李春宝 薛世峰 俞然刚

(中国石油大学(华东)储运与建筑工程学院，山东 青岛 266580)

·岩土工程·地基基础·

涡压挤扩细石混凝土锚固支护土体的施工方法★

李春宝 薛世峰 俞然刚

(中国石油大学(华东)储运与建筑工程学院，山东 青岛 266580)

提出且验证了涡压挤扩机理，分析了混凝土介质向土体介质中挤入的力学条件，介绍了涡压挤扩细石混凝土锚固支护土体的设备及施工工艺流程，结果表明，采用涡压挤扩方法实施锚固支护土体的施工工艺在理论上是可行的。

涡压挤扩机理，锚固支护，施工设备

为预防和治理地质体变形过大而产生土体滑坡，工程上常将一种受拉杆件埋入岩土体，用于调动和提高岩土体自身强度和自稳能力。这种受拉杆件工程上称为锚杆，它所起的作用即为锚固[1]。岩土锚固是岩土工程领域的重要分支，其基本原理就是依靠锚杆周围的地层的抗剪强度来传递结构物的拉力或保持地层开挖面自身的稳定。在岩土工程中采用锚固技术，能较充分地调用和提高岩土体的自身强度和自稳能力[2]。经过多年的工程实践和理论研究，国内外在边坡工程的各个方面都取得了很大成就。目前工程实践中常用的锚杆主要包括：管缝式锚杆、自钻旋进锚杆、倒楔式金属锚杆、自旋树脂锚杆、自旋喷浆锚杆、自旋注浆锚杆等[3]。上述加固方法和相应技术在国内大规模经济建设中发挥了很大的作用。但是各类锚杆都有自己的弊端，例如自旋锚杆，其中的自攻旋进锚杆安装要求钻孔精确、各项参数配合恰当，施工中难以达到要求；而自攻挤压选进锚杆对钻机扭矩要求大，适应性受限，个别情况下单位锚固力小，自钻锚杆的锚固全凭后期锚固注浆，注浆对于向上的孔很难达到饱和注浆,锚固可靠性差。为克服现有技术中存在的上述缺陷，提出了涡压挤扩机理，设计了涡压挤扩钻具，并在实验室内进行了方向性验证试验，首次将涡压挤扩钻具应用于锚固支护土体的施工工艺中[4]。结果表明：该锚固设备和方法能沿锚管不同部位挤压扩径，形成多个承力盘，增加桩侧阻力，设有锚固件的劲性芯材能够与混凝土形成较大的锚固力，施工简单，无需开挖原土，缩减工期及减少造价，锚管抗拔承载力大，适用性强。

1 涡压挤扩机理

涡压挤扩机理是利用涡压叶片在旋转的过程中使涡压腔内的流态混凝土获得动能和静压能(其中静压能占主导)，获得静压能的流态混凝土经过涡压腔口被涡压套管挤压到套管外的周围土体中，使流态混凝土在深度土层位置向水平方向挤扩。此机理已在实验室内得到充分验证(见图1)。运用涡压挤扩机理进行锚固支护的施工，细石子被挤入到周围土体中形成扩径体，能够有效地挤密锚管周围土体；水泥浆被挤扩、带入到扩径体中与石子凝结固化之后，形成了坚实的扩径部。通过在锚管的不同深度的位置设置扩径部，增大了接触面且挤密了土体，在受拉时,扩径部将轴向荷载分级分配给不同土层，充分利用不同土层提高抗拔承载力。

2 涡压挤扩细石混凝土锚固支护土体的施工设备

涡压挤扩细石混凝土锚固支护土体的施工设备主要包括锚固架和挤扩设备两大部分，锚固架由锤击装置、旋扭装置、车体、立柱和斜撑等组成(见图2a))，挤扩设备由钢套管、旋扭齿轮、涡压腔组成(见图2b))。

钢锚管底部为开口，顶部设置与旋扭设备匹配的齿轮。靠近钢锚管底部的内侧设有涡压腔(见图2b))，涡压腔由涡压叶片和涡压叶片上下两端之间的钢锚管所围成的空间组成；在涡压叶片处开设两个对称的涡压腔口，作为流态混凝土向外水平挤压出口，每个开口的宽度为钢套管1/4周长，开口高度与涡压叶片的高度相同(见图2c))；涡压叶片由两个完全相同的半圆环钢板反对称焊接而成，呈S形(见图2d))，涡压叶片两端之间的直线距离与钢套管的直径相同；S形涡压叶片的两端分别与涡压腔出口的竖向侧边焊接固定，将焊缝打磨光滑，涡压叶片所采用的钢材型号、钢板厚度与钢套管的钢材型号、钢板厚度相同，保证涡压叶片与钢套管之间连接形成顺滑曲面，利于流态混凝土向外水平挤压；旋转齿轮内侧为光圆柱面，外侧设有啮合齿，旋转齿轮的内径与钢套管的外径相同，旋转齿轮的顶面与钢套管的顶面平齐，旋转齿轮箍焊在钢套管的顶部外侧，旋转齿轮作为锤击套管和旋扭套管的传力装置(见图2b)，见图2e))。

