CN107044122A - 一种克服抗浮固定直径锚头或扩大头锚杆体系变形的工法 - Google Patents

Abstract

承压型固定直径锚头或扩大头锚杆施加预应力工法，钻孔钻进至设计深度，能够开展旋喷施工或机械扩孔施工，放下锚杆的拉杆与固定直径锚头或扩大头，扩大头到位后扩大机构将扩大头扩大至设计尺寸，然后高压注浆或灌注混凝土在扩体段和整个自由段成桩；锚杆中拉杆采用能施加预应力的螺纹钢筋；绑扎螺旋箍筋以及基底上的基础底板钢筋，绑扎过程中避免碰撞预应力钢筋；最后，支模浇筑基础混凝土基础底板。

Description

一种克服抗浮固定直径锚头或扩大头锚杆体系变形的工法

技术领域

本发明涉及固定直径或扩大头锚杆的施工工法，尤其是涉及一种地下工程应用技术。是一种克服抗浮固定直径或扩大头锚杆体系变形(包括杆体自由段弹性变形和扩大头锚固段的土体蠕变变形)的工法，也涉及承压型固定直径或扩大头锚杆预应力工法。

背景技术

固定直径或扩大头锚杆技术是一种新型的地下工程应用技术，符合国家倡导的“节能减排、绿色发展”精神。在解决地下室抗浮、基坑支护等方面，与一般传统工艺相比，更加的经济、环保；同时在工期与耐久性等方面，也有较大的优势。随着扩体锚杆技术的推广，越来越多的工程采用扩体锚杆技术进行地下室抗浮、基坑支护等。与此同时，大量的工程实践表明，锚杆的承拉力远大于普通锚杆，其变形位移的尺度大，因而在位移控制方面比传统的桩基础大，因此如何更好的控制锚杆的变形，是对扩体锚杆技术改进的一个重要方向。

现阶段扩大头抗浮锚杆解决变形方法存在的问题，大量的工程实践表明，直通或扩大头锚杆在变形控制方面比传统的桩基础大，因此如何更好的控制锚杆的变形，是对扩体锚杆技术改进的一个重要方向。

工程实际表明：承压型固定直径或扩大头锚杆的位移由杆体的弹性变形和扩体段的滑移(塑性变形)两部分组成。

锚杆扩体段的塑性变形及残余变形，与扩体段承受的端压力有关以及所在土层性质相关，与杆体采用的钢筋根数无关。

锚杆自由段杆体的弹性变形控制，杆体的弹性变形即钢筋的弹性变形主要由杆体钢筋的截面积、钢筋的弹性模量以及杆体的长度控制。轴向拉压变形公式:

Δl——弹性变形量

F_N——轴向拉力

l——锚杆自由段的长度

E——钢筋的弹性模量

A——钢筋的截面积

以南京某项目地下室抗浮锚杆为例，锚杆总长13m(其中锚杆普通段长10.0m，直径200mm；扩体段直径750mm，长3.0m)，抗拔特征值500KN的锚杆为例。抗拔锚杆理论弹性位移量计算表如下：

在极限荷载的状态下，锚杆的理论自由变形达51.75mm。

经过试锚试验，其在极限抗拔力作用下，锚杆的最大变形81.6mm，残余变形约31.3mm，则其发生的实际弹性变形为50.3mm。由此可见，锚杆的弹性变形占锚杆最大变形量的60％以上。

对于扩大头抗浮锚杆变形的控制，现阶段主要方法是通过后张法施加预应力来解决锚杆自由段的弹性变形，具体实施步骤是，在主体结构底板浇筑完成以后，在底板上开槽，通过底板作为施加预应力的支点，然后施加预应力完成后，再后浇开槽处混凝土完成锚杆锁定。这种变形控制的方法主要缺陷在于，需要在底板施工完成并达到设计强度后才能施加预应力，这样会大大延误工期，同时施加预应力时需要在主体结构底板上开槽，对主体结构产生不同程度的破坏，对地下室防水产生不利影响，同时对基坑降水要求更长，相对成本增加更多。未解决扩体段的塑性变形及残余变形的控制的方法。

