抗浮锚杆在流砂、圆砾层中的施工

摘要：文章阐述了抗震设计方法的转变，并介绍了两种不同设计方法的优缺点，对能量分析方法在抗震结构计算中的应用进行了分析。
　　关键词：推覆分析方法；结构能量反应分析，地震动三要素；耗散能量
　　
　　1前言
　　
　　某市新世界商业广场a区大厦设计为30层高，框架结构，地下室2层，其基础采用人工挖孔桩，经计算，基础抗浮不满足要求，采用锚杆抗浮方案。
　　
　　2抗浮锚杆的设计
　　
　　2．1设计参数：锚杆钻孔直径：171mm；杆体钢筋36mm；砂浆强度：m30；抗拔力设计值291kn/根(安全系数取2，即2×291＝极限抗拔力)；锚杆倾角：90°；锚杆长度8m；锚杆数量：65根。
　　
　　2．2设计要求：
　　成孔深度进入中风化粉质砂岩(2.5m、8.5m孔深)；
　　注浆方式：采用中25mm镀锌管(插入式)注浆，注浆压力宜控制在0.3～0.5mpa。
　　
　　2．3锚杆完工一周后进行现场抗拔实验。
　　2．4抗浮锚杆采用先插后注的施工程序。
　　
　　3工程地质条件
　　
　　000～0.10m为c10混凝土垫层；0.10～2.10m为砂层；2.10～4.20m为圆砾层(挖桩取出的圆砾粒径为5～20cm)；4.20～5.50m为强风化粉质砂岩：5.50～8.0m为中风化粉质砂岩。砂层和圆砾层均为含水层，钻孔揭开c10砼垫层后见地下水，钻孔之间可互通泥浆。
　　
　　4主要施工设施
　　
　　xy-1工程钻机，yzb8—注浆泵，hj200灰浆搅拌机以及171 mm三翼无芯组合钻具。
　　
　　5砂浆配合比
　　
　　水泥：细砂水＝1:3.73:0.82
　　水泥为p·o42.5普硅水泥，其加量为402kg/m。
　　
　　6存在的问题及解决办法
　　
　　根据锚杆设计口径，我们采用中171mm三翼无芯尖钻头泥浆钻孔。由于砂层和圆砾层无胶结性(施工前了解均含泥，具有胶结性)，钻穿砼垫层后即遇砂层和地下水，在回转钻机的搅动下产生动水压力而形成流砂，砂层部位垮孔严重，砼垫层下部已形成无法丈量的大肚(坛)。同时圆砾层钻进时不是被钻碎，而是被三翼无芯尖钻头挤裂或挤开，当钻孔达到设计孔深起钻后，钻孔空间又被垮坍的流砂及滚动的圆砾石回填。经采用浓泥浆和水泥浆也无法护孔。如此反复钻进了一个星期末出任何成果，建设单位和监理单位均露出了极不信任的口风，我们的压力越来越大。在此情况下，我们建议业主加大一级钻孔孔径(由171mm变更为219mm)，用219mm钢管隔离砂层，以保证终孔孔径不变。然而，加大孔径和护壁套(钢)管无疑增加了成本，业主不同意。我们只好另辟蹊径。在攻关会上，共找出下列几个问题：
　　
　　1、砂层的护壁问题：
　　2、圆砾层的捞取问题；
　　3、杆体钢筋的插入顺序问题(因杆头钢筋在井口按“7字形”成形后，其杆头横向长度有1m，钻孔终孔后若先下八成形钢筋杆体，锚杆注浆后砂层护壁套管口径小于钢筋杆头直径起不出来，务必造成每根锚杆都要一根套管井口护壁；若起出护壁套管后下人杆体钢筋，砂砾层将钻孔回填，镀锌注浆管和杆体钢筋无法插入，锚杆注浆工序无法完成)；

　　4、采取何种方式注浆(是采取镀锌管插入式注浆，还是采取软管杆体绑扎埋人式注浆)；
　　5、钻孔结构问题(若不加大一级钻孔孔径，砂层只能用设计口径的套管护壁，不能保证锚杆的设计口径终孔；若加大一级钻孔孔径，砂层可用大于设计口径的套管护壁，并能保证锚杆的设计口径终孔，但成本过高，而且我们远离基地，短期内采购和加工大一级的219mm套管，工期也不允许)。
