（岩土工程专业论文）新型浆囊袋土钉技术及工作机理研究.pdf

独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得逝婆盘堂或其他教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表 示谢意。 学位论文作者签名：铜丽 签字日期： z d 口年6 月石e l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝鎏苤堂 有关保留、使用学位论文的规定，有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权堂 姿盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：彳巧罚 导师签名： 签字日期：20 o 年多月日 签字日期：刃加年月日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 电话： 浙江大学硕士学位论文 致谢 致谢 瑾以此文献给我的父亲、母亲、妹妹。感谢父母对我的养育之恩和亲人在我成长过程 中一直给予的支持、鼓励和关爱。 本论文是在我的导师俞建霖副教授的悉心指导下完成的。从论文的选题到最后答辩， 每词每句，每个标点符号都凝聚着导师的诸多心血。能够列于导师门下我感到非常自豪， 俞老师用他渊博的学识、开阔的眼界、严谨的治学态度和丰富的实践经验引导着我步入专 业的领域，令我终生受益。导师开明豁达，踏实严谨，平易近人，对我学习和生活等诸方 面给予了无微不至的关怀和帮助，令我在完成学业的同时，也更明白了许多做人做事的道 理。在此向俞老师表示衷心的感谢和诚挚的敬意! 本论文的顺利完成，得益于课题组龚晓南教授的指导和关心，龚老师高深的学术造诣 和虚怀若谷的为人处世风格对我影响颇深并使我终生受益，在此向龚老师致以崇高的敬 意! 同时，感谢课题组的徐日庆教授、温晓贵副教授、周建副教授、韩同春副研究员的关 心和帮助，课题组愉快相处和团结互助的氛围，为本文的完成提供了良好的学术环境。另 外在论文的有限元计算过程中，曾经向交通所王金昌副教授请教诸多问题；在现场试验时， 曾得到浙江浙峰岩土工程公司厉瑞祥工程师的大力帮助，在此一并表示衷心的感谢! 还要感谢浙江世贸建筑科技研究院有限公司的崔新明教授级高工和应建新高工的支 持和帮助，感谢刘红岩、吕文志、郑伟、张文龙、刘超、李坚卿、彭永飞等师兄弟的帮助， 感谢李征、朱剑锋、李瑛、贾官伟、申文明等师兄，感谢室友胡建荣、吴勇华、单振东。 感谢岩土0 7 硕士班的刘骏龙、荆子菁、黄东等全体同学，感谢所有引用参考文献的作者。 感谢伍云利的理解和支持，与你携手的路上，我满怀信心和热情迎接挑战。 感谢曾给过我支持和帮助的所有人! 最后，感谢评阅、评议和出席答辩会的各位专家、教授，感谢他们在百忙之中给予的 指导，他们建设性的意见将是进一步工作的重要指导。 何萌 2 0 1 0 年5 月于求是园 浙江大学硕士学位论文 摘要 摘要 土钉支护具有施工设备轻便，操作方法简单，施工速度快、材料用量少、成本低等的 优点，在基坑工程中得到了广泛的应用。但在软土地基中，由于软粘土自身强度较低，常 规土钉施工时注浆可控性差，土钉抗拔力小，施工质量难以保证等原因，因此大大限制了 其使用范围。另外，土钉末端往往超出用地红线以外，成为今后临近地下管线或建筑物施 工的地下障碍物。如果能将土钉回收并进行反复利用，也可以节约大量材料，降低工程造 价，取得很好的经济效益。 论文主要开展以下几个方面的工作： 1 研究了浆囊袋注浆扩孔土钉新技术。采用该工艺施工的土钉抗拔力高、施工质量 易控制，特别适合于在软土地基中使用。 2 研究了新型可回收土钉新技术，达到了提高抗拔力和注浆可控性，并回收筋材的 目的。 3 开展浆囊袋注浆土钉和可回收土钉的现场抗拔试验及其承载特性研究，并提出了 二种新型土钉的极限抗力计算方法。经与实测值比较，计算值与实测值吻合较好，且偏于 安全。 4 应用a b a q u s 有限元软件分别建立拉力型土钉、压力型土钉、拉压分散型土钉的 三维有限元分析模型，通过对算例的数值模拟结果来研究荷载的传递规律，并分析了荷载 水平、注浆体长度、注浆体直径、土体参数等因素对土钉应力分布的影响。 