发明内容

本发明目的是，提出一种一种克服抗浮固定直径或扩大头锚杆体系变形(杆体自由段弹性变形和固定直径或扩大头锚固段的土体蠕变变形)的工法，通过新的后张法施加预应力，从而达到控制承压型固定直径或扩大头锚杆工程实践中变形量的目的。本发明的目的还在于，还提出承压型固定直径或扩大头锚杆锚固段土体蠕变变形的控制的方法，使扩体锚杆的扩大头顶部土体产生挤压，从而减小锚杆工作状态下的土体蠕变变形,满足设计和规范要求。

扩大头抗浮锚杆解决变形方法，抗浮锚杆的变形由杆体自由段的弹性变形和扩体段承压端土体塑性变形两部分组成。本发明通过对这两部分变形的分析，提出一种新型的解决直通或扩大头锚杆变形的工法。

本发明的技术方案是，承压型固定直径或扩大头锚杆预应力工法，其特征是钻孔钻进至设计深度，能够开展旋喷施工或机械扩孔施工，放下锚杆的拉杆与固定直径锚头或扩大头(变直径钢筋笼或各种囊式扩大头、以及各种扩大头等)，扩大头到位后扩大机构将扩大头扩大至设计尺寸，然后高压注浆或灌注混凝土在扩体段和整个自由段成桩；锚杆中拉杆采用能施加预应力的螺纹钢筋；施加预应力的步骤如下：

①基坑开挖至基底并清理浮浆；并在锚杆顶部放置遇水膨胀止水胶条；

②浇筑混凝土垫层，再在锚杆顶部，埋入锚垫板；

③锚垫板上方螺纹钢筋上设置预应力螺母，与垫板、预应力钢筋机械连接，并及时旋紧预应力螺母，并用配套扭力扳手施加预应力至设计要求的变形位置。或用千斤顶施加预应力至设计要求的荷载，用锚具锁定。

④预应力螺母上施加保护装置指螺旋箍筋套在预应力螺母上，绑扎螺旋箍筋以及基底上的基础底板钢筋，绑扎过程中避免碰撞预应力钢筋；最后，支模浇筑基础混凝土基础底板。

通过将锚杆自由段直径加大(增至250～300mm，浇注混凝土等方式)，同时提高注浆体材料的强度，将其作为刚性微型桩，在保证桩身强度以及桩抗压承载力满足设计承载力要求的条件下，使其作为后续施加设计要求预应力的支座的工法；

在锚杆自由段注浆体达到设计要求的强度后，在锚杆顶部即刚性微型桩顶部放置锚垫板，后张法施加预应力：锚垫板放置完成后，再在锚垫板上方设置预应力螺母，与垫板、预应力筋机械连接，并及时旋紧预应力螺母，并用配套扭力扳手施加预应力至设计要求的变形位置。

施加预应力的大小：根据地下室抗浮计算时，计算的上浮水头放大1.05倍；抗浮计算锚杆的安全系数取K＝2.0；因此锚杆施加的预应力小于锚杆的特征值(最大变形长度)，且要大于常水位时所需要的锚杆抗浮力，综合考虑取承载力特征值的50-80％(根据设计变形要求确定)。

通过将锚杆自由段直径加大(增至250～300mm，浇注混凝土等方式)，同时提高注浆体材料的强度，将其作为刚性微型桩，

在锚杆自由段注浆体达到设计要求的强度后，在锚杆顶部放置锚垫板，后张法施加预应力。

进一步的，本发明同时提出承压型固定直径或扩大头锚杆锚固段土体蠕变变形的控制工法，高压注浆或灌注混凝土施工前在扩体段即扩大头顶部偏上的部位增加变形盒，再进行高压注浆或灌注混凝土；变形盒的竖向变形大于土体蠕变变形量；在施加设计需要的预应力时，同时变形盒上端的桩体侧摩阻力即微型桩承载力达到设计施加预应力要求值时，变形盒在设定的预应力作用下产生压缩变形，使扩大头顶部土体产生挤压，从而减小锚杆工作状态下的土体蠕变变形,满足设计和规范要求。变形盒的厚度在3-25cm,横截面积不大于锚杆桩刚性微型桩的面积。

