压应力分散型扩大头锚杆的研究与应用

杜明祥 周建明 程良奎

1.苏州市能工基础工程有限责任公司 苏州 215011；2.冶金部建筑研究总院 北京 100088

1 压应力分散型扩大头锚杆原理及锚固承载机理

压应力分散型扩大头锚杆的机理是，采用改良的高压喷射工艺，形成φ600～φ800 mm的旋喷注浆体，将预先由工厂制作且附有分散承载板（合页夹或钢板）的无黏结钢绞线锚杆杆体放置于钻孔内，当旋喷注浆体固结硬化达到设计要求的强度时，即形成具有高承载力的压应力分散型扩大头锚杆。这种锚杆的锚固机理有如下特点[1]：

锚杆锚固段直径由150 mm增至600～800 mm，可以充分发挥变截面处的端承压力。是锚杆抗拔承载力提高的最主要因素，占到锚杆总抗拔承载力的60%～70%。

锚杆锚固段直径由150 mm增至600～800 mm，使单位长度锚固段旋喷注浆体与土体的接触面积增加了4～5.3 倍，从而提高了旋喷注浆体的侧摩阻力。

扩大头锚固体形成了以支承力为主、摩阻力为辅共同作用的复合承载体系。

承压板巧妙地分散分布于锚固段内的不同部位，增加了承压面积，可大幅度减小锚固段旋喷注浆体的压应力，能够有效抑制在高张拉荷载条件下旋喷体的局部压碎和剪切破坏（图1、图2）。

图1 锚固体大样1

图2 锚固体大样2

2 压应力分散型扩大头锚杆的拆芯回收

压应力分散型扩大头锚杆实现拆芯回收有2 种较为成熟的方法。

第1种方法是结合热熔锚具方法，如图1、图3所示，其锚具即是热熔锚具，在锚杆使用阶段，它在锚固段锁定住钢绞线，通过锚具限制承压板压在锚固体上实现锚杆的承载力；锚杆使用阶段结束后，通过通电热熔的方式破坏锚具内部的结构，钢绞线就可以轻易地抽出，实现拆芯回收。

图3 结合热熔锚具方法

第2种方法是结合合页夹方法，如图2、图4所示，其端头为合页夹，合页夹处于锚固段，钢绞线穿过合页夹，形成一个大直径的回转体。钢绞线包裹住的合页夹能够提高很大的端承力，稳定性很高。在锚杆使用功能结束后，通过抽拉钢绞线的一端，即能够轻易将整根钢绞线拆除回收。

图4 结合合页夹方法

3 压应力分散型扩大头锚杆在永久性结构中的应用

压应力分散型扩大头锚杆杆体结构的外层部分全部采用防腐材料构成，完全符合永久性锚杆的技术要求，并且锚固体处于受压状态，其受压强度会随时间继续增长，耐久性好，非常适合使用在抗浮结构和永久性边坡工程当中[2]。

4 压应力分散型扩大头锚杆在基坑围护结构中的应用

在基坑围护结构中，使用压应力分散型扩大头锚杆的桩锚结构与桩结合混凝土内支撑相比，具有明显的经济效果和工期优势，因为压应力分散型扩大头锚杆的承载力比传统锚杆大1.5～2 倍，同时稳定性很高，且随时间的延长，锚杆的抗拔承载力会持续增长，桩锚结构的安全储备较大[3]。压应力分散型扩大头锚杆有条件实现高初始预应力，可以达到设计值的80%～110%，同时锚杆绝大部分长度都是自由度，所以能够实现“点到点”的张拉锁定，能够有效地控制基坑的变形和位移。

同一个工程，在基坑围护中使用这种桩锚结构会比使用桩结合混凝土内支撑结构节约大量造价，且工程面积越大，节约量越多[4]。而且，使用这种桩锚结构，基坑处于一个敞开式的开挖和结构施工环境，大大提高了功效，缩短了工期[5]。

5 压应力分散型扩大头锚杆应用实例

5.1 结构概况

本工程位于徐州市繁华商业中心，北侧为中枢街及中央百货大楼，西侧为中山南路，南侧为青年路，东侧为彭城路，基坑面积约为26 929 m2，周长约为634 m。本工程包括地上2 栋300 m高层建筑及9 层裙房；地下均为4 层，分别为商业、停车场。

基坑开挖深度：本工程采用标高均为黄海高程，自然地坪标高为33.85 m。基坑开挖深度根据底板垫层底标高确定，地下室底板垫层底标高为14.25 m，故开挖深为19.6 m。主楼区域底板垫层底标高为10.75，故开挖深为23.1 m。