关键词：土钉；浆囊袋；注浆扩孔；筋材回收；数值分析 h 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t s o i ln a i l i n gh a sb e e nw i d e l yu s e di nf o u n d a t i o np i te n g i n e e r i n gw i t hi t sa d v a n t a g e ss u c ha s l i g h tc o n s t r u c t i o ne q u i p m e n t ，s i m p l eo p e r a t i o n ，f a s tc o n s t r u c t i o n ，l i t t e rm a t e r i a ld o s a g e ，a n dl o w c o s t t h es t r e n g t ho fs o f tc l a yi sl o w , t h ec o n t r o l l a b i l i t yo fg r o u t i n gi nc o n v e n t i o n a ls o i l n a i l i n gc o n s t r u c t i o ni sp o o r ，p u l l o u tr e s i s t a n c eo fs o i l n a i li s w e a k ，c o n s t r u c t i o nq u a l i t y a s s u r a n c ei sd i f f i c u l ta n do t h e re l s e ，w h a tm a k e ss o i ln a i l i n gu s i n gg r e a t l yl i m i t e d i na d d i t i o n , t h es o i ln a i l sa r eo f t e nb e y o n dt h ee n do fr e dl i n e ，s oi tw i l lb e c o m ea no b s t r u c t i o nf o rf u t u r e c o n s t r u c t i o no fu n d e r g r o u n dp i p e l i n eo rb u i l d i n g sn e a r b y i ft h es o i ln a i l sc a nb er e c y c l e da n d r e u s e d ，m a t e r i a l sc a na l s ob es a v e dal o t ，p r o j e c tc o s tw i l lb er e d u c e d ，a n dg o o de c o n o m i c b e n e f i t sw i l lb ea c h i e v e d t h e s i sw o r kc a r r i e do u ti nt h ef o l l o w i n ga r e a s ： 1 s t u d yt h en e ws l u r r yg r o u t i n gp o c k e tr e a m i n gs o i ln a i lt e c h n o l o g y w i t ht h i sn e wt e c h n i q u e ， t h es o i ln a i l sc a i lr e c e i v eab e t t e rp u l l - o u tr e s i s t a n c ec a p a c i t y , b e t t e rc o n s t r u c t i o nq u a l i t y m a n a g r n e n t ，a n di ti sp a r t i c u l a r l ys u i t a b l ef o ru s ei ns o f tg r o u n d 2 s t u d yt h en e wr e c y c l i n gt e c h n o l o g yt oe n h a n c et h ep u l l o u tf o r c ea n dg r o u t i n gc o n t r o l l a b i l i t y o fs o i ln a i l ，a n dt oa t t a i nt h ep u r p o s eo fr e c o v e r yo fr e i n f o r c e m e n t 3 c a r r yo u tt h ed h s i t ep u l l o u tt e s t i n ga n ds t u d yo fb e a r i n gp r o p e r