樁錨支護(hù)中錨桿張拉順序?qū)︻A(yù)應(yīng)力影響的試驗(yàn)研究

陳全飛 趙杰偉 郭蘭杰

（1.中兵勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100053；2.中電投工程研究檢測(cè)評(píng)定中心有限公司，北京 100840）

0 引言

在巖土錨固的設(shè)計(jì)和應(yīng)用中，錨桿預(yù)應(yīng)力的損失及其控制方法對(duì)錨固工程的質(zhì)量和成效有極大關(guān)系。錨桿初始預(yù)應(yīng)力值過(guò)度的損失或增大，都是有害的。初始預(yù)應(yīng)力損失過(guò)大，意味著主動(dòng)作用力的減小，不利于結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和抑制變形；初始預(yù)應(yīng)力過(guò)度增大，會(huì)加大對(duì)預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)力腐蝕的危險(xiǎn)，甚至引起預(yù)應(yīng)力筋的斷裂[1]。

1 研究現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)影響錨桿初始預(yù)應(yīng)力的因素做了諸多研究[2]：預(yù)應(yīng)力損失主要是由錨桿鋼材的松弛和受荷地層的徐變?cè)斐傻模黄浯危^固介質(zhì)中發(fā)生的沖擊和錨桿荷載的變化，會(huì)引起明顯的錨桿預(yù)應(yīng)力損失。

通過(guò)對(duì)各類鋼材的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，受荷100 h后松弛損失約為受荷1 h所發(fā)生損失的2倍，約為受荷1000 h后預(yù)應(yīng)力損失量的80%。鋼材的應(yīng)力松弛與張拉荷載大小相關(guān)，當(dāng)施加的應(yīng)力大于鋼材強(qiáng)度的50%時(shí)，應(yīng)力松弛就會(huì)明顯加大，并隨荷載的增大而增大。鋼材品種和是否采用超張拉對(duì)預(yù)應(yīng)力松弛也有顯著影響。

地層在錨桿拉力作用下的徐變，是由于巖層或土體在受荷影響區(qū)域內(nèi)應(yīng)力作用下產(chǎn)生的塑性壓縮或破壞造成的。對(duì)于預(yù)應(yīng)力錨桿，徐變主要發(fā)生在應(yīng)力集中區(qū)，即靠近自由段的錨固段區(qū)域及錨頭以下的錨固結(jié)構(gòu)表面。程良奎等[3]對(duì)上海太平洋飯店和北京新僑飯店地層中的錨桿預(yù)應(yīng)力變化監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，在外力作用下錨桿預(yù)應(yīng)力變化趨勢(shì)與錨固地層的徐變趨向基本一致，在砂質(zhì)土和黏性土中的錨桿，鎖定后的5 d內(nèi)，都呈現(xiàn)預(yù)應(yīng)力值的明顯降低，約在一個(gè)月后趨于穩(wěn)定。基坑下部土層開(kāi)挖，對(duì)錨桿預(yù)應(yīng)力變化與基坑土質(zhì)和支擋結(jié)構(gòu)的剛度有關(guān)。在土質(zhì)較好且采用剛度較大的護(hù)壁樁，錨桿鎖定后開(kāi)挖下步土方到全部挖方完成，對(duì)錨桿預(yù)應(yīng)力變化無(wú)明顯影響；在飽和淤泥地層并采用剛度較小的板樁，錨桿下部土體開(kāi)挖引起板樁位移，相應(yīng)地帶動(dòng)錨頭移動(dòng)，錨桿預(yù)應(yīng)力上升。而預(yù)應(yīng)力值增加會(huì)導(dǎo)致地層徐變和預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)力松弛加大。

美國(guó)曾研究過(guò)爆破對(duì)水平層狀白云石礦山錨固系統(tǒng)的影響，距離越近預(yù)應(yīng)力損失越明顯。

潮汐、風(fēng)荷載等變異荷載，對(duì)保持錨桿預(yù)應(yīng)力和錨固體的錨固力，有不利影響。國(guó)外的一些標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，預(yù)應(yīng)力錨桿上的變異荷載不大于設(shè)計(jì)拉力值15%。

程良奎[2]在分析引起錨桿預(yù)應(yīng)力損失的主要因素后，提出采用適宜的荷載比（錨桿鎖定荷載與極限承載力之比）β值、再次或多次補(bǔ)張拉對(duì)于減少錨桿預(yù)應(yīng)力損失有明顯效果。

陳全飛[4]在研究了不同自由段下錨桿預(yù)應(yīng)力損失變化規(guī)律后，認(rèn)為錨桿自由段越長(zhǎng)，預(yù)應(yīng)力錨桿鎖定及下步土方開(kāi)挖及穩(wěn)定后，其預(yù)應(yīng)力損失越小。