3 涡压腔内混凝土向腔外土体挤入力学模型

涡压式旋转分层扩径桩能够实现，主要是运用了涡压挤扩机理，为了能够实现涡压挤扩混凝土到周围土体中，需要分析涡压叶片、流态混凝土以及周围土体的受力关系。建立了三者的力学模型，讨论混凝土介质(以粗骨料为主)向土体介质中挤入的力学条件。取涡压叶片外侧边缘的石子为研究对象，进行力学分析。瞬时运动时，涡压叶片与周围土体的运动可视为平行运动的关系(见图3)，将涡压叶片等效为刚体(无变形)，与可压缩土体保持平行运动状态，将粗骨料(石子)理想化为刚性圆球。探讨涡压叶片刚体在力F的作用下，粗骨料与可压缩土体的相对运动关系，即粗骨料向可压缩土体内的挤入路径和挤入条件。

等效刚体与刚性圆球之间的摩擦系数为μ1，法向力为N1，摩擦力为f1；可压缩土体与刚性圆球之间的摩擦系数为μ2，法向力为N2，摩擦力为f2，受力关系见图3。

由平衡关系可知：

μ1N1cosθ+N1sinθ=μ2N2

(1)

由图3中刚性圆球的受力关系可知，为使刚性圆球能够挤入到可压缩土体中需满足：

N1cosθ>μ1N1sinθ+N2

(2)

将式(1)代入到式(2)中，推导如下：

μ2N1cosθ>μ1μ2N1sinθ+μ2N1cosθ+N1sinθ；

μ2cosθ>μ1μ2sinθ+μ1cosθ+sinθ；

(μ2-μ1)cosθ>(1+μ1μ2)sinθ；

(3)

4 涡压挤扩细石混凝土锚固支护土体的施工工艺流程

利用上述涡压挤扩细石混凝土锚固支护土体的设备，具体工艺流程如下[4,5]：

第一步：钢锚管就位(见图4a))，将钢锚管下端对准要锤管入

土的部位；

第二步：锤管入土(见图4b))，将钢锚管打入土层至预定位置；

第三步：灌注细石混凝土(见图4c))，将细石混凝土从钢锚管顶部灌注到钢锚管内；

第四步：旋扭锚管(见图4d))，将旋扭动力设备连接到钢锚管顶部的旋转齿轮上，通过转动旋转齿轮带动钢锚管一同旋转，在涡压叶片的挤压驱动作用下，锚管内细石混凝土经过涡压腔口被涡压挤扩到周围土体中，起到形成扩径部的作用，待扩径部达到设计尺寸时停止旋钮，可根据锚固承载力的需求设置涡压腔的数量；

第五步：浇筑锚头(见图4e))，完成扩径之后，在钢锚管上部继续浇细石混凝土，形成混凝土锚头，该处的涡压挤扩细石混凝土锚固支护土体完成。

5 结语

首次提出“涡压挤扩机理”，并将其应用到涡压挤扩细石混凝土锚固支护土体的施工方法中，详细说明了涡压挤扩设备的设计方案及锚固土体施工工艺流程。可知，涡压挤扩设备简单，易加工制作；现行的锚固土体施工设备与涡压挤扩细石混凝土锚固支护土体施工工艺所用设备兼容性好，略加改造即可用于本方案。通过分析涡压叶片、流态混凝土以及周围土体的受力关系，得出混凝土介质向土体质中挤入的力学条件。综合分析表明，采用涡压挤扩法实施涡压挤扩细石混凝土锚固支护土体的方案是可行的，具有较强的适用性。

[1] 王恭先.滑坡防治工程措施的国内外现状[J].中国地质灾害与防治学报,1998,9(1):1-9.

[2] 程良奎.岩土锚固的现状与发展[J].土木工程学报，2001，34(3):7-12，34.

[3] 徐祯祥.岩土锚固工程技术发展之回顾与展望[J].市政技术，2009，27(2):136-140，185.

[4] 李春宝,薛世峰,刘晓辉.一种用于涡压挤扩细石混凝土锚固支护土体的设备及方法：中国专利,2014101136437[P].2014-03-25.

[5] 李春宝,薛世峰,俞然刚，等.涡压式旋转分层扩径桩成桩方法[J].施工技术，2014,43(13):38-41.

The construction method of vortex-pressure expand fine aggregate concrete to anchor supporting the soil★

LI Chun-bao XUE Shi-feng YU Ran-gang

(CollegeofPipelineandCivilEngineering,ChinaUniversityofPetroleum,Qingdao266580，China)

It first proposed vortex compression expansion mechanism. Discuss the mechanics conditions of concrete medium squeeze into the soil medium. It describes the vortex compression expanding equipment and the construction process of anchor supporting the soil. The comprehensive results indicate that it’s feasible to use the method of vortex compression expansion to anchor supporting the soil technology.

vortex squeeze expansion mechanism， anchor supporting， construction equipment

1009-6825(2014)28-0038-02

2014-07-23★：2013年国家自然科学基金项目(项目编号：51208510)；2014年中国石油大学(华东)研究生自主创新基金项目(项目编号：14CX06067A)

李春宝(1980- )，男，博士，实验师； 薛世峰(1963- )，男，博士生导师，教授； 俞然刚(1967- )，男，博士生导师，教授

TU463

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