t i e so fs l u r r yg r o u t i n go fs o i l n a i l sa n dr e c y c l i n gn a i l s ，a n dp r o p o s e dt w on e ws o i l n a i lu l t i m a t er e s i s t a n c ec a l c u l a t i o n c a l c u l a t e dv a l u e sa g r e ew e l lw i t ht h em e a s u r e dv a l u e s ，t h e r e f o r ei ti so nt h e s a f es i d ef o r p r a c t i c a la p p l i c a t i o n 4 a p p l i n ga b a q u sf i n i t ee l e m e n ts o f t w a r et oe s t a b l i s ht h r e ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sm o d e l s ： p u l l t y p es o i ln a i l ，p r e s s u r e t y p es o i ln a i la n dt e n s i o n - c o m p r e s s i o nn a i l t os t u d yt h et r a n s f e r l a wo fl o a dt h r o u g hw i t hn u m e r i c a ls i m u l a t i o ne x a m p l e s ，a n da n a l y z e dt h ee f f c to fl o a dl e v e l ， l e n g t ho fg r o u t i n g ，g r o u t i n gd i a m e t e ra n ds o i lp a r a m e t e r so ns w e s sd i s t r i b u t i o no fs o i ln a i l s k e y w o r d s ： s o i ln a i l i n g ；s l u r r yp o c k s ；g r o u t i n gr e a m i n g ；r e i n f o r c e m e n tr e c o v e r y ；n u m e r i c a l a n a l y s i s i l l 浙江大学硕士学位论文 目录 目录 j i t 谢i 摘要i i a 】 ；s l r 】 i a l ：t i i i 目录i v 第1j i 绪论1 1 11 前言1 1 2 土钉支护的技术简介及在软土地基中存在的问题l 1 2 1 土钉支护技术简介1 1 2 2 土钉支护在软土地基中存在的问题2 1 3 新型锚固技术研究现状3 1 3 1 压力分散型锚固体系的研究现状3 1 3 2 拉压分散型锚固体系的研究现状5 1 3 3 可回收锚杆的研究现状6 1 4 本文主要工作7 第2 章浆囊袋注浆土钉施工技术研究8 2 1 前言8 2 2 工艺特点8 2 3 工艺原理8 2 4 施工工艺流程及操作要点9 2 4 1 施工工艺流程9 2 4 2 操作要点9 2 5 材料与设备1 4 2 5 1 材料1 4 2 5 2 设备15 2 6 质量控制1 6 i v 目录 v 17 17 18 18 19 19 19 ：! ( ) 。2 2 。2 3 ：! q i ：! z i ：! z i ：1 2 i ：1 8 4 3 浆囊袋注浆土钉极限抗力计算方法。3 3 4 4 计算值与实测值对比分析。3 4 4 5 小结。3 5 第5 章新型可回收式土钉承载特性研究3 6 5 1 前言- 3 6 5 2 新型可回收土钉承载机理3 6 5 3 新型可回收土钉极限承载力试验研究3 7 5 3 1 试验概况。3 7 5 3 2 主要试验结果3 7 5 4 新型可回收土钉极限抗力计算方法。3 8 5 4 1 压力型可回收土钉极限抗力计算方法3 8 5 4 2 拉压分散型可回收土钉极限抗力计算方法3 9 浙江大学硕士学位论文 目录 5 5 计算值与实测值对比分析4 0 5 6 月、结。4 l 第6 章拉力型土钉有限元分析。4 2 6 1 有限元模型建立4 2 6 1 1 基本假定4 2 6 1 2 边界条件4 2 6 1 3 计算参数4 2 6 1 4 单元选取4 2 6 1 5 接触条件。