雖然不同學(xué)者對(duì)影響錨桿初始預(yù)應(yīng)力的因素做了諸多研究，但是不同張拉順序?qū)﹀^桿預(yù)應(yīng)力的影響研究較少。本文針對(duì)北京地區(qū)某深基坑樁錨支護(hù)不同張拉順序下的錨桿預(yù)應(yīng)力進(jìn)行了試驗(yàn)研究。

2 工程及地質(zhì)概況

本基坑工程位于北京市，基坑深度10.53 m。基坑支護(hù)采用樁錨支護(hù)。涉及的地層為①—⑤層，見(jiàn)表1。地下水位于地面下3.70 m、8.70 m。

表1 土層參數(shù)

3 基坑支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)

護(hù)坡樁樁徑800 mm，樁間距1.60 m，嵌固深度5.37 m、5.47 m，樁身混凝土強(qiáng)度等級(jí)C25，樁身配筋為主筋1422，加筋箍筋為16@2000，圈筋為φ8@200。

共設(shè)置二排預(yù)應(yīng)力錨桿，錨桿傾角15°，直徑150 mm，一樁一錨。錨桿錨固段位于黏性土地層，均采用二次劈裂注漿。腰梁采用2根25b工字鋼。基坑止水采用止水帷幕，帷幕樁長(zhǎng)14.0 m，樁頂位于地面下2.6 m。具體支護(hù)參數(shù)見(jiàn)圖1，錨桿設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表2。

圖1 典型剖面圖（單位：mm）

表2 錨桿設(shè)計(jì)參數(shù)

4 試驗(yàn)方案及數(shù)據(jù)分析

4.1 試驗(yàn)方案

本次試驗(yàn)位置選取在第一排錨桿位置，試驗(yàn)方案按照張拉順序分為三種：依次張拉鎖定（見(jiàn)圖2）、先張拉鎖定兩端再依次張拉鎖定（見(jiàn)圖3）、間隔張拉鎖定（見(jiàn)圖4），每種張拉鎖定順序選擇3根鋼梁，共計(jì)21根錨桿。本次共設(shè)置9根鋼梁，62根錨桿。預(yù)應(yīng)力張拉時(shí)取標(biāo)準(zhǔn)值的1.4倍進(jìn)行張拉。

圖2 張拉鎖定順序1

圖3 張拉鎖定順序2

圖4 張拉鎖定順序3

4.2 數(shù)據(jù)分析

（1）不同工況下預(yù)應(yīng)力損失率變化

本次試驗(yàn)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)從張拉鎖定開(kāi)始，直至地底板澆筑完畢。圖5—圖13為不同張拉順序下預(yù)應(yīng)力隨時(shí)間的損失率。（正損失量代表預(yù)應(yīng)力值增加，負(fù)損失量代表預(yù)應(yīng)力值減小）

圖5 1號(hào)鋼梁預(yù)應(yīng)力損失率隨時(shí)間變化

圖6 2號(hào)鋼梁預(yù)應(yīng)力損失率隨時(shí)間變化

圖7 3號(hào)鋼梁預(yù)應(yīng)力損失率隨時(shí)間變化

圖8 4號(hào)鋼梁預(yù)應(yīng)力損失率隨時(shí)間變化規(guī)律

圖9 5號(hào)鋼梁預(yù)應(yīng)力損失率隨時(shí)間變化規(guī)律

圖10 6號(hào)鋼梁預(yù)應(yīng)力損失率隨時(shí)間變化

圖11 7號(hào)鋼梁預(yù)應(yīng)力損失率隨時(shí)間變化

圖12 8號(hào)梁預(yù)應(yīng)力損失率隨時(shí)間變化

圖13 9號(hào)梁預(yù)應(yīng)力損失率隨時(shí)間變化

從張拉順序1可知，1號(hào)鋼梁預(yù)應(yīng)力錨桿預(yù)應(yīng)力值損失率主要集中在10%～-23%；2號(hào)鋼梁預(yù)應(yīng)力值損失率主要集中在10%～-10%；3號(hào)鋼梁錨桿預(yù)應(yīng)力值損失率主要集中在-3%～-18%。同時(shí)還發(fā)現(xiàn)3根鋼梁上出現(xiàn)異常數(shù)據(jù)，異常數(shù)據(jù)分布在靠邊緣部位，認(rèn)為此種張拉順序?qū)窟吘壊课活A(yù)應(yīng)力值及損失率影響較大。通過(guò)上述分析，在張拉鎖定完成后至開(kāi)挖穩(wěn)定時(shí)，錨桿預(yù)應(yīng)力損失率在10%～-23%范圍內(nèi)。

從張拉順序2可知，4號(hào)鋼梁錨桿預(yù)應(yīng)力值損失率主要集中在10%～-15%范圍內(nèi)；5號(hào)鋼梁錨桿預(yù)應(yīng)力值損失率主要集中在18%～-23%；6號(hào)鋼梁錨桿預(yù)應(yīng)力值損失率主要集中在10%～-15%。通過(guò)上述分析，在張拉鎖定完成后至開(kāi)挖穩(wěn)定時(shí)，錨桿預(yù)應(yīng)力損失率在18%～-23%范圍內(nèi)。主要集中在10%～-20%，但是損失率分布比較離散。

