几种预应力锚索在软土地区基坑支护中的试验及其应用分析

云南建工基础工程有限责任公司 昆明 650501

1 工程实例

1.1 工程概况

本基坑建设场地位于昆明市西山区陆家社区片区，拟建场地东邻规划清水河河道，基坑距离河道3～20 m；南侧紧靠日新中路（十里长街），基坑开挖边线距道路边线约20 m，日新中路范围地下管线较多，日常车流量大；西侧为规划道路，北侧紧邻核心商务区。本基坑的开挖深度为11.10～11.50 m，周长约570.00 m，基坑底面积约为15 769 m2，为一级基坑。图1为基坑平面示意，其中阴影部分为基坑部分。

图1 基坑周边环境位置示意

1.2 工程地质条件

根据勘察报告，拟建场地位于昆明滇池断陷盆地中部地段，为滇池盆地湖相沉积平原地貌，场地内地基土主要为：第四系人工填土层杂填土，第四系冲洪积黏土层，第四系湖沼积黏土、泥炭质土、粉土层。

1.3 水文地质条件

本工程基坑主要含水层为表层杂填土和深下部粉土，地下水类型主要为赋存于松散杂填土中的孔隙型潜水，以及粉土层中的第四系微承压孔隙水。表层杂填土中含有少量上层滞水，受大气降水和地表水（场地附近居民生活用水及地下排水管渗漏水）补给和控制。清水河新河道位于场地东侧并以涵管形式于场地东南角穿过，位于场地外段河道距场地距离3～35 m。河流流量为78.30 L/s，总体流量较小，汛期稍大，河水水面与场地高差约3 m。综合评价本场地为弱透水土层，但邻近河道侧需加强防范。

1.4 基坑支护方案

根据基坑周边及场地地层条件，并结合现场实测标高、距离及地下水位等情况，确定以下设计方案：

1）基坑北侧：采用1∶2两级放坡加钢管锚杆支护，三轴深层水泥土搅拌桩作止水帷幕；

2）基坑东侧：采用上部2.00 m放坡加旋挖钻孔灌注桩加1排地面拉锚方案加2排预应力锚索支护，支护桩桩径1 000 mm，桩间距1 500 mm，三轴深层水泥土搅拌桩作止水帷幕；

3）基坑东南涵管侧：采用双排长螺旋钻孔灌注桩加1排地面拉锚方案加2排预应力锚索支护，支护桩桩径800 mm，桩间距1 100 mm，三轴深层水泥土搅拌桩作止水帷幕；

4）基坑南侧：拟采用上部2.00 m放坡加双排长螺旋钻孔灌注桩加4排预应力锚索支护，支护桩桩径800 mm，桩间距1 300 mm，三轴深层水泥土搅拌桩作止水帷幕；

5）基坑南侧：与拟建J地块相邻，拟设计将2个地块进行联合支护，本基坑采用上部2.00 m放坡加旋挖钻孔灌注桩加1排地面拉锚方案加2排预应力锚索支护，锚桩为J地块支护桩，2个地块支护桩用锚索两端锁定。本基坑支护桩桩径1 000 mm，桩间距1 500 mm，三轴深层水泥土搅拌桩作止水帷幕。