4 3 6 1 6 网格划分4 3 6 2 拉力型土钉算例计算结果分析。4 3 6 3 拉力型土钉应力分布影响因素分析4 5 6 3 1 荷载作用水平对应力分布的影响4 5 6 3 2 不同锚固段长度对应力分布的影响4 6 6 3 3 不同注浆体直径对应力分布的影响4 8 6 3 4 土体参数对应力分布的影响。4 9 6 4 小结51 第7 章压力型土钉有限元分析5 3 7 1 有限元模型建立5 3 7 2 压力型土钉算例计算结果分析。5 3 7 3 压力型土钉应力分布影响因素分析5 4 7 3 1 荷载作用水平对应力分布的影响5 5 7 3 2 不同注浆体长度对应力分布的影响5 6 7 - 3 3 不同注浆体直径对应力分布的影响5 7 7 3 4 土体参数对应力分布的影响5 8 7 4 小结5 9 第8 章拉压分散型土钉有限元分析6 0 8 1 有限元模型建立6 0 大学硕士学位论文 目录 v 8 2 拉压分散型土钉算例计算结果分析6 0 8 3 拉压分散型土钉应力分布影响因素分析6 2 8 3 1 荷载作用水平对应力分布的影响6 2 8 3 2 不同注浆体长度对应力分布的影响6 3 8 3 3 不同注浆体直径对应力分布的影响6 5 8 3 4 承载头作用不同位置对应力分布的影响6 6 8 3 5 土体参数对应力分布的影响6 8 8 4 小结。7 0 第9 章结论与建议。7 1 9 1 本文主要结论7 1 9 2 开展进一步工作的建议7 3 参考文献7 4 作者简历及攻读硕士学位期间所取得的科研成果7 9 浙江大学硕士学位论文 第】章绪论 第1 章绪论 1 1 前言 随着中国经济的发展，城市化水平正在迅速提高，其结果是城市数量的不断增加与城 市规模的急剧扩大。当今世界，发达国家己把对城市地下空间的开发利用作为解决城市人 口、资源、环境三大危机的重要措施。我国也正在实施城市的可持续发展，开发利用城市 地下空间是一条重要途径。城市地下空间的开发利用，也成为衡量城市现代化的重要标志。 开发利用城市地下空间必然涉及岩土深基坑围护问题，深基坑围护技术已成为高层建筑等 工程建设中的难点和热点，越来越受到工程界和学术界的重视。 目前我国深基坑工程的支护方法较多，常用的方法多为传统的支护技术，例如人工挖 孔桩、机械钻孔桩、钢板桩、钢管桩、支撑围护结构、地下连续墙等支护技术。其特点为 支护结构依靠自身的结构刚度和强度被动的承受着土压力，限制土体的变形，从而达到保 持边坡安全稳定的施工要求。但这种支护方法造价高、工期长、施工难度大，其局限性日 见突出。当前国内外较为流行的方法为通过不同的途径和方法提高土体的强度，使支护材 料与土体形成共同作用体系，从而达到支护的目的。常用的方法有土钉支护技术，树根桩 技术和近几年在软土地区采用的搅拌桩技术等，这些技术又常被称为补强类护坡技术。其 最大的特点在于安全度较高，施工简单方便，工期较短，造价低，噪声污染小，弥补了传 统方法的许多缺点。尤其近些年来，其设计施工经验逐渐积累，因此发展较快，其中土钉 支护技术是现在最受欢迎且最为流行的支护方法之一。 1 2 土钉支护的技术简介及在软土地基中存在的问题 1 2 1 土钉支护技术简介 所谓土钉( s o i ln a i l i n g ) 就是置入于现场原位土体中以较密间距排列的细长杆件如钢 筋或钢管等。关于“土钉”一词，目前尚无统一的明确定义，国外对于基坑土钉支护工程 常称之为土钉，又称为原位加筋横向支撑系统。由于土钉一般是通过钻孔、插筋、注浆来 完成的，因此有时也称为砂浆锚杆。在国内有被称为锚杆、土锚、锚钉、插筋，土钉支护 也有被称为喷锚网支护。为统一名称、便于交流，在1 9 9 6 年清华大学等单位主持召开的 深基坑土钉支护技术研讨会上，专家推荐使用“土钉”一词。 1 ( 1 2 ) 所示。 图( 1 1 ) 锚杆示意图 厨爱 图c 1 2 ) 土钉示意图 1 2 2 土钉交护在软土地基中存在的问题 ：一曼瑟一 性的士钉支护新技术。 冀s 搿粥州脚舭狲躺龄祧撤舐搽 2 浙江大学硕士学位论文 第1 章绪论 目前基坑周边往往难以有足够的设置土钉所需的地下空间，土钉末端往往需超出用地红线 以外。随着工程建设的进一步发展，许多曾经设置过土钉的场地将面临二次开发。那些曾 经发挥过重要作用的土钉却成为再次开发的障碍，造成开发的困难和建设费用的增加。在 一些临时性加固工程中，如果能将土钉回收进行二次利用，不仅可以节约大量材料，也可 以降低工程造价，获得很好的经济效应，在当前大力倡导建立节约型社会的背景下具有深 远而重要的工程意义和社会意义。 