桩锚支护中锚杆张拉顺序对预应力影响的试验研究

2019-08-21陈全飞赵杰伟郭兰杰

岩土工程技术 2019年4期

陈全飞赵杰伟郭兰杰

（1.中兵勘察设计研究院有限公司，北京 100053；2.中电投工程研究检测评定中心有限公司，北京 100840）

0 引言

在岩土锚固的设计和应用中，锚杆预应力的损失及其控制方法对锚固工程的质量和成效有极大关系。锚杆初始预应力值过度的损失或增大，都是有害的。初始预应力损失过大，意味着主动作用力的减小，不利于结构稳定和抑制变形；初始预应力过度增大，会加大对预应力筋应力腐蚀的危险，甚至引起预应力筋的断裂[1]。

1 研究现状

国内外许多学者对影响锚杆初始预应力的因素做了诸多研究[2]：预应力损失主要是由锚杆钢材的松弛和受荷地层的徐变造成的；其次，锚固介质中发生的冲击和锚杆荷载的变化，会引起明显的锚杆预应力损失。

通过对各类钢材的试验发现，受荷100 h后松弛损失约为受荷1 h所发生损失的2倍，约为受荷1000 h后预应力损失量的80%。钢材的应力松弛与张拉荷载大小相关，当施加的应力大于钢材强度的50%时，应力松弛就会明显加大，并随荷载的增大而增大。钢材品种和是否采用超张拉对预应力松弛也有显著影响。

地层在锚杆拉力作用下的徐变，是由于岩层或土体在受荷影响区域内应力作用下产生的塑性压缩或破坏造成的。对于预应力锚杆，徐变主要发生在应力集中区，即靠近自由段的锚固段区域及锚头以下的锚固结构表面。程良奎等[3]对上海太平洋饭店和北京新侨饭店地层中的锚杆预应力变化监测发现，在外力作用下锚杆预应力变化趋势与锚固地层的徐变趋向基本一致，在砂质土和黏性土中的锚杆，锁定后的5 d内，都呈现预应力值的明显降低，约在一个月后趋于稳定。基坑下部土层开挖，对锚杆预应力变化与基坑土质和支挡结构的刚度有关。在土质较好且采用刚度较大的护壁桩，锚杆锁定后开挖下步土方到全部挖方完成，对锚杆预应力变化无明显影响；在饱和淤泥地层并采用刚度较小的板桩，锚杆下部土体开挖引起板桩位移，相应地带动锚头移动，锚杆预应力上升。而预应力值增加会导致地层徐变和预应力筋应力松弛加大。

美国曾研究过爆破对水平层状白云石矿山锚固系统的影响，距离越近预应力损失越明显。

潮汐、风荷载等变异荷载，对保持锚杆预应力和锚固体的锚固力，有不利影响。国外的一些标准规定，预应力锚杆上的变异荷载不大于设计拉力值15%。

程良奎[2]在分析引起锚杆预应力损失的主要因素后，提出采用适宜的荷载比（锚杆锁定荷载与极限承载力之比）β值、再次或多次补张拉对于减少锚杆预应力损失有明显效果。

陈全飞[4]在研究了不同自由段下锚杆预应力损失变化规律后，认为锚杆自由段越长，预应力锚杆锁定及下步土方开挖及稳定后，其预应力损失越小。

虽然不同学者对影响锚杆初始预应力的因素做了诸多研究，但是不同张拉顺序对锚杆预应力的影响研究较少。本文针对北京地区某深基坑桩锚支护不同张拉顺序下的锚杆预应力进行了试验研究。

2 工程及地质概况

本基坑工程位于北京市，基坑深度10.53 m。基坑支护采用桩锚支护。涉及的地层为①—⑤层，见表1。地下水位于地面下3.70 m、8.70 m。

表1 土层参数

3 基坑支护设计参数

护坡桩桩径800 mm，桩间距1.60 m，嵌固深度5.37 m、5.47 m，桩身混凝土强度等级C25，桩身配筋为主筋1422，加筋箍筋为16@2000，圈筋为φ8@200。

共设置二排预应力锚杆，锚杆倾角15°，直径150 mm，一桩一锚。锚杆锚固段位于黏性土地层，均采用二次劈裂注浆。腰梁采用2根25b工字钢。基坑止水采用止水帷幕，帷幕桩长14.0 m，桩顶位于地面下2.6 m。具体支护参数见图1，锚杆设计参数见表2。

