浅谈孤石对基坑锚索施工的影响

浅谈孤石对基坑锚索施工的影响

0基坑孤石的物理力学性能花岗岩孤石的主要特征如下：1）孤石通常被薄风化层包裹，其中一般被粗风化或略风化。材料坚硬，力学特征相对稳定。常用下覆基岩中风化状态的物理力学特性指标代表孤石的指标,主要指标为:天然密度为2.3~2.8g/cm3,抗压强度75~110MPa,摩擦系数0.7,粘聚力31kPa,似内摩擦角70~82°。孤石的物理力学指标与周边第四系风化土层的指标差异较大,不能简单的用周围第四系土层指标代替,尤其是天然密度及力学强度指标。2)孤石多分布于第四系残积土层、全风化及强风化土层中,形状多为球状或近似球状;直径多在1~3m;分部杂乱,几无规律,且无统一的层位。目前的勘察手段几乎无法准确探明其形状及分布。3)与周围土层的物理力学性能差异较大,给基坑设计和锚索施工带来较大的困难。对基坑锚固工程而言,孤石的分布形式见图1。在基坑设计上,过去很少对孤石进行单独的研究,而仅将其作为第四系土层的一部分,其力学指标与第四系土层一样取值;也未考虑孤石对基坑稳定有利及不利影响的一面。在施工工艺上,土层锚索成孔一般采用三翼钻头或合金钻头全套管跟进工艺;遇到孤石,合金钻头钻进困难,跟管就更困难,导致成本增加及工期难以保证。事实上孤石在基坑中的分布不同,在施工上的工法也不一样。本文结合工程实践,主要对含孤石地层进行锚索成孔施工和锚索的承载力特点进行有益探讨,试图找到一种既经济又实用的处理办法。1锚杆、锚索的支护总体而言,分布于Ⅰ区的孤石对基坑稳定性影响及施工是不利的。尤其分布于基坑开挖面附近的孤石,一旦处于临空状态,当孤石下方土层软化后极易失稳而滑落。而分布于潜在滑动体内的孤石,由于其重度比第四系土层重约20%,主动土压力计算也相应提高,对基坑抗倾覆稳定计算不利。在施工上,不论是采用浅部的锚杆还是深部的锚索加固,都必须首先解决钻穿孤石的方法。传统上用ϕ150合金或金刚石钻头(俗称“水钻”),钻穿孤石的工效均较低,已不适应基坑快速成孔施工的要求。我们尝试用风动潜孔锤跟管工艺,较好解决该问题。具体做法见图2。先用ϕ150风动潜孔锤开孔,必要时用ϕ150偏心跟管潜孔锤钻进工艺。主要技术参数为:风压0.7MPa,风量20m3/min,钻岩速度为3~5m/h。钻穿孤石后,改用ϕ146或133高强套管跟管钻进(水钻)至设计深度,然后下锚索注浆。由于风动潜孔锤施工工艺(含偏心跟管、同心跟管)牵涉到材质、风压、风量、钻具匹配等一系列问题,需进一步完善和提高,本文不重点讨论。2扩大头锚索分布于Ⅱ区的孤石尽管对锚索施工也不利,但可充分利用孤石的特性,设计成扩大头锚索,让孤石构成扩大头锚固体的一部分参与锚索抗拔力的计算。不仅锚索的有效长度可减少,而且锚索的拉拔力大大提高。2.1锚固段以下简称锚索图3为含扩大头锚索锚固力计算示意。根据JGJ120-99《建筑基坑设计规范》锚索轴向受拉承载力Nu:式中:Nu为锚索轴向受拉承载力设计值;d1为假定钻孔遇到的孤石为圆形或近似圆形,一般取钻孔的视直径;d为设计锚固体直径;li为设计锚固段中第i土层的长度;lj为设计锚固段中孤石段长度;一般取孤石的视直径的一半;qsik、qsjk分别为土体与锚固体及孤石间的极限摩阻力标准值;ck为锚固体(或孤石)周边土体粘聚力标准值;rs为锚索轴向受拉抗力分项系数,可取1.3。