1 3 新型锚固技术研究现状 锚固技术在我国应用极为广泛，但如何改善其锚固效果始终是摆在岩土工作者面前的 一件首要大事。从目前岩土锚固技术发展过程来看，大多数是从改善锚杆荷载传递机理着 手，开发具有更好受力性能的新型锚杆，使之在有更高要求的岩土锚固工程中取代现阶段 普遍采用的传统拉力型锚杆，因此荷载分散型锚固体系应运而生。荷载分散型锚固体系又 分为拉力分散型，压力分散型、拉压分散型等，后两种应用较多。 近年来可回收锚杆的研究工作已引起了广泛的关注，并且倒楔式、偏楔式等可回收锚 杆已取得了一定程度的成功，得到了较好的效果。而目前国内外应用较为广泛的可回收式 锚索型式主要有德国的d y w i d a g 回收式锚索、英国人a n t h o n yd b a r l e y 等研制开发 的s b m a ( s i n g l eb o r em u l t i p l ea n c h o r s ) n 收式锚索、日本k t b 协会开发的k t b 荷载分散型 回收式锚索以及日本国土防灾株式会社开发的g c e 回收式锚索等。国外也有一些锚杆回 收的工法，如“钢铰线加芯子法”，“螺旋钻杆锚固法”等，都可用于回收锚杆。 1 3 1 压力分散型锚固体系的研究现状 理论研究方面，姚智全等( 2 0 0 2 ) 以弹性理论为基础，使用半无限体内的m i n d l i n 解( 横 向解) ，通过建立锚索的平衡方程，求出了锚索的粘结应力与位移，并对不同参数下压力 分散型锚索的受力特性进行了分析。 张四平，侯庆( 2 0 0 4 ) 将m i n d l i n 弹性位移解与有限元的基本方法相结合，计算了 压力分散型锚杆的剪应力分布规律，证明锚杆锚固段砂浆体与孔壁周围岩土体之间的剪应 力峰值大为降低，压力分散型锚杆的抗变形能力也相应地大为提高。随着岩土介质弹性模 量的增大，在承载体附近的锚杆粘结剪应力的峰值会相应增大，而在各个峰值间的粘结剪 应力值则逐渐降低，锚杆的轴向位移将相应地减小。 盛宏光( 2 0 0 3 ) 经过比较发现采用基于局部变形假定( g gw i n k l e r 假设) 和采用m i n d l i n 位 索进行破坏性试验，发现压力分散型锚索的破坏均是由于其中一级的注浆体被压碎所致， 从而得出在张拉过程中，各锚杆单元的实际受力大小和其拉力一变形行为并不一致的结 论，各锚索单元在张拉的过程中存在着相互干扰的情形；单根锚索的承载力一般只有各单 元锚索承载力之和的7 5 。 张四平，侯庆( 2 0 0 4 ) 通过在软弱岩层中进行压力分散型锚杆的现场承载力试验， 证实了压力分散型锚杆的承载能力与同条件的拉力型锚杆相比有较大幅度的提高，并分析 了承载体间距对于压力分散型锚杆承载能力的影响，说明承载体间距的合理设置有利于改 善压力分散型锚杆的应力状态，提高其极限承载能力，应对锚杆的杆体进行合理设计。并 且通过试验表明在软弱岩层介质中，压力分散型锚杆主要发生的是锚固段砂浆体与岩土层 间的粘结滑移破坏，或其最终的承载能力受钢绞线强度所控制，而锚杆锚固段砂浆体的局 部承压破坏一般不易发生。为了充分利用压力分散型锚杆抵抗粘结滑移破坏的能力，应对 锚杆的杆体进行合理设计，以确保钢绞线的总体抗拉强度不成为压力分散型锚杆极限承载 能力的制约因素。 4 浙江大学硕士学位论文 第1 章绪论 吉林大学刘士虎( 2 0 0 6 ) 通过对某边坡支护工程中由3 个承载板组成的压力分散型锚 索的现场应变试验，由不同荷载级别时锚固段的应变值得出应变分布图。 詹海玲( 2 0 0 7 ) 通过开阳高速公路高边坡设计的例子，对普通拉伸型锚索及优化的压 力分散型锚索各自的优缺点进行分析，并通过抗拔试验，为压力分散型锚索系统的应用提 供经验。 数值模拟方面，冶金部建筑设计研究院曾建立过基于d p 屈服准则的有限元模型， 对压力型及压力分散型锚杆在土层介质中的应力分布规律进行了研究，得到了两种锚杆沿 杆长方向的轴力与孔壁处的粘结剪应力的大致分布趋势。院课题组通过有限元分析，得出 单位荷载作用下土体弹模对轴力以及剪应力分布的影响。 邬爱清、韩军等( 2 0 0 4 ) 通过对单孔复合型锚杆( 压力分散型锚杆) 在锚固体不同位 置埋设特殊设计和制作的应变砖的现场试验和数值模拟研究，认为两者研究结论基本一 致，即在承载体张拉钢绞线一侧，灌浆体及其周围岩土体主要受压，承担单个承载体载荷 的主要区域是2 m 范围以内的区域；承载体另一侧灌浆体将主要受拉应力作用，由于材 料承受抗拉的能力低，实测拉应变比计算值小。 中国水利水电科学研究院邢占清、杨健等( 2 0 0 6 ) 采用有限单元法，通过计算机模拟 计算，得到了压力型锚索砂浆体内压应力分布规律和岩体与砂浆体界面上的剪应力分布规 律。