　　针对上述问题，我们根据长沙市及其它地区的施工经验，经查看《工程地质勘察报告》中提供的单位面积摩阻力数据计算锚杆极限抗拔力后，向总承包单位、监理单位和建设单位申报了抗浮锚杆采用中171mm套管护壁、中130mm终孔和在垮坍砂砾层中进行埋人式注浆的施工方案，变更了抗浮锚杆的设计施工程序。监理单位和建设单位认为：埋人式注浆的有利因素是钻孔坍方无论坍到何种程度，都可以保证注浆工序的完成；不利因素是钻孔的直径太小，坍方的砂砾石留在孔内，小级直径锚杆和孔内砂砾石残碴对锚杆的杆体强度有多大的影响，在他们心中无底，变更方案不予以批准。而我们认为：埋入式注浆不仅不会降低锚杆的抗拔力，反而会提高锚杆抗拔力。因为埋入式注浆的浆液是从井底压至井口，浆液上返时包裹了垮坍的砂砾石，使单纯的注浆砂浆变成了混凝土，并且垮坍越大，砂浆包裹的范围越大，形成的混凝土块体越大，杆体周侧的摩阻力增大，相应增大了锚杆直径，因此锚杆的整体强度得以提高。同时只要做好清孔工作，将砂砾石残碴的泥土清出孔外，就能保证锚杆的杆体强度。在总承包单位的支持下，我们又向监理单位和建设单位递交了《工程质量保证书》和一切后果自负的承诺后方可继续施工。具体措施为
　　1、验算锚杆极限抗拔力：
　　根据垮坍大肚锚杆的特性，我们采用下列公式
　　对小于设计值的(p)30mm终孔锚杆进行了极限抗拔力的验算：
　　p＝f＋q＝∏d₃
　　式中：
　　p——锚杆极限抗拔力；
　　f——锚固体周边极限摩阻力；
　　q——锚固体受压面的极限抗压力；
　　d₁——锚固体直径；
　　d₂——锚固体大肚直径；
　　q——锚固体大肚部分受压强度；
　　a——锚固体大肚部分受压面积；
　　d₃——深度z₁、z₂处单位面积摩阻力(抗剪强度)；
　　l₁、l₂、z₁、z₃厂图示长度。经过验算，锚杆的极限抗拔力大于600kn/根，在理论上获得了可靠的依据。
　　2、用171 mm三翼合金尖钻头泥浆钻穿砂层后，井口下入2.50m长的中168mm套管。
　　3、改用小二级的130mm三翼合金尖钻头钻穿圆砾层后，换用中130mm活门合金钻头干钻捞取圆砾石。活门捞碴钻头为下部钻孔的顺利成孔起到了保证作用。钻头活门合金钻头制作时，先用3mm钢板卷制成圆形穿销活门，然后将活门穿销套㈣安夹在穿销支承的两侧，并以5mm的螺杆做穿销，依次将穿销支承、活门穿销套和穿销支承串穿一体，最后将两个穿销支承按图示位置焊连在钻头内壁上，使活门呈水平状态坠落在挡圈台阶上(7)。
　　操作时，活门合金钻头不开泵通水，钻孔孔壁没有受到冲洗液冲洗，加上千钻时钻具上下活动挤压孔壁，保持了孔壁稳定。同时砾石进入合金钻头后将活门顶开，使其向上翻跷，砾石及岩碴由钻头内壁进入岩芯管内；起钻时，活门靠其自重和岩碴下落的推力将钻头内壁封闭。
　　4、用中130mm三翼合金尖钻头钻进强风化粉质砂岩和中风化粉质砂岩至设计孔深。
　　5、插入绑扎注浆杆体
　　终孔后，考虑到起拔套管将引起砂砾层垮坍回填钻孔而无法下入注浆管，只有将插入式注浆改为埋入式注浆。埋入式注浆是将注浆管绑扎钢筋杆体上。成孔后，将绑扎注浆杆体事先插入钻孔内(7字杆头待起拔套管后在井口人工形成)，为防止起拔套管后，坍垮的砂砾堵塞注浆管底口。绑扎前，要在注浆管的底管下部(约1m长左右)的周侧用电钻钻入30@300的出浆孔，以保证被砂砾石埋日的注浆管能顺利出浆。埋人注浆管的内径为25mm(壁厚1.5mm)的软塑管，埋入时用14#扎丝将软塑管沿锚杆全长绑扎于杆体上，并在孔外留1m左右的富余长度，以连接注浆泵注浆。
　　6、起拔井口套管，移机重新成孔。
　　7、清孔井口套管起拔后，所成钻孔全被砂石封填，待批量出孔后，将注浆管连接预留在井口1m的软塑管，进行批量自来水清孔，宜井口溢出清水时停止。
　　8、注浆由于所有钻孔全被砂砾石封填，如继续按照配方注浆，孔内含砂量偏高，誓必难以保证m30的设计强度。因此施工时将配方砂量去掉，采用纯水泥注浆。待水泥浆达7d凝固强度后，将杆头弯成设计形状，锚杆施工完成。
　　
　　7治理效果
　　
　　施工时将65根锚杆分两批完成，最长注浆间隔时间为7d，从而大大地缩短了工期，抢回了被担搁的时间，按期完成了任务。经7d的强度检测，锚杆的抗拔力达到860kn/根以上，超过了设计要求。我们以小于设计值的终孔口径和采取埋入式的注浆方法，用水泥浆包裹垮坍砂砾石获取了大级口径锚杆的抗拔值，从而降低了成本，保证了工期和工程质量。