作为一种特例,假定土层均为第四系花岗岩残积土,土层参数不变,锚固段长度为15m。锚索拉拔力设计值如表1所示。表1所列计算数值表明:1)若在锚固段15m范围内未遇到孤石,则锚固力设计值为378kN。2)若端部遇孤石,孤石视直径分别为0.5,1.0m,要达到与上述相当的锚固力,仅靠孤石提供的锚固力还不足以满足设计要求,此时需将孤石视为扩大头锚固体的一部分参与锚索拉拔力计算,锚固段中土层部分长度分别为13.5,8.5m。3)当孤石视直径为1.5m及以上时,要达到与上述相当的锚固力,仅靠孤石本身的扩大头作用就可以满足设计要求,锚固段中不需要土层提供锚固力。4)当孤石视直径为2.0m及以上时,仅靠孤石的扩大头作用所提供的锚固力已近不含孤石时的锚固力的2倍,已足可满足设计要求,锚固段的长度可取孤石视直径的长度。2.2粘结强度及锚固段长度根据公式(2)计算锚杆(索)轴向拉力:Na=γQξ1πDfrbla(2)式中:Na为锚杆(索)轴向拉力设计值;γQ为荷载分项系数,可取1.3;ξ1为锚固体与地层粘结工作条件系数,对永久性锚杆取1.0,对临时性锚杆取1.3;D为锚固体直径,此时为孤石视直径;frb为地层与锚固体粘结强度特征值;la为锚固段长度,此时为孤石视直径。孤石中一般采用ϕ110潜孔钻头成孔,M25水泥净浆,frb取550kN。当孤石视直径为自0.5~3m变化时,孤石的拉拔力设计值Na计算为516~3094kN(详见表2),对于设计拉拔力为300kN预应力锚索(3ϕ15.24)来说,视直径大于0.5m的孤石所提供的拉拔力足可满足设计要求。2.3孤石锚固段直接变形回用回采单根据上述计算表明:在锚固段遇到孤石的情况下,可充分利用孤石的扩大头作用,在锚索锚固力不变的情况下,适当减少孔深和孔径,从而达到减少成本、缩短工期的目的。具体措施为:1)当孤石直径小于1.5m,孤石所能提供的锚固力较小,需与第四系土层一起受力,锚固段总长度需大于9.0m。2)当孤石视直径大于等于1.5m,仅靠孤石的扩大头作用即可满足设计要求,钻穿孤石后即可终孔,锚索最小孔深调整为(lf+d)m。3)锚索成孔直径:土层部分为ϕ150,孤石部分改为ϕ110。2.4锤钻和下锚索图4为Ⅱ区锚索钻进工艺示意。工艺流程为:土层部分用ϕ150合金钻头跟ϕ146高强套管,用清水做回转液;遇孤石后,换ϕ100潜孔锤(ϕ110球齿钻头),用空压机提供中风压或高风压带动潜孔锤钻进(施工参数同上)。具体分两种情况:1)当孤石视直径小于1.5m,钻穿孤石后改用ϕ100三翼钻头,钻入风化土层一定深度(一般大于9m)终孔,下锚索并注浆。该情况下锚索安装及注浆较复杂,必要时可采用多次跟管技术。2)当孤石视直径大于1.5m,潜孔钻钻穿孤石后即可终孔,在套管内下锚索并注浆,锚固段长度可大大减少。3珠海某基底建筑工地石拱技术3.1支护结构及支护形式1)拟建工程位于珠海市前山,环前山中学;原为前山旧村居民区,现已拆除,拟建多幢高层住宅楼。基坑开挖深度6.5~15.3m,基坑总周长1718m。2)基坑内主要土层为人工填土(Q4ml)、第四系坡积(Q4dl)粉质黏土、冲积(Q4al)粗砾砂、黏土互层、残积(Q4el)层以及下伏的花岗岩层。