预应力锚索现场试验及“两桩一锚”在深基坑支护中的研究与应用

郭长恩，黄 薛，代方园

（1.山东省地质矿产勘查开发局八〇一水文地质工程地质大队，山东济南250014；2.山东省地矿工程勘察院，山东济南250014）

预应力锚索支护技术在基坑工程中应用广泛。在地质条件和周边环境比较复杂的垂直开挖或小坡度放坡支护中，多采用桩锚结构，其主要施工工艺多采用刚性桩与预应力锚索配合。这种工法往往能较好的保证基坑安全，减少不稳定因素[1-3]。在济南地区，桩锚支护深基坑工程中多采用“一桩一锚”布设方式，锚索抗拔力数值多采用小于300kN荷载。本文以山东中医药大学第二附属医院综合病房楼深基坑工程为例。该工程是采用“两桩一锚”支护方案，增加了锚索抗拔力设计值，提高了锚索的使用效率；通过分析本工程的基坑支护设计方案及施工中进行的锚索试验及监测等，本工程方案应用效果很好，这可以为类似基坑工程提供借鉴意义[4-6]。

1 基坑工程概况

山东中医药大学第二附属医院综合病房楼深基坑工程位于济南市市中区。拟建的工程包括主楼及地下车库，地上14层，地下2层，建筑平面近似矩形，平面尺寸为83.1m×88.8m，基坑开挖深度约10.6～12.1m。

基坑周边建筑林立，地下管线密布，道路纵横交错。基坑北侧6.3～8.4m为锅炉房和制剂室，地上1～2层；基坑西侧3.2～6.19m 为食堂，地上2～3 层；基坑南侧9.1～11.0m为办公楼，地上5层；基坑东侧3.0m为洗衣楼，地上2层。另外，基坑四周外5.0m范围内还分布大量的污水管、给水管、电缆沟等地下管线。基坑周边环境复杂，基坑安全性要求高。

2 地质条件

通过本次的勘察报告揭示，项目区的地貌单元比较单一，属于山前冲洪积倾斜平原，项目区内地形起伏不大，地势稍有变化，地面标高39.46～41.79m。基坑支护涉及的地层主要为：①素填土，①-1杂填土，②碎石，②-1 粉质粘土，③碎石，③-1 含碎石粉质粘土，④残积土，⑤全风化闪长岩。场区钻孔揭露地下水稳定水位埋深为4.27～4.70m，水位标高约35.85～35.88m，年变化幅度约2～3m，场地岩溶水水位标高约28.0m。基坑支护设计参数见表1。

表1 岩土勘察参数表

3 基坑工程支护设计

3.1 设计方案选型

（1）本项目开挖深度相对较大，根据项目区工程地质条件，并且考虑周边建筑物、构筑物、地下管线等及建设方的要求，决定采用桩锚支护设计方案和“两桩一锚”布设方式。基坑类型为土质基坑，分为5个支护单元，按一级基坑设计。

（2）基坑周边设计超载20kPa，建筑物根据经验取18kPa/层；施工车辆取60t，根据经验折算为30kPa；超载作用的范围是基坑坡顶外扩2m；本项目基坑设计年限为540d。

3.2 支护设计方案

（1）排桩：混凝土支护桩桩径0.6m，桩长约16.1～19.6m，桩间距1.2m；采用通长配筋，钢筋材质为HRB400强度标准值fyk=400N/mm2。

（2）锚索：长度为16.0～20.0m，间距2.4m，采用矩形布置，锚孔直径150mm，杆材为2S21.6 和3S21.6 钢绞线，采用预应力锚索，锚索与水平面夹角为15°，锚索应按要求进行锁定。腰梁为2 根22a 槽钢，承压板为200mm×200mm厚20钢板[4]。

（3）注浆材料均采用水泥浆，水泥型号P.O42.5，水灰比为0.5，均采用压力注浆，第一次注浆压力0.4～0.5MPa，二次注浆压力不应小于1.5MPa，水泥浆强度不低于M20[6]。

（4）面层：排桩立面面层钢筋网按∅6.5@300×300布置，喷砼C20，支护桩坡面混凝土厚度不小于50mm。

4 锚索现场试验

锚索的施工质量对于基坑安全至关重要。本工程进行了锚索现场试验，实施过程遵循《建筑基坑支护规程》（JGJ120-2012）要求。锚索试验包括基本试验及验收试验，主要检测抗拔承载力极限值。本项目中基本试验锚索在现场随机抽取，用于确定锚索抗拔承载力极限值，选取了3 根；验收试验进行了33 根，用于判定锚索在抗拔承载力检测值下是否发生断丝、变形等异常。具体试验过程如下所述。