并参照工程岩体分级标准和水工预应力锚固设计规范，给出了不同岩石类型 条件下相邻内锚头间砂浆体的最小长度。 吉林大学刘士虎( 2 0 0 6 ) 利用f l a c 对锚索进行了分析，通过锚固岩体的变形，应力和 应变的变化趋势来研究锚索围岩的受力状态。 金永军、何满潮等( 2 0 0 6 ) 利用有限差分程序f l a c 对压力分散型预应力锚索的锚固机 理进行了研究。 靖洪文、曲天智等( 2 0 0 8 ) 采用f l a c 3 d 计算程序系统研究了压力分散型锚杆受力在预 应力，单元锚固长度、承载体个数、岩石弹性模量等影响因素下的变化规律。 1 3 2 拉压分散型锚固体系的研究现状 易著伟、顾寅( 1 9 9 8 ) 对一种新型o v m 拉压分散型锚索进行了计算机有限元分析， 从其应力图可看出，浆体周围形成了阶梯式应力分区，承载体周围形成了应力集中区，由于 经过承载体多级分载，注浆体内应力均为压应力。土体周围应力分布较均匀，应力呈拉剪 切形式，在注浆体中应力区的应力值都能有较大的安全储备，因此该种形式锚索在受荷载后， 5 浙江大学硕士学位论文 第1 章绪论 不会在土体中产生剪切破坏。 陈华、马跃等( 2 0 0 3 ) 采用a n s y s 有限元分析软件对拉压分散型锚索进行了数值模 拟分析。分析结果表明拉压分散型锚索整个锚固长度上粘结应力分布较均匀，土体界面上 粘结应力峰值远小于拉力型锚索，各单元锚固长度地层周围的抗剪强度利用比较充分，承 载力可随锚固长度的增加而成比例地提高。 1 3 3 可回收锚杆的研究现状 煤炭科学研究总院( 1 9 9 5 ) 对新型偏楔式可回收锚杆通过井下工业性试验表明其不但 具有较好的锚固性能，而且在巷道报废前，可以回收复用。 张永吉( 1 9 9 9 ) 对塑料锚头、金属可回收杆体的可回收锚杆应用a n s y s 软件，对其锚固 性能进行了数值计算。分析结果说明，该锚杆具有恒阻让压特性，即支护有较大的锚固力， 围岩始终在恒定的支护阻力下变形，直到围岩压力等于支护阻力而稳定，能够有效支护围 山 石。 重庆大学建筑工程学院( 2 0 0 0 ) 设计的一种全新概念的“双锚头可回收锚杆”。通过现场 试验表明其能及时加固围岩，减少围岩变形，防止顶板早期离层和片帮，从而从根本上改善 了巷道的支护状况。 孙玉宁等( 2 0 0 2 ) 针对煤矿回采巷道的特点，设计研制出适合回采巷道煤帮支护用的 杆体全长可回收水泥锚固金属锚杆。经工业性试验证明，该锚杆结构简单、锚固力大，回 收方便、快捷，成本低，煤体内不留杆状金属，对采煤机割煤影响小，回收率高，是一种有 前途的煤巷支护材料，具有显著的社会经济效益。 方启超( 2 0 0 3 ) 、黄常波( 2 0 0 5 ) 等在不同地区对j c e 回收式锚索进行试验研究。通过 试验说明j c e 回收式锚索的结构是合理的，并且其回收简单可靠，回收率高，工人劳动强 度低。j c e ( j a p a nc o n s e r v a t i o ne n g i n e e r s ) n 收式锚索是日本国土防灾株式会社的专利产品。 盛宏光( 2 0 0 3 ) 在综合国内外相关研究成果的基础上，通过现场试验对压力分散型回收 式锚索和压力型回收式锚杆结构型式的合理性、承载力以及回收性能进行了验证。证明其 受力性能好、承载力高，防腐能力强，制作快捷方便，回收性能好，场地适应性强。 中国矿业大学( 2 0 0 5 ) 对美国e a s t e r n 公司生产的机械式可回收锚杆通过实验室力 学性能、井下锚固力测试分析了其锚固特性。新型锚杆的杆体强度高，可回收并可多次复 用。不同巷道围岩条件需选择适合的锚头，可满足施工巷道要求的锚固力。 中国矿业大学( 2 0 0 5 ) 对机械式可回收端锚锚杆进行了数值模拟和物理试验，数值模拟 6 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 表明，端锚式机械与树脂锚杆相比较其力学效果要强的多，但是它对锚固点的要求条件比较 苛刻，必须保证锚固点岩石的完整性，因而该类锚杆最好适用于岩石或硬质煤层的支护。物 理试验表明，端锚式机械锚杆锚固力比普通树脂锚杆的锚固力最多可提高7 5 ，支护安全性 好，且锚杆杆体可回收重新利用，在工程支护领域具有广阔的应用前景。 孙玉宁等( 2 0 0 6 ) 在对端锚可回收树脂锚杆和普通树脂金属锚杆结构分析的基础上，提 出两种分析锚杆锚固段的力学模型；采用有限元数值分析软件对两种锚杆模型进行非线性 分析，获得锚杆锚固段上剪应力和正应力的分布规律。