5.2 水文地质情况

根据《徐州中央国际广场C地块基坑勘察报告》（编号：KC11013），将本次在基坑开挖深度范围内所遇各土层结构特征自上而下分述如下：

上层滞水，含水层为①杂填土，水位埋深1.0～3.0 m不等，局部水量较丰富；

潜水，含水层为③层老城填土，水量不丰，水位埋深平均2.80 m；

承压，⑤1层含砂姜黏土，砂姜富集连通，具有赋水性、导水性及弱承压性，水头埋在12～12.5 m之间。

5.3 周边环境

拟建工程位于徐州市繁华商业中心， 建筑场地狭小，周边环境较复杂，建筑物占据整个广场，四面皆临道路，道路下管线密布，且在西北侧有现存6 层建筑1 幢，正在营业，需严加保护。

5.4 基坑围护方案

综合考虑工程地质、水文地质和周边建筑情况，确定基坑为一级基坑，对基坑的稳定性要求比较高。根据基坑围护的经验和本工程的特点，本基坑可采用灌注桩+混凝土内支撑或者灌注桩+预应力可拆芯锚杆方案。

采用第1套方案时，工程的安全性高，但工程造价较高，且工期很长，混凝土用量大，由于工程所处为闹市区，施工场地狭小，混凝土结构的施工受影响较大，且混凝土内撑在拆除时，会产生大量的噪声和粉尘，对环境影响非常大。

若采用第2套方案，施工比较灵活，可以根据现场实际情况进行预应力的设置，因此基坑同样比较安全，位移控制亦较好。不仅工程造价比混凝土内支撑较低，而且采用预应力锚杆结构时，锚杆可以穿插在工法桩施工时进行。基坑围护处于敞开式，对土方的开挖非常方便，不需要像混凝土内撑结构一样采用长臂挖机掏土。在主体结构施工时也不受外界影响，锚杆的拆芯回收完全不占用总工期，且拆芯时无噪声、无粉尘，弊端是对预应力锚杆的施工质量要求较高。经测算，第2套方案在保证基坑安全的情况下，能够节约1 200 万元工程造价。

综上分析，决定本工程基坑围护方案采用钻孔灌注桩+压力分散型扩大头锚杆的支护方案（图5～图7）。采用三轴搅拌桩作止水帷幕，使用管井进行降水。

图5 拉锚平面

图6 拉锚剖面

图7 施工现场

本方案预应力可拆芯锚杆长度为16～35 m，除扩大头锚杆外全为自由段，扩大头段长度为3.0 m，φ800 mm，水平间距为1.2 m、2.4 m间隔布置。可回收预应力锚杆张拉值为500～950 kN，锁定值300～570 kN。采用6φ15.2 mm无黏结钢绞线。

5.5 预应力可拆芯锚杆基本实验和检测验收

按照地质情况，总共对4 组16 根锚杆进行了基本试验，极限抗拔力达1 250 kN，最小1 066 kN；最大位移量207.41 mm，最小仅116.26 mm，实验结果均满足设计要求。紧接其后，按照设计对锚杆进行验收检测，亦全部达到设计要求。

5.6 基坑监测和锚杆的拆芯回收

根据基坑监测情况，基坑支护过程中，桩顶位移变形仅12.5 mm，桩身位移14 mm，基坑西北侧的徐州百货大楼楼体和周边道路均未出现任何裂缝或变形现象。

本工程在底板和结构楼板处传力带施工完毕并达到设计要求后，即开始拆除回收相应的上层锚杆。在拆除过程中，同一层楼板以上的主体结构同步分段进行。拆除时，使用自动回收机抽拉钢绞线，整个回收过程不需要人力干预，劳动强度低，且回收过程无噪声、无粉尘等危害。目前，除第1道锚杆外，其余已全部回收。

6 结语

压力型锚杆与普通拉力型锚杆相比，具有承载力高、稳定性好等显著优点，特别是在结合热熔锚和合页夹拆芯技术后，又实现了筋体的可拆芯回收功能，使锚杆优势进一步扩大[6]，不仅可在基坑周边环境紧张时能够发挥锚杆的特点，避免了因为锚杆杆体超出红线无法使用的问题，且大大节约了工程造价、加快了工程进度[7]。因此，压应力分散型扩大头锚杆必将逐步取代常规拉力型锚杆，为我国建筑业实现绿色、环保、节约贡献一份力量。