图1 典型剖面图（单位：mm）

表2 锚杆设计参数

4 试验方案及数据分析

4.1 试验方案

本次试验位置选取在第一排锚杆位置，试验方案按照张拉顺序分为三种：依次张拉锁定（见图2）、先张拉锁定两端再依次张拉锁定（见图3）、间隔张拉锁定（见图4），每种张拉锁定顺序选择3根钢梁，共计21根锚杆。本次共设置9根钢梁，62根锚杆。预应力张拉时取标准值的1.4倍进行张拉。

图2 张拉锁定顺序1

图3 张拉锁定顺序2

图4 张拉锁定顺序3

4.2 数据分析

（1）不同工况下预应力损失率变化

本次试验数据监测从张拉锁定开始，直至地底板浇筑完毕。图5—图13为不同张拉顺序下预应力随时间的损失率。（正损失量代表预应力值增加，负损失量代表预应力值减小）

图5 1号钢梁预应力损失率随时间变化

图6 2号钢梁预应力损失率随时间变化

图7 3号钢梁预应力损失率随时间变化

图8 4号钢梁预应力损失率随时间变化规律

图9 5号钢梁预应力损失率随时间变化规律

图10 6号钢梁预应力损失率随时间变化

图11 7号钢梁预应力损失率随时间变化

图12 8号梁预应力损失率随时间变化

图13 9号梁预应力损失率随时间变化

从张拉顺序1可知，1号钢梁预应力锚杆预应力值损失率主要集中在10%～-23%；2号钢梁预应力值损失率主要集中在10%～-10%；3号钢梁锚杆预应力值损失率主要集中在-3%～-18%。同时还发现3根钢梁上出现异常数据，异常数据分布在靠边缘部位，认为此种张拉顺序对靠边缘部位预应力值及损失率影响较大。通过上述分析，在张拉锁定完成后至开挖稳定时，锚杆预应力损失率在10%～-23%范围内。

从张拉顺序2可知，4号钢梁锚杆预应力值损失率主要集中在10%～-15%范围内；5号钢梁锚杆预应力值损失率主要集中在18%～-23%；6号钢梁锚杆预应力值损失率主要集中在10%～-15%。通过上述分析，在张拉锁定完成后至开挖稳定时，锚杆预应力损失率在18%～-23%范围内。主要集中在10%～-20%，但是损失率分布比较离散。

从张拉顺序3可知，7号梁锚杆预应力损失率主要集中在0～20%和-19%～-25%；8号梁锚杆预应力损失率主要集中在0～-10%和-20%～-30%；9 号梁锚杆预应力损失率主要集中在-8%～10%范围内。通过上述分析，在张拉锁定完成后至开挖稳定时，锚杆预应力值、损失率、变化值在20%～-30%范围内，但是损失率分布比较离散。

（2）锁定完成时预应力损失率变化规律

图14—图16为在整根钢梁锚杆锁定完毕后，不同张拉顺序下锚杆预应力值损失率变化规律。张拉锁定顺序1即图14在锁定完成时，锚杆预应力损失率主要集中在-18%～15%；张拉顺序2即图15在锁定完成时，锚杆预应力损失率主要集中在-20%～12%；张拉顺序3即图16在锁定完成时，锚杆预应力损失率主要集中在-20%～12%。

图14 锁定完时预应力损失率变化规律

图15 锁定完时预应力损失率变化规律

图16 锁定完时预应力损失率变化规律

（3）开挖下一步土方后预应力损失率变化规律

图17—图19为下一步土方开挖完成时（开挖深度3.5 m），预应力值稳定后，不同张拉顺序下预应力值损失率变化规律。从图17可知，锁定越早预应力值损失率越大，钢梁两头位置损失率最大，中间最小，且锚杆预应力值损失率主要集中在-6%～0；从图18 可知，锚杆预应力值损失率主要集中在-8%～5%；从图19可知，锚杆预应力值损失率主要集中在-4%～0，但是最大损失率较大，主要集中在-12%～-10%，且钢梁两头预应力值损失率比中间位置的预应力值损失率大。

图17 开挖下一步后预应力损失率变化规律

图19 开挖下一步后预应力损失率变化规律

（4）开挖至槽底后预应力损失率变化规律

图20—图22为土方开挖至槽底，预应力值稳定后，不同张拉顺序下预应力值损失率变化规律。从图20可知，锚杆预应力值损失率主要集中在-5%～5%；从图21可知，锚杆预应力值损失率主要集中在-8%～8%；从图22可知，锚杆预应力值损失率主要集中在-9%～2%，但是最大损失率较大，且钢梁两头预应力值损失率比中间位置的预应力值损失率大。