然后，通过电测试验测量锚杆钻孔 壁上的轴向应变，初步发现该应变的变化特性。最终揭示端锚可回收锚杆锚固段与围岩接 触面上的应力分布规律。 孙玉宁等( 2 0 0 7 ) 借助光弹性试验对杆体全长可回收树脂锚杆锚固段附近围岩中最大 剪应力进行了研究，得到了锚固段上剪应力的分布规律。 龚医军( 2 0 0 7 ) 通过对河海大学刘汉龙教授等人开发的新型可回收式锚杆进行了现场 试验和数值模拟的研究，得到一些有意义的结论。 1 4本文主要工作 根据工程实践的需要和目前对新型锚固技术研究现状，论文主要开展以下几个方面的 工作： 1 研究了浆囊袋注浆扩孔土钉新技术。采用该工艺施工的土钉抗拔力高、施工质量 易控制，特别适合于在软土地基中使用。 2 研究了新型可回收土钉新技术，达到了提高抗拔力和注浆可控性，并回收筋材的 目的。 3 开展浆囊袋注浆土钉和可回收土钉的现场抗拔试验及其承载特性研究，并提出了 二种新型土钉的极限抗力计算方法。经与实测值比较，计算值与实测值吻合较好，且偏于 安全。 4 应用a b a q u s 有限元软件分别建立拉力型土钉、压力型土钉、拉压分散型土钉的 三维有限元分析模型，通过对算例的数值模拟结果来研究荷载的传递规律，并分析了荷载 水平、注浆体长度、注浆体直径、土体参数等因素对土钉应力分布的影响。 浙江大学硕士学位论文第2 章浆囊袋注浆土钉施工技术研究 第2 章浆囊袋注浆土钉施工技术研究 2 1 前言 土钉支护是用于土体开挖中维持土体稳定的一种挡土技术。与其他的挡土技术或支护 类型相比，土钉支护具有材料用量少，成本低，施工设备轻便，操作方法简单，施工速度 快等许多优点。 但在软土地基中，由于软粘土自身强度较低，常规土钉施工时注浆可控性差，土钉抗 拔力小，施工质量难以保证等原因，大大限制了其使用范围。一般仅应用于开挖深度较浅、 周围环境条件较好的基坑工程中。 为此课题组开发了浆囊袋注浆土钉技术。浆囊袋注浆土钉作为一种新型的土钉，通过 加浆囊袋和扩孔注浆施工工艺，实现了注浆的可控性，特别适合于在软土地基中使用。 2 2 工艺特点 浆囊袋注浆土钉采用加浆囊袋及扩孔注浆施工工艺对常规土钉的施工方法进行改进。 由于采用加浆囊袋工艺，实现了注浆的可控性，从而保证了土钉的质量。通过扩孔注浆增 大了土钉的直径，从而提高了土钉的抗拔力。浆囊袋注浆土钉具有施工工艺简便、土钉抗 拔力大、施工质量易控制、经济性好等优点，特别适合于在软土地基基坑工程使用。 2 3工艺原理 浆囊袋注浆土钉是根据常规土钉的施工方法，在成孔后采用加浆囊袋及扩孔注浆施工 工艺进行改进后形成的大直径土层土钉，扩孔后一般直径可在2 5 0 3 0 0 m m 左右。通常的 注浆工艺对地基中浆液的扩散很难进行控制，而采用浆囊袋后，水泥浆注入浆囊袋内，浆 液的扩散受浆囊袋制约，从而保证浆液在可控范围( 浆囊袋) 内扩散。由于软土强度低， 浆囊袋可以在土体中以预定的形状进行扩大，通常可以做成全长圆柱状注浆体或数个间隔 一定间距的圆柱状注浆体，其直径可以扩大至成孔直径的一倍以上，同时土钉的直径有保 证( 即为浆囊袋直径) 。土钉抗拔力可以大幅度提高，因此土钉密度可以大幅度降低，从 而节约工程造价。另外，由于注入的浆体均位于浆囊袋中，通过控制注浆体的用量即可比 较准确地判断土钉的直径是否达到要求，因此施工质量比较容易控制。 浙江大学硕士学位论文 第2 章浆囊袋注浆土钉施工技术研究 图2 1 浆囊袋注浆土钉的工艺原理图 2 4 施工工艺流程及操作要点 2 4 1 施工工艺流程 浆囊袋注浆土钉施工工艺流程如下： 巨塑蛩呕丑拒塑亟五卜匦弘豳亟夏亚囹 2 4 2 操作要点 1 土钉制作 土钉主筋按设计大样图制作，制作前检查钢筋有无缺陷。每间隔2 3 m 设置一个对 中支架，使主筋处于钻孔中心。支架的构造应不妨碍注浆时浆液的自由流动，支架可为金 属或塑料件。土钉主筋的下料长度由土钉设计长度、外锚头厚度、锚具总长组成，为了便 于施工与检测，通常下料长度比土钉设计长度长1 o m 。土钉原则采用通长筋不接驳，主 筋需连接时采用搭接焊焊接，搭接焊焊接时采用双面焊接方法焊接，且搭接长度不小于 5 d 。浆囊袋长度一般不小于土钉总长的2 3 ，浆囊袋注浆扩大后的直径约2 5 0 3 0 0 m m 左 右。浆囊袋下端部袋口用铅丝扎紧，上端部袋口与注浆管及土钉主筋分别扎紧。如沿浆囊 袋每隔一定距离用铅丝扎紧，则在注浆后可形成“糖葫芦”状注浆体。 