2 锚索试验

2.1 几种预应力锚索实验介绍

2.1.1 普通跟管预应力锚索（A组）

1）成孔φ180 mm，孔位允许偏差不大于50 mm，锚索角度为20°，孔深超过设计长度1.00 m作为沉渣段；

2）锚索钢绞线材料强度标准值1 860 MPa；

3）成孔导管跟进，利用水压冲切土体并将切割的土体经过导管排出；

4）注浆液采用水泥浆，水泥浆采用P.O 42.5水泥拌制，水灰比为0.50；

5）采用二次压力注浆工艺，第1次采用常压注浆，第2次压力注浆应在水泥浆初凝后、终凝前进行，二次注浆压力不应小于1.50 MPa。

2.1.2 水泥浆跟管预应力锚索（B组）

1）成孔φ180 mm，孔位允许偏差不大于50 mm，锚索角度为20°，孔深超过设计长度1.00 m作为沉渣段；

2）成孔导管跟进，利用压力水泥浆冲切土体并将切割的土体经过导管排出，水泥浆水灰比为1.00～1.20；

3）其他参数与普通跟管预应力锚索相同，主要区别在于在成孔时用压力水泥浆代替清水切割土体。

2.1.3 钢管内插预应力锚索（C组）

1）利用φ76 mm×3.50 mm钢管直接击入土体，击入土体的钢管长度及角度均与设计锚索相同，在钢筋端部进行封堵；

2）在钢管中放入已经制作好的钢绞线锚索，钢绞线材料强度标准值1 860 MPa；

3）注浆液采用水泥浆，水泥浆采用P.O 42.5水泥拌制，水灰比为0.50；

4）采用二次压力注浆工艺，第1次采用常压注浆，第2次压力注浆应在水泥浆初凝后、终凝前进行，二次注浆压力不应小于1.50 MPa。

2.2 试验目的

1）在锚索长度、角度等参数相同的情况下，试验以上3种预应力锚索的极限张拉力、锚头位移、周边地表沉降量；

2）同种预应力锚索在锚索长度不同的情况下，锚索极限张拉力的增加幅度大小；

3）区别于普通跟管预应力锚索的其他2种锚索的施工可操作性；

4）复核地勘报告提出的锚杆的极限黏结强度标准值；

5）试验以上3种预应力锚索在软土地基的徐变率大小。

2.3 锚索基本试验、徐变试验参数

根据本工程进行锚索试验，锚索基本试验分6组（A1、B1、C1、A2、B2、C2），每组3根，共18根锚索（锚索编号A11、A12、A13、B11、B12、B13……）。锚索徐变试验分3组，每组3根，共9根锚索（锚索编号A31、A32、A33、B31、B32、B33……）。其中A1、B1、C1组锚索的杆体索数为3×7φ5 mm，其余6组锚索的杆体索数为4×7φ5 mm，孔径均为180 mm，角度均为20°。A1、B1、C1、A3、B3、C3组锚索的自由段长7 m，锚固段长20 m；A2、B2、C2组锚索的自由段长9 m，锚固段长25 m。A1、B1、C1组锚索的拉力设计值为500 kN；A2、B2、C2组锚索的拉力设计值为600 kN；A3、B3、C3组锚索的轴向拉力标准值为450 kN[1,2]。

2.4 锚索试验方法

2.4.1 基本试验（极限抗拔承载力试验）

锚杆极限抗拔承载力试验宜采用多循环加载法，其加载分级和锚头位移观测时间按表1确定，采用单循环加载时，其加载分级和锚头位移观测时间按表1中每一次循环的最大荷载及相应的观测时间逐级加载，逐级加载百分比见表1。

表1 锚索基本试验加载分级与锚头位移观测时间

在试验过程中出现以下情况之一时，终止继续加载：

1）后一级荷载产生的锚头位移增量达到或超过前一级荷载产生位移增量的5倍；

2）锚头位移不收敛；

3）锚头总位移超过设计允许位移值；

4）锚索杆体被拉断。

当在某级试验荷载下出现以上4条规定的终止继续加载情况时，应取终止加载的前一级荷载，未出现时，应取最大试验荷载值。施工现场为节约资源与时间，所有试验锚索腰梁采用铁路枕木拼接而成，由于在锚索张拉试验过程中枕木腰梁后方土体会存在压缩变形，试验锚索锚头的实际位移应为锚头的实测位移减去腰梁后方土体的压缩量。腰梁后方土体位移量采用分层总和法进行计算。

2.4.2 徐变试验

徐变试验的加载分级和锚头位移观测时间按表2确定，在观测时间内荷载必须保持恒定。锚索轴向拉力标准值Nk=450 kN，每级荷载按时间间隔1 min、5 min、10 min、15 min、30 min、45 min、60 min、90 min、120 min记录徐变量。

