幾種預應力錨索在軟土地區基坑支護中的試驗及其應用分析

云南建工基礎工程有限責任公司 昆明 650501

1 工程實例

1.1 工程概況

本基坑建設場地位于昆明市西山區陸家社區片區，擬建場地東鄰規劃清水河河道，基坑距離河道3～20 m；南側緊靠日新中路（十里長街），基坑開挖邊線距道路邊線約20 m，日新中路范圍地下管線較多，日常車流量大；西側為規劃道路，北側緊鄰核心商務區。本基坑的開挖深度為11.10～11.50 m，周長約570.00 m，基坑底面積約為15 769 m2，為一級基坑。圖1為基坑平面示意，其中陰影部分為基坑部分。

圖1 基坑周邊環境位置示意

1.2 工程地質條件

根據勘察報告，擬建場地位于昆明滇池斷陷盆地中部地段，為滇池盆地湖相沉積平原地貌，場地內地基土主要為：第四系人工填土層雜填土，第四系沖洪積黏土層，第四系湖沼積黏土、泥炭質土、粉土層。

1.3 水文地質條件

本工程基坑主要含水層為表層雜填土和深下部粉土，地下水類型主要為賦存于松散雜填土中的孔隙型潛水，以及粉土層中的第四系微承壓孔隙水。表層雜填土中含有少量上層滯水，受大氣降水和地表水（場地附近居民生活用水及地下排水管滲漏水）補給和控制。清水河新河道位于場地東側并以涵管形式于場地東南角穿過，位于場地外段河道距場地距離3～35 m。河流流量為78.30 L/s，總體流量較小，汛期稍大，河水水面與場地高差約3 m。綜合評價本場地為弱透水土層，但鄰近河道側需加強防范。

1.4 基坑支護方案

根據基坑周邊及場地地層條件，并結合現場實測標高、距離及地下水位等情況，確定以下設計方案：

1）基坑北側：采用1∶2兩級放坡加鋼管錨桿支護，三軸深層水泥土攪拌樁作止水帷幕；

2）基坑東側：采用上部2.00 m放坡加旋挖鉆孔灌注樁加1排地面拉錨方案加2排預應力錨索支護，支護樁樁徑1 000 mm，樁間距1 500 mm，三軸深層水泥土攪拌樁作止水帷幕；

3）基坑東南涵管側：采用雙排長螺旋鉆孔灌注樁加1排地面拉錨方案加2排預應力錨索支護，支護樁樁徑800 mm，樁間距1 100 mm，三軸深層水泥土攪拌樁作止水帷幕；

4）基坑南側：擬采用上部2.00 m放坡加雙排長螺旋鉆孔灌注樁加4排預應力