有益效果，通过施加预应力，从而消除锚杆的变形量，可以很好的减少工程锚杆的位移。综合考虑，在保证桩身强度以及桩抗压承载力的前提下，一种克服抗浮直通或扩大头锚杆体系变形的工法，在桩段布置锚垫板，从而后张法施加预应力。本发明通过提高自由段注浆体的直径和强度，使其承载力达到设计所需要的施加预应力值，采用的后张法施加预应力，改进的常规施加预应力需要在底板上开槽再后浇的缺点，可以大大减小扩体锚杆自由段的变形量，同时本方案施工简单，对基础的施工基本无影响。对于提高扩体锚杆技术的安全性，有着积极的作用。

附图说明

图1为本发明开挖至基底并清理浮浆锚杆预应力筋安装并施作遇水膨胀的止水胶条的示意图；

图2为本发明基底1上浇筑混凝土垫层2并安装锚垫板6的示意图；即浇筑混凝土垫层，再在锚杆顶部，埋入锚垫板(直径250mm，厚16mm)；

图3为锚垫板上方设置预应力螺母的示意图；

图4为锚垫板上方设置锚板6-1和钢筋支模浇筑基础混凝土底板8的示意图。

图5为螺纹钢筋自由段形成混凝土微型桩7的示意图；

图6为锚垫板(直径250mm，厚16mm)结构示意图；

图7为施加变形盒的承压型直通或扩大头锚杆锚固段克服土体蠕变变形的示意图。

图8为预应力加变形盒的承压型直通或扩大头锚杆示意图。

具体实施方式

基底1、混凝土垫层2、预应力筋(螺纹钢筋)3、止水胶条4、预应力螺母5、锚垫板6(钢板厚16mm左右，直径200-300mm)、锚垫板上的螺纹钢筋孔6-2、锚板6-1、混凝土微型桩7、混凝土的底板8、混凝土的底板钢筋9、变形盒11(厚度30-200mm，直径比自由直径孔略小)、钢筋笼10可以是固定式(固定直径)或扩大头的结构,钢筋笼预应力筋(螺纹钢筋)3固定。

(一)预应力施加

在土层条件一定的前提下，通过施加预应力，从而消除锚杆的变形量，可以很好的减少工程锚杆的位移。综合考虑，本文将锚杆普通段直径(螺纹钢筋外周浇混凝土)加大(增至250mm)，将其作为刚性混凝土微型桩7，在保证桩身强度以及桩抗压承载力的前提下，在桩段布置锚垫板，从而后张法施加预应力。

(1)锚杆杆体采用C30混凝土，不考虑扩体段的端压力，经计算本项目杆体普通段可以提供的抗压承载力标准值(按照摩擦桩考虑)约为500kn：

(2)桩身强度设计值为：N＝fc*As＝14.3x3.14x0.25x0.25/4*1000＝701.6KN

综上所述，本工程桩身可以施加的预应力不大于500KN。

1、施加预应力的步骤如下：

①基坑开挖至基底并清理浮浆；并施作遇水膨胀止水胶条；

②浇筑混凝土垫层，再在锚杆顶部，埋入锚垫板(直径250mm，厚16mm)；

③于钢垫板上方设置预应力螺母，与垫板、预应力筋机械连接，并及时旋紧预应力螺母，并用配套扭力扳手施加预应力；

④绑扎螺旋箍筋套住螺纹钢筋及预应力螺母以及基础底板钢筋，绑扎过程中避免碰撞预应力钢筋，造成预应力损失；最后，支模浇筑基础混凝土的底板(保证整体性良好)。

2、施加预应力的大小

考虑地下室抗浮计算时，水头要放大1.05倍；抗浮计算锚杆的安全系数取K＝2.0；因此建议锚杆施加的预应力小于锚杆的特征值，且要大于常水位时，所需要的锚杆抗浮力，综合考虑取承载力特征值的50-80％。