其中在第四系残积层及全风化地层中分布有较多直径大小不一的花岗岩球状风化体(孤石),为中风化—微风化状。其中最大直径大于6.4m。3)基坑主要支护形式:基坑环前山中学侧为一级基坑,采用顶部放坡(或微型桩)+锚杆+支护桩+锚索+旋喷止水帷幕。根据坡高及周边建筑物情况分别设1~3道锚索,锚索长21~25m,成孔孔径ϕ150mm,索体采用3ϕ15.2钢绞线,锚索轴向拉力设计值350kN;锁定值为200kN。3.2锚索锚固段设计方案本基坑支护工程共设计锚索570根,其中遇孤石183根,占总孔数的32%。在遇孤石的183根中,其中103根为在自由段遇孤石,80根在锚固段遇孤石。因此如何高效在孤石中进行预应力锚索施工是本基坑施工的重点和难点。一定意义上讲锚索施工的成败直接影响基坑的安全和施工工期。基于前述分析及多工法对比,主要采取如下措施:1)若在设计深度内未遇到孤石,采用ϕ150合金钻头ϕ150全套管跟进钻进工艺,至设计深度21~25m后,在套管内下锚索并注浆;该工法已相当成熟,且工效高,成孔速度为10~15m/h。2)若在基坑开挖面或锚索自由段(Ⅰ区)内遇到孤石,先用ϕ150风动潜孔锤开孔,或用ϕ150偏心跟管潜孔锤钻进工艺;钻穿孤石后,改用ϕ146或133高强套管跟管钻进(水钻)至设计深度后再在套管内下锚索并注浆。3)在锚固段内遇到孤石(Ⅱ区),首先根据前述结论,充分利用孤石的力学特性,即孤石的扩大头作用,将锚索锚固段长度及孔径进行适当优化:当孤石埋深(钻孔遇见孤石深度)超过11.5m(自由段计算长度),且孤石视直径大于1.5m,钻穿孤石后即可终孔,锚索最小孔深调整为13m。当遇孤石埋深超过11.5m,且孤石视直径大于2m,不必钻穿孤石,钻入孤石1.5m后即可终孔,锚索孔深调整为13m。当孤石视直径大于0.5m,且小于1.5m,钻穿孤石后,锚固段总长度需大于8.5m,锚索孔深调整为16~18m。锚索成孔直径:土层部分为ϕ150,孤石部分为ϕ110。4)施工方法上,土层部分用ϕ150合金钻头跟ϕ146高强套管,用清水做回转液;遇孤石后,换风动潜孔锤(ϕ110球齿钻头),用空压机提供中风压或高风压带动潜孔锤钻进。终孔直径为ϕ110,然后下锚索并注浆。5)根据上述原则,不仅锚索成孔工效保证每台机每天8~10个孔,而且本工程共节约锚索工程量约10%。3.3设计完善的基坑安全保障本工程共施工锚索570根。锚索张拉和检测全部符合设计要求,为确保基坑安全提供了有力保障。表3为部分锚索张拉与检测统计表。检测表明:锚固段含孤石的情况,锚索总长度为13m,锚索拉拔力可满足设计要求。4施工中孤石的应用研究1)花岗岩残积土层中所含的孤石,其物理力学指标与第四系土层有较大差异,对锚索施工会产生较大影响。不能简单的将孤石与周边的土层划分为一层,而需结合不同的工程进行更深入的研究和实践,总结一套经济合理的设计分析模型以及锚索施工的有效工法。2)本文分析了孤石的力学特性,将孤石作为锚固体的一部分,并充分利用其扩大头的作用,不仅锚固力大大提高,而且可有效减少锚固段长度,经工程实践证明是有效的、科学的、经济的。但其受力机理、拉拔力计算模型以及多层发育的孤石计算模型仍需今后进一步探讨。3)对分布于锚固段的孤石,锚索成孔施工时,土层部分先用ϕ15