:
使用风扳机旋入困难,要求5kN以上锚固力可能风扳机不能满足施工;
打眼与不打眼相比对锚固力有影响,但是不大;
锚固力与自旋体的长度有关,与锚杆杆体长度关系不大。
(2)试验2
参数: ц50,旋丝距25mm和50mm,采用潜孔钻机直接安装
3米长锚杆,不打眼采用潜孔钻机直接安装。———锚固力52kN
6米长锚杆,不打眼采用潜孔钻机直接安装。———锚固力125kN
12米长锚杆,不打眼采用潜孔钻机直接安装。———锚固力大于200kN
试验2结论:
采用旋丝距25mm和50mm对锚固力基本无影响,纯旋转安装施工工艺旋丝间距宜选较小值;
采用ц50规格的自旋锚杆在一般粘土中单位长度锚固力不小于15kN;
施工采用旋进扭矩大于1500nm钻机是较好的方案,安装速度较快,施工可靠；
锚固力与锚固长度成线性关系;
砂层中的锚固力明显高于土层;
采用潜孔钻机安装和拆卸都十分方便,能实现快速高效施工。
4 结论
通过西安地铁基坑支护中的试验,自旋式可回收锚杆可以为施工提供一个开阔的环境,极大地提高了施工效率;施工便捷,操作简单,加快了施工速度;造价相对于常规土钉或锚杆要低的多。
参考文献:
[1]韦正范,惠兴田,苏培莉.《自稳隐形拱的研究与应用.[J]》《矿业安全与环保》2006, (6): 38—40.
[2]惠兴田,韦正范.《自旋锚杆在巷道中的试验与研究》.《矿山机械》2006, (12).
[3]邓坤,惠兴田,韦正范.《自稳隐形拱在巷道支护中的应用》.《西安科技学院学报》2007, 1.
[4]惠兴田.基于《自稳隐形拱原理的锚杆支护设计》.《中国矿业》2007, 1.
[5]硕士学位研究论文.《自旋锚杆的研究分析与应用西安科技大学图书馆》2006年6月.
[6]惠兴田,朱国超,贾拴虎.《自旋锚杆荷载传递机理的数值模拟分析》.《矿业安全与环保》2008, (9): .
[7]钱家欢,殷宗泽.《土原理与设计(第一版). [M]》.北京:中国水利水电出版社. 1994.
[8]冯慧霞.《水环境下地裂缝对西安地铁的影响》.硕士学位论文.西安建筑科技大学, 2006.
[9]西北综合勘测设计研究院.《西安市城市快速轨道交通二号线工程初勘》, 2006.
[10]关宝树,扬其新.《地下工程概论[M]》.成都:西南交通大学出版社, 2001.
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