列举的南京某项目，根据荷载---变形曲线，在施加250kn预应力时，其在极限抗拔力的状态下，锚杆的最大位移以及残余变形分别为60.2mm以及22.7mm；承载力特征值的荷载下，锚杆的最大位移以及残余变形分别为26.5mm以及14.2mm，其变形量完全满足结构设计的要求，且小于一般的桩基位移。

通过提高自由段注浆体的直径和强度，使其承载力达到设计所需要的施加预应力值，采用的后张法施加预应力，改进的常规施加预应力需要在底板上开槽再后浇的缺点，可以大大减小扩体锚杆自由段的变形量，同时本方案施工简单，对基础的施工基本无影响。对于提高扩体锚杆技术的安全性，有着积极的作用。

承压型固定直径或扩大头锚杆锚固段土体蠕变变形的控制，接前述自由段锚杆变形控制方法，施工前在扩大头顶部偏上的部位增加变形盒，在施加设计需要的预应力时，同时变形盒上端的桩体侧摩阻力达到设计要求值时，变形盒在设定的预应力作用下产生压缩变形，使扩大头顶部土体产生挤压，从而减小锚杆工作状态下的土体蠕变变形,满足设计和规范要求。

①基坑开挖至基底并清理浮浆；并施加遇水膨胀止水胶条；

②浇筑混凝土垫层，再在锚杆顶部，埋入锚垫板6-1(直径250mm，厚16mm)；

③于钢垫板上方设置预应力螺母，与垫板、预应力筋机械连接，并及时旋紧预应力螺母，并用配套扭力扳手施加预应力；

④绑扎螺旋箍筋以及基础底板钢筋，绑扎过程中避免碰撞预应力钢筋，造成预应力损失；最后，支模浇筑基础混凝土底板。

3、施加预应力的大小

浇筑混凝土垫层，再在锚杆顶部，放置锚垫板6(直径250mm，厚16mm)；变形盒11已经预先放置(如一个塑料空盒即可)。

于锚垫板上方设置预应力螺母，与垫板、预应力筋机械连接，并及时旋紧预应力螺母，并用配套扭力扳手施加预应力至设计要求的变形位置。或用千斤顶施加预应力至设计要求的荷载，用锚具锁定

在绑扎基础底板钢筋前，也可以利用预应力螺母进行二次张拉锁定，底板钢筋绑扎过程中避免碰撞预应力钢筋，最后支模浇筑地下室底板。

考虑地下室抗浮计算时，水头要放大1.05倍；抗浮计算锚杆的安全系数取K＝2.0；建议锚杆施加的预应力小于锚杆的特征值，且要大于常水位时，所需要的锚杆抗浮力，综合考虑取承载力特征值的50-80％(根据设计变形要求确定)。

列举的南京某项目，根据荷载---变形曲线，在施加250kn预应力时，其在极限抗拔力的状态下，锚杆的最大位移以及残余变形分别为60.2mm以及22.7mm；承载力特征值的荷载下，锚杆的最大位移以及残余变形分别为26.5mm以及14.2mm，其变形量完全满足结构设计的要求，且小于一般的桩基位移。

通过采用的后张法施加预应力，改进的常规施加预应力需要在底板上开槽再后浇的缺点，可以大大减小扩体锚杆的实践中的位移量，同时本方案施工简单，对基础的施工基本无影响。对于提高扩体锚杆技术的安全性，有着积极的作用，同时建议将施加的预应力的量定为特征值的50-80％。

