超期使用基坑中錨索預應力的損失問題分析

2019-12-05 02:41:42畢元領

中國建材科技 2019年3期

畢元領

（中鐵十六局集團城市建設發展有限公司，北京 100018）

0 引言

近年來隨著我國建筑工程技術領域的不停的進步與發展，在滿足功能性要求的同時，超高層建筑的應用也越來越多。由于超高層建筑對地下空間的需求，使得帶動了深基坑工程的不斷發展。基坑支護是對基坑邊坡采取的支撐與加固的方法，以保證地下工程施工過程中的安全以及基坑周邊環境的穩固。地下結構及外墻防水工程施工完成并進行土方回填后，支護結構即完成任務，因此基坑支護屬于臨時性結構。由此可見，深基坑支護工程基本上是依據臨時結構的使用壽命來設計的，一般為一年。但在工程實際施工過程中，會出現較多的深基坑工程因業主支護方案不斷更改、工程建設資金供給不足、設計深化變更頻繁等一系列原因造成深基坑工程不同程度的停工，而再次開工時深基坑支護結構可能超過原有基坑設計使用年限，處于超期使用狀態，對工程周邊的構筑物、建筑物、道路、管線等存在非常大的安全隱患。

預應力錨索技術自應用于基坑支護工程以來,大大改進了以往傳統支護結構的受力條件,減輕了支護結構自重,節約了物資材料，降低了施工成本。預應力錨索與基坑側壁巖體錨固在一起構成統一的復合體，在維持基坑穩定性方面起著較多作用:①對滑動破壞體部分有拉力作用,起到抗滑作用;②錨固作用,可以改善巖土體自身的物理力學性質和潛在破壞面的強度指標。

由于潛在破壞的巖(土)體可以通過預應力錨索的拉力作用,牢固地依附在穩定地層上，一旦錨索的預應力達到一定損失量,就可能導致巖土抗剪強度下降到穩定值以下,錨索就有可能與錨固體一起被拔出,造成基坑坍塌。尤其對于超期服役基坑，其支護結構的使用時間已經超過了原設計期限，錨索的預應力隨著時間的推移，肯定也已經有了很大的損失量。錨索預應力的損失直接關系到基坑工程的安全性，需要對其進行長時間的監測,分析造成預應力損失的原因,并提出有效的解決方案以確保基坑工程的安全。

本文以湖南文化廣場（二期）為例，本工程于2015年10月停工，2017年2月28日復工，停工1年零4個月，支護結構為樁錨支護。由于本基坑支護工程設計使用年限為1年，現已經超過設計使用年限，故基坑再開挖需考慮基坑超期服役帶來的工作性能下降，則需對該基坑支護結構的支護性能進行有效的評估分析，特別是對錨索預應力的損失進行分析。

1 影響錨索預應力損失的原因

錨索預應力的損失主要由短期階段因素和長期階段因素構成。短期階段因素主要存在于錨索前期的張拉、鎖定，溫度變化、張拉順序等。長期因素主要有巖體的變形、鋼絞線的應力松弛、雨水滲入巖體等。

1.1 短期階段內引起預應力損失的原因

1）錨索張拉、鎖定時造成的預應力損失。錨索與孔壁的摩擦以及張拉千斤頂的摩擦阻力的大小主要決定了錨索張拉過程的預應力損失程度。張拉千斤頂的摩擦造成的預應力損失約為1%，能夠通過超張拉來進行補償。但依據相關資料顯示，張拉系統的摩阻損失為1%～3%，即張拉千斤頂的壓力值要比錨索測力計的顯示值大1%～3%。本人在基坑支護施工現場咨詢過錨索張拉、鎖定人員，發現他們對施工過程的預應力損失沒有高度重視，大多數預應力張拉值都是以油表上的顯示值作為最后施加的預應力值。因此，張拉系統以及施工人員原因引起的預應力損失是我們關注的重點。

2）錨索鎖定完成后錨具回縮造成的預應力損失。預應力錨索的錨固大多采用自錨體系，在張拉千斤頂回油的一剎那,鋼絞線都會不同程度的向錨索孔內回縮,并帶動夾片收縮,使錨具、夾片和鋼絞線之間相互卡牢而達到鎖緊的。鋼絞線的回縮也不同程度降低了部分錨索的預應力，因而,研究回縮過程中錨索預應力的損失量,可對確定預應力錨索張拉值的大小有著重要的參考意義。

3）溫度的變化影響。溫度的變化體現在巖體的變形引起的錨索錨固力的變化上。巖石是一種具有熱膨脹的熱導體。隨著溫度的上升，組成巖石的顆粒體積增大，引起巖石中應力狀態的變化，從而導致變形特征發生變化。因此，溫度的升高將會造成錨力的增大，冷卻將造成巖體的收縮和錨力的減小。由于巖體體膨脹系數小，溫度變化引起的錨固力變化值不大，在工程中能夠不考慮溫度變化對預應力損失的影響。

4）張拉順序和群錨效應造成的預應力損失。在群錨施工過程中，錨索張拉施工對臨近已施工完成的錨索有著一定影響，造成已施工完成的錨索預應力不同程度的損失。分析其原因為錨索張拉引起周圍土體的變形，從而使錨索影響范圍內已施工完成的錨索的預應力發生變化。故錨索孔位置以及張拉順序必須嚴格按照設計圖紙說明施工以免造成嚴重應力損失。

造成應力損失還有其他一些影響因素，例如混凝土的徐變，錨索的施工工藝等。

1.2 長期階段內引起預應力損失的原因

1）鋼絞線應力松弛對錨索應力損失的影響。鋼絞線在長時間應力作用下會產生應力松弛，應力松弛量一般與錨索張拉后的預應力值以及經受荷載作用的時間有著直接關系。鋼絞線的應力松弛試驗顯示:鋼絞線長期受荷的預應力損失量大約為5%至10%，在同樣應力作用下，100小時受荷狀態下造成的應力松弛損失約為1小時受荷狀態下造成的應力松弛損失的2倍。

2）巖體的變形。巖體在外力作用下發生流變現象可導致錨索預應力的損失，導致預應力值降低。在土方開挖階段，隨著土方開挖卸荷，土體內部的應力得到釋放，導致支護錨索預應力值增大，并帶有較為明顯的時間效應。隨著土方、支護施工完成，錨索預應力趨于穩定變化。另外，由于錨索預應力對土體的物理力學性能的影響，使土體產生壓縮變形，特別是在預應力施加初期，錨索預應力明顯降低。相關工程實踐及資料驗證完整巖體在長時間應力作用下的蠕變量很小，對錨索預應力的影響很小，但是土體中錨索預應力一般在錨固后5天內顯著降低，并在未來幾年甚至幾十年內繼續降低。該規律與巖體蠕變的趨勢大致相同，說明土體蠕變是引起預應力損失的主要煙癮之一，這種因素造成的預應力損失量基本在15%以內。

3）雨水滲入對錨索預應力的影響。降雨時間及總體降雨量對錨索錨固力有較大的影響，特別是在土體強度較低、滲透系數較大的部位。隨著裂隙水的持續滲入，土體抗剪能力下降，抵抗下滑的能力也隨之降低，錨固力會有所增加。但隨著土體的壓縮變形和錨索應力松弛以及裂隙水的逐步消散，錨固力又會回復到降雨前的水平。所以在降雨后，由于雨水的滲入錨索會受到循環荷載的作用，對基坑和邊坡的安全性是極為有害的。因而，必須加強基坑周邊的排水措施，防止雨水滲入巖體，以保證錨固力的穩定。