從張拉順序3可知，7號(hào)梁錨桿預(yù)應(yīng)力損失率主要集中在0～20%和-19%～-25%；8號(hào)梁錨桿預(yù)應(yīng)力損失率主要集中在0～-10%和-20%～-30%；9 號(hào)梁錨桿預(yù)應(yīng)力損失率主要集中在-8%～10%范圍內(nèi)。通過(guò)上述分析，在張拉鎖定完成后至開(kāi)挖穩(wěn)定時(shí)，錨桿預(yù)應(yīng)力值、損失率、變化值在20%～-30%范圍內(nèi)，但是損失率分布比較離散。

（2）鎖定完成時(shí)預(yù)應(yīng)力損失率變化規(guī)律

圖14—圖16為在整根鋼梁錨桿鎖定完畢后，不同張拉順序下錨桿預(yù)應(yīng)力值損失率變化規(guī)律。張拉鎖定順序1即圖14在鎖定完成時(shí)，錨桿預(yù)應(yīng)力損失率主要集中在-18%～15%；張拉順序2即圖15在鎖定完成時(shí)，錨桿預(yù)應(yīng)力損失率主要集中在-20%～12%；張拉順序3即圖16在鎖定完成時(shí)，錨桿預(yù)應(yīng)力損失率主要集中在-20%～12%。

圖14 鎖定完時(shí)預(yù)應(yīng)力損失率變化規(guī)律

圖15 鎖定完時(shí)預(yù)應(yīng)力損失率變化規(guī)律

圖16 鎖定完時(shí)預(yù)應(yīng)力損失率變化規(guī)律

（3）開(kāi)挖下一步土方后預(yù)應(yīng)力損失率變化規(guī)律

圖17—圖19為下一步土方開(kāi)挖完成時(shí)（開(kāi)挖深度3.5 m），預(yù)應(yīng)力值穩(wěn)定后，不同張拉順序下預(yù)應(yīng)力值損失率變化規(guī)律。從圖17可知，鎖定越早預(yù)應(yīng)力值損失率越大，鋼梁兩頭位置損失率最大，中間最小，且錨桿預(yù)應(yīng)力值損失率主要集中在-6%～0；從圖18 可知，錨桿預(yù)應(yīng)力值損失率主要集中在-8%～5%；從圖19可知，錨桿預(yù)應(yīng)力值損失率主要集中在-4%～0，但是最大損失率較大，主要集中在-12%～-10%，且鋼梁兩頭預(yù)應(yīng)力值損失率比中間位置的預(yù)應(yīng)力值損失率大。

圖17 開(kāi)挖下一步后預(yù)應(yīng)力損失率變化規(guī)律

圖19 開(kāi)挖下一步后預(yù)應(yīng)力損失率變化規(guī)律

（4）開(kāi)挖至槽底后預(yù)應(yīng)力損失率變化規(guī)律

圖20—圖22為土方開(kāi)挖至槽底，預(yù)應(yīng)力值穩(wěn)定后，不同張拉順序下預(yù)應(yīng)力值損失率變化規(guī)律。從圖20可知，錨桿預(yù)應(yīng)力值損失率主要集中在-5%～5%；從圖21可知，錨桿預(yù)應(yīng)力值損失率主要集中在-8%～8%；從圖22可知，錨桿預(yù)應(yīng)力值損失率主要集中在-9%～2%，但是最大損失率較大，且鋼梁兩頭預(yù)應(yīng)力值損失率比中間位置的預(yù)應(yīng)力值損失率大。

5 結(jié)論

（1）腰梁采用工字鋼時(shí)，張拉順序?qū)﹀^桿預(yù)應(yīng)力損失有較大影響，主要是腰梁型號(hào)影響較大，通過(guò)對(duì)剛鎖定完成、開(kāi)挖下一步土方、開(kāi)挖至槽底等階段預(yù)應(yīng)力的損失率變化規(guī)律分析總結(jié)可知，依次張拉的鎖定順序，錨桿的預(yù)應(yīng)力損失率最小。建議在類似地層及支護(hù)形式下錨桿張拉鎖定順序采用依次張拉的工藝

圖20 開(kāi)挖完成后預(yù)應(yīng)力損失率變化規(guī)律

圖21 開(kāi)挖完成后預(yù)應(yīng)力損失率變化規(guī)律

圖22 開(kāi)挖完成后預(yù)應(yīng)力損失率變化規(guī)律

（2）先鎖定兩頭再依次張拉錨桿預(yù)應(yīng)力值損失率居中，先鎖奇數(shù)編號(hào)再鎖偶數(shù)編號(hào)錨桿預(yù)應(yīng)力值損失率最大

（3）張拉鎖定順序2和3損失率數(shù)據(jù)比較離散，施工過(guò)程應(yīng)注意避免。