(二)、抗浮锚杆扩大头锚固段土体蠕变变形控制

常规的扩大头抗浮锚杆变形控制方法一般均只能解决锚杆自由段杆体的弹性变形，而对扩体段的塑性变形及残余变形的控制则没有很好的解决办法，本文对传统控制固定直径或扩大头锚杆自由段杆体弹性变形的方法进行改进的基础上，同时提出一种对扩大头锚固段土体蠕变变形控制的方法。

接前述锚杆自由段杆体弹性变形控制方法，施工前在扩大头顶部偏上的部位增加变形盒，在施加设计需要的预应力时，同时变形盒上端的桩体侧摩阻力达到设计要求值时，变形盒在设定的预应力作用下产生压缩变形，使扩大头顶部土体产生挤压，从而减小锚杆工作状态下的土体蠕变变形,满足设计和规范要求。

以上所述仅为本发明的实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则和原理之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均已经包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.承压型固定直径锚头或扩大头锚杆施加预应力工法，其特征是钻孔钻进至设计深度，能够开展旋喷施工或机械扩孔施工，放下锚杆的拉杆与固定直径锚头或扩大头，扩大头到位后扩大机构将扩大头扩大至设计尺寸，然后高压注浆或灌注混凝土在扩体段和整个自由段成桩；锚杆中拉杆采用能施加预应力的螺纹钢筋；施加预应力的步骤如下：

①基坑开挖至基底并清理浮浆；并在锚杆顶部放置遇水膨胀止水胶条；

②浇筑混凝土垫层，再在锚杆顶部，埋入锚垫板；

③锚垫板上方螺纹钢筋上设置预应力螺母，与垫板、预应力钢筋机械连接，并及时旋紧预应力螺母，并用配套扭力扳手施加预应力至设计要求的变形位置或用千斤顶施加预应力至设计要求的荷载，用锚具锁定；

④绑扎螺旋箍筋以及基底上的基础底板钢筋，绑扎过程中避免碰撞预应力钢筋；最后，支模浇筑基础混凝土基础底板。

2.根据权利要求1所述的承压型固定直径锚头或扩大头锚杆施加预应力工法，其特征是通过将锚杆自由段直径加大，同时提高注浆体材料的强度，将其作为刚性微型桩，在保证桩身强度以及桩抗压承载力满足设计承载力要求的条件下，使其作为后续施加设计要求预应力的支座的工法；

在锚杆自由段注浆体达到设计要求的强度后，在锚杆顶部即刚性微型桩顶部放置锚垫板，后张法施加预应力：锚垫板放置完成后，再在锚垫板上方设置预应力螺母，与垫板、预应力筋机械连接，并及时旋紧预应力螺母，并用配套扭力扳手施加预应力至设计要求的变形位置。

3.根据权利要求1所述的承压型固定直径或扩大头锚杆预应力工法，其特征是施加预应力的大小：根据地下室抗浮计算时，计算的上浮水头放大1.05倍；抗浮计算锚杆的安全系数取K＝2.0；因此锚杆施加的预应力小于锚杆的特征值，且要大于常水位时所需要的锚杆抗浮力，综合考虑取承载力特征值的50-80％。

4.根据权利要求1所述的承压型固定直径锚头或扩大头锚杆预应力工法，其特征是承压型固定直径锚头或扩大头锚杆锚固段土体蠕变变形的控制法，在高压注浆或灌注混凝土施工前在扩体段即扩大头顶部偏上的部位增加变形盒，再进行高压注浆或灌注混凝土；变形盒的竖向变形大于土体蠕变变形量；在施加设计需要的预应力时，同时变形盒上端的桩体侧摩阻力即微型桩承载力达到设计施加预应力要求值时，变形盒在设定的预应力作用下产生压缩变形，使扩大头顶部土体产生挤压，从而减小锚杆工作状态下的土体蠕变变形。

5.根据权利要求4所述的承压型固定直径锚头或扩大头锚杆预应力工法，其特征是变形盒的厚度在3-25cm,横截面积不大于锚杆桩刚性微型桩的面积。