表2 锚索徐变试验加载分级与锚头位移观测时间

3 锚索试验结果

3.1 锚索基本试验结果

1）A11、A12、A13极限抗拔承载力平均值为524.67 kN，极差值为34 kN，小于平均值的30%，取其平均值524.67 kN为锚固段20 m的普通跟管预应力锚索在该场地的极限抗拔承载力，地表平均沉降值为12.30 mm。

2）B11、B12、B13极限抗拔承载力平均值为645.33 kN，极差值为42 kN，小于平均值的30%，取其平均值645.33 kN为锚固段20 m的水泥浆跟管预应力锚索在该场地的极限抗拔承载力，地表平均沉降值为5.62 mm。

3）C11、C12、C13极限抗拔承载力平均值为503.33 kN，极差值小于平均值的30%，取503.33 kN为锚固段20 m的钢管内插预应力锚索在该场地的极限抗拔承载力，地表平均沉降值为2.01 mm。

4）A21、A22、A23极限抗拔承载力平均值为630 kN，极差值为46 kN，小于平均值的30%，取630 kN为锚固段25 m的普通跟管预应力锚预应力索在该场地的极限抗拔承载力，地表平均沉降值为14.58 mm。

5）B21、B22、B23极限抗拔承载力平均值为730.67 kN，极差值为43 kN，小于平均值的30%，取730.67 kN为锚固段25 m的水泥浆跟管预应力锚索在该场地的极限抗拔承载力，地表平均沉降值为8.65 mm。

6）C21、C22、C23极限抗拔承载力平均值为564 kN，极差值小于平均值的30%，取564 kN为锚固段25 m的钢管内插预应力锚索在该场地的极限抗拔承载力，地表平均沉降值为3.69 mm。

3.2 锚索徐变试验结果

本基坑共有9根试验锚索进行徐变试验，结果如下：

1）A31、A32、A33普通跟管试验锚索在≤1.20Nk（540 kN）加载值的情况下，徐变率均未超过2 mm；在1.50Nk（675 kN）加载值的情况下，3根锚索的徐变率均大于2 mm，不符合要求。

2）B31、B32、B33水泥浆跟管试验锚索在1.50Nk（675 kN）加载值的情况下，3根锚索的徐变率均小于2 mm，符合规范要求。

3）C31、C32、C33钢管内插试验锚索在≤1.20Nk（540 kN）加载值的情况下，徐变率均未超过2 mm；在1.50Nk（675 kN）加载值的情况下，锚索锚头位移不收敛，所测数据不规律，无法计算其徐变率，不符合要求。

4 结语

本基坑支护工程改变锚索施工工艺后获得了很好的支护效果，尤其是对周边环境的影响，同时通过在软土地区的锚索应用得出了以下结论与建议[3,4]：

1）在昆明市软土地区基坑工程中应用普通跟管预应力锚索时，在水洗成孔过程中，若水压过大则基坑周边地表沉降严重；若水压过小，则难以将所切割土体排出 。

2）水泥浆跟管预应力锚索与普通跟管预应力锚索相比，在成孔过程及成孔后，其对周边环境的影响要小很多，因为用一定浓度水泥浆冲切土体时，水泥浆液进入土体裂隙中，对土体进行一定程度的加固，改善了其物理力学指标；但如果浆液浓度过高，水泥浆跟管预应力锚索在施工过程中可能会存在堵管现象。

3）在本次锚索基本试验中，同等条件下，水泥浆跟管预应力锚索极限抗拔承载力较普通跟管预应力锚索能够提高20%，同时徐变现象、锚索张拉力衰减情况也较轻。

4）在以上3种不同工艺的施工中，钢管内插预应力锚索对周边环境影响最小，因为锚索外套钢管，在成孔过程中，周边地表沉降几乎不受影响。但同时，由于受钢管直径大小的限制，锚索的极限承载力较其余2种小。

5）钢管内插预应力锚索施工工艺成本较高，但锚索养护期短，可作为软土地区基坑变形的一种应急措施。