土钉主筋制作完成后，将其顺直摆放在平整场地上，沿土钉体全长放置三根注浆管， 并将注浆管与土钉体绑扎在一起，放置的三根注浆管如下： ( 1 ) 浆囊袋内注浆管：长度与主筋同长，下端口置于浆囊袋底部o 5 m 处，露出浆囊 袋外的部分绑扎在土钉主筋上； 0 浙江大学硕士学位论文 第2 章浆囊袋注浆土钉施工技术研究 ( 2 ) 浆囊袋外注浆管：长度约1 3 主筋长度，注浆时插入孔内即可； ( 3 ) 二次注浆管：当采用二次注浆工艺时需置入浆囊袋内，长度与主筋同长，下端 口置于浆囊袋中部，自下端以上0 3 m 起，每间隔1 o m 开一个出浆口，出浆口和管口用塑 料胶布封闭。 土钉制作时要保证进浆和回浆管路畅通，不挤压，不扭曲变形，以免影响施工质量。 土钉制作完成后，应编号、登记并在土钉上做好标记，以备安装，并应存放在干燥、清洁 的地方，尽早使用，避免长期存放。制作完成后的土钉见图2 2 。 图2 2 制作完成的浆囊袋土钉 2 造孔 造孔可采用地质钻机或液压造孔机( 锚杆钻) 成孔( 图2 3 一图2 5 ) ，造孔直径l l o m m 。 钻机安装时应保证水平、稳固、调正，避免在钻孔过程中出现偏移。钻点对准孔位进行开 孔时应采用重压慢转，并随时掌握开孔钻进情况，发现有障碍物时应立即停止钻进，待查 明原因并处理完后，方能继续施工。同时根据孔内情况，如阻力、地层情况等采取不同的 钻进参数。在软土中钻进时孔壁相对软弱，易出现钻头下垂，并使钻杆尾部向上翘起。因 此，在软弱土层进行钻孔时，钻机调整的角度略小于设计角度为宜。对于淤泥质土等软弱 土层，因具有高含水量、高灵敏度的特点，造孔宜采用慢转速钻进，尽可能减少钻进过程 对锚固地层的扰动。 当一根钻杆行程结束后，进行下一根钻杆的连接，以后重复进行钻杆连接直到完成钻 孔施工。钻进过程中用清水或泥浆循环冲洗，排除孔内残土。 浙江大学硕士学位论文第2 章浆囊袋注浆土钉施工技术研究 图2 3 液压造孔机在施工图2 4 液压造孔机在施工中造孔排土 图2 5 地质钻机在成孔 3 土钉置入( 图2 6 ) 推送土钉前，应对钻孔进行检查，若发现有碎土、石、杂物及泥浆应立即清除。安放 时，应避免土钉体扭压、弯曲，注浆管与土钉一起放入孔内，土钉要顺着钻孔缓缓下入孔 底，注意保护二次注浆管出浆口的封闭胶带和浆囊袋，如有损坏，应在置入孔内前先行修 复。当钻孔有坍塌、缩径现象，土钉不能顺利地置入孔内时，应缓慢挤开缩孔部分的软土 或拉出土钉进行清孔。为避免损坏浆囊袋，不得在钻孔坍塌、缩径的情况下用强力置入土 钉。 浆囊袋内注浆还可进行二次注浆或袖阀管注浆。 二次注浆是在一次注浆完成1 2 小时以后进行，浆液配比同一次注浆。利用提前置入 浆囊袋内的二次注浆管注浆，用注浆压力将预先封闭在出浆1 2 的塑料胶布冲开，使二次注 浆体充满孔体的缝隙，保证土钉体密实，断面均匀。 二次注浆终止标准：1 ) 浆液溢出孔口；2 ) 注入预定量的浆液；3 ) 注入压力大于1 5 m p a ， 稳压注入2 分钟后终止。 袖阀管是一种只能向管外出浆，不能向管内返浆的单向闭合装置。注浆时，压力将利 用提前置入浆囊袋内的袖阀管小孔外的橡皮套冲开，浆液进入地层，如管外压力大于管内 时，小孔外的橡皮套自动闭合。可以根据地层情况调整注浆长度，实现定量定尺可控注浆。 1 2 浙江大学硕士学位论文第2 章浆囊袋注浆土钉施工技术研究 袖阀管注浆在浆囊袋内注浆完成约2 4 小时后进行，袖阀管每o 3 3 3 m 注一次，每次注 入约i o l 浆液，在浆囊袋内注浆完成约4 8 小时后可进行二次、三次袖阀管注浆，注入情 况与第一次类似。 ( 2 ) 浆囊袋外注浆：利用浆囊袋外的注浆管进行注浆，当浆液溢出孔口后终止，并 拔出注浆管。 图2 7 土钉注浆施工 5 张拉锁定( 也可不张拉) 浆囊袋注浆土钉如需施加预应力则应进行张拉锁定，预应力张拉在注浆完成1 0 天后 方可进行。加荷分三级进行，分别为2 0 、5 0 、1 0 0 设计张拉荷载，加载后记录各级 荷载下的位移，并以第一级荷载下的位移读数为零，计算设计张拉力下锚头的位移量。土 钉张拉时，加载速率要平稳，以压力表读数控制张拉，辅以理论伸长值校核，当土钉的实 际伸长与理论值相差较大时，应暂停张拉，待查明原因并采取相应措施后，方可进行张拉。 张拉过程中当达到每级的控制张拉力后稳定5 分钟即可进行下一级张拉，张拉加荷至设计 张拉力后，持荷观察1 5 分钟，在观察时间内千斤顶油压未有下降、锚头无位移现象方可 锁定。锁定后，若发现有明显预应力损失时，应进行补偿张拉，查明原因并采取相应措施 予以调整。 浆囊袋注浆土钉端部做有螺纹并通过螺母使垫板与土体面层相连，在注浆硬结后施加 预应力，用扳手拧紧螺母。为此在离孔口处应留有小段的非粘结长度，在这一长度内可用 土填孔，或者预留孔隙待施加预应力并拧紧螺母后，再注浆填满。图2 8 为张拉锁定后的 照片。 浙江大学硕士学位论文 第2 章浆囊袋注浆土钉施工技术研究