锚索在基坑开挖过程中的应力变化分析

宋恩润　秦春晖　张磊

摘要：研究锚索在基坑开挖过程中的应力变化对于了解锚索应用机制以及增强工程稳定性具有重要的意义，本文结合深圳市某基坑支护项目，对锚索在支护过程中出现的技术问题展开进一步研究，通过建立一套科学合理的实验方案，最后得出了应力变化的相关结论，希望能为改善锚索设置工作提供一定的帮助。

关键词：锚索;基坑开挖;应力变化分析

近来随着建筑的高度不断增加，基坑开挖深度也随之加深，因为预应力锚索具有形变小，施工灵活，性能稳定的优点而广泛应用于各种类型的地基工作中，锚索支护已经逐渐成为当前基坑支护中较为常用的支护方式，所以研究检测锚索预应力的变化将增加基坑支护体系的安全性，对于更好地了解锚索建设具有的重要参考意义。

一、工程简介

本工程位于珠江三角洲，深圳市以西，北和东南方向三面环山的地方;地貌的东面和南面为广阔平原靠海地带，地貌分布特征由西到东是山丘到平原，由平原地区到冲积扇平原地区，其地层分布是由碎土石到粘土层再到粉土交互地层。本工程覆盖的土地厚度在150m左右，地下的土层由粉土，碎石和软土层混合而成。

基坑开挖深度上选择15m～20m，其类型属于超深基坑，支护采用桩锚连接的刚性保护结构，桩心距不超过2m，锚索在对于基坑工程的安全质量都有不可忽视的作用，本次实验的目的旨在探索锚索应力在整个基坑开挖过程中的变化情况，帮助工程师对锚索参数设计的合理性做出更深一步的理解[1]。

二、实验方案介绍

（一）参数介绍

锚索在实验阶段中采用螺旋钻杆的锚杆钻机成孔，水灰比在0.5～0.55之间。水泥采用国际标准P.O43.5，成孔直径为160mm，钻孔倾角为20度，支护的模式采用一个桩一锚的形式，当浆液达到设计强度之后随后进行拉张工作，具体数据如表1：

（二）具体方案介绍

首先保证锚索在被张拉到一定的数值后与预先的设定值进行对比，得出的数据差额作为瞬间应力损失的参考数据，设计师根据应力的损失情况改变锁定值大小，制定一个合适的数值更好地服务于设计，以便为后期的基坑工程提供安全保证。

实验的另外一个目标在于探索锚索在短时间内的应力变化情况，并且随着整个工程的进行，深度的增加，基坑回筑等因素的影响，其应力的变化情况，根据这些变化可以更好地验证原本设计方案的合理性和数据参数的精准度。

三、实验结果显示报告

根据实验的数据分析，锚索的预应力会随着时间的变化而产生预应力损失，最快的阶段为张拉后60分钟之内，随着时间的增加其下降的幅度也随之变少，这一现象产生的原因在于钢绞线在完成张拉工作后不会立刻停止进入稳定状态，这个时间内钢绞线会和自由端在空间内产生相对的位移，数据显示B1型号的锚索在基坑开挖的整个过程中其预应力的变化显示较小然后逐渐变大，预应力由于发生相对损失因而变小，随着后期开挖工程的推进逐渐变大。开挖的过程分为两个步骤：第一个阶段开挖的幅度较大，预应力的变化一般在80kN左右的幅度变动，第二阶段趋于平稳变化时，变化幅度在40kN左右浮动。锚索完成开挖工作后不会在下一个阶段继续开展开挖工作，在施工作业中锚索则会随着时间发生持续预应力的损失，持续挖方时上面的土方由于土层上方压力的持续增长，锚索的预应力也逐渐增长，当地面工作停止后或者所有工作完毕，主动土压力和排桩的应力达到一定的平衡之后，此时锚索的压力也就逐渐稳定于一个数值[2]。

四、工程锚索检测细节参考

（一）锚索检测点分布设置

本工程的锚索检测数量设计要求不能低于整体数量的15%，并且抽样位置的遵循随机原则，安装的日期根据施工现场的实际情况而定，现场的施工在2015到2017年期间总共针对18个检测的地点进行预应力的测试，其测试的结果符合预期的期望。

（二）检测频率和报警预设值

从锚索的拉张开始之初开始进行检测且每天检测一次，如果在检查过程中遇到特殊的突发状况并且不是因为人工技术失误造成的，应该针对现场的状况进行加密处理，如果现场出现如下的情况就应该及时做出警报处理。第一，每周的预应力荷载超过了限度的6%，第二，锚索预应力的变化已经累积或者远远超过预先设定张拉力的30%。

（三）短期预应力变化分析

结合过往的施工经验和研究成果，发现在锚索初步锁定阶段，尤其是前1到10个小时之内，预应力的损失速度极快，为了能够理解预应力变化的原理，对于17个检测点中的四个进行测试，在初步锁定的3个小时之内，每隔5分钟检查一次，得到了如下的发现：在开始的2个小时之内，应力值的变法基本趋势稳定，都属于标准的线性变化过程，前一个小时的预应力损失远远大于后一个小时的损失，经过计算是6倍以上，当前国内的很多钢绞线都是属于高强度不易松弛型号，所以钢绞线的松弛程度仅会对预应力的变化造成极小的影响，但是在实际的工作中因为各个岩土层的缝隙发育程度不一样，所以岩体的性质也是不尽相同，这就使得实际工程中的锚索预应力损失偏差较大，直接导致后期检测工作发生不可避免的误差。

五、实验结果分析

（一）锚索应力损失变化

锚索在锁定的一瞬间会发生极大的应力损失，且二者的关系如同基础数学中的函数关系，锁定数值越大应力损失的值也越大，锁定数值越小则损失值越小，当锁定数值和应力值相同时，基本不会发生数值的变化。

（二）应力变化幅度

锚索的应力值在刚刚锁定的初始阶段虽然会发生应力损失的变化，但是幅度较小，比较稳定，随着时间和外界的因素会逐步发生数值变化。

（三）影响因素

周围不同的环境因素都会对应力变化造成一定的影响，尤其是在土方开挖过程中会有锚索预应力的上升，同时经过一定时间之后，当锚索的预应力增加到和土方压力一样大的时候，其数值一般不会发生变化。

（四）實验结论

通过以上的实验数据可得，锚索的应力损失变化在基坑施工中前期阶段变化最大，可以占据总损失的80%以上，所以控制好锚索前期的施工工作对于整个工程都具有重要的意义。具体的控制方法还应根据工程的实际情况而定，可以从预应力锚索造孔，杆体的制作和安装以及注浆工艺改进等几个方面入手。

六、结语：

预应力锚索在桩板结构中具有很好的效果，然而当前我国很多的技术部门没有重视这个环节的施工，这也就导致这一技术理论在当前没有很好地应用，笔者希望能够通过本文的实验结论给国内不成熟的理论提供一个合适的参考建议，为今后基坑支护工作提供一定支持。

参考文献：

[1]贺晨.基坑支护方案的优化设计及施工过程受力变形特性研究[D].中南大学，2011.