4.1 基本试验

基本试验采用循环加荷法，加荷等级及位移观测时间按《建筑基坑支护规程》（JGJ120-2012）表A.2.3确定，最大加载量取设计值547kN 的1.144 倍（即625.8kN），锚头位移测读和加卸载符合A.2.5 条的规定。锚索基本试验荷载—位移P-S曲线见图1，锚索荷载—弹性位移P-Se曲线和荷载—塑性位移P-Sp曲线见图2。

图1 锚索基本试验P-S曲线

图2 锚索基本试验P-Se曲线和P-Sp曲线

根据锚索试验结果，锚索基本试验最大加载量625.8kN 时，锚头最大位移55.45～67.68mm，回弹量28.37～35.60mm，每级加载时产生的位移量均大于锚索杆体材料的伸长量，表明土层锚索其变形除材料自身弹性变形外，锚固体承担主要的轴向压应变，实测锚杆抗拔承载力极限值为625.8kN。

4.2 验收试验

验收试验采用单循环加荷法，加荷等级及位移观测时间《建筑基坑支护规程》（JGJ120-2012）表A.4.2确定，最大试验荷载下锚索杆体应力，不应超过预应力钢胶线抗拉强度标准值的0.85 倍，锚头位移测读和加卸载符合A.4.3条[7]的规定。锚索验收试验荷载—位移Q-S曲线见图3。

图3 锚索典型验收试验Q-S曲线

根据锚索试验结果，锚索验收试验最大加载量626.0kN 时，锚头最大位移55.16～60.0mm，最大回弹量33.70～37.00mm 大于杆体自由端长度理论弹性伸长量80%（26.14～27.62mm），加载至检测值时锚索位移稳定，锚索拉力值符合设计[7-10]。

5 基坑工程监测

本基坑工程监测项目包括支护结构坡顶水平位移和竖向位移、深层水平位移、锚索轴力、周围建筑物、地表裂缝监测、基坑周边地下水位监测、周边管线变形监测等。实时掌握基坑变形、周边建筑（构筑）物地基变形数据，预测发展趋势，为安全、科学的施工提供指导意义。本次基坑开挖时间为2016年5月10日，至2017年10 月22 日进行了基坑回填，监测时间总历时530d。开挖过程中进行了两次锚索施工。基坑变形情况以基坑北侧冠梁及支护结构为例进行说明，其中冠梁水平位移历史曲线见图4，基坑北侧支护结构随深度变化位移曲线见图5。

图4 基坑北侧冠梁水平位移历时曲线

从图4 看，在基坑监测周期内，冠梁水平位移总体呈增加趋势。在工程前期，基坑开挖过程中，由于受两次锚索张拉索定的影响，冠梁水平位移呈现较大变化，开挖至基底时最大值达到13.9mm；在工程中后期，支护结构施工完毕后至基坑回填时段，冠梁水平位移受坡顶施工因素的影响存在上下小幅波动，但整体趋势相对平稳。

从图5看，在基坑监测周期内，桩身水平位移随深度变化呈减小趋势，至基底时趋于0mm，即基底处桩身水平位移量基本为零。桩身水平最大位移位于桩顶附近，数值较小，仅3.2mm。在锚索附近，位移极小，说明锚索受力良好，设计参数取值比较准确、可靠。

图5 基坑北侧支护结构随深度变化位移曲线

施工过程中，我们对周边环境做了沉降观测，并进行了数据统计。统计结果是建筑物沉降6.2～9.5mm，周边道路沉降7.3～9.0mm，地下管线5.2～7.9mm，由此可见，沉降变形值比较小。

根据上述分析，基坑支护结构、周边建筑物、道路、地下管线变形均较小，均处于安全状态，并且远小于报警值，这说明预应力锚索在深基坑支护中安全可靠，应用效果非常好。

6 结语

本工程基坑相对较深，因此选用了预应力锚索进行支护，并采用了“两桩一锚”的施工方法，这样可以在保证达到设计要求的同时，减少锚索的数量，经济可靠。锚索施工完毕后，通过基本试验及验收试验，对锚索的施工质量进行了鉴定，试验结果符合规范及设计要求。为了了解基坑支护方案对周边建筑物、构筑物的影响，本项目进行了较为详细的监测。监测结果是基坑支护结构变形较小，基坑周边建筑物、构筑物基本没有变形，均处于安全状态。由此可知，本项目采用的“两桩一锚”施工方法的效果较好。与其他支护方式相比，“两桩一锚”的施工方法具有施工速度快、成本低、工期短的优势。这种工法在济南地区已得到了广泛应用，尤其在深大基坑工程中。本文所论述的设计方案、锚索试验、基坑监测等流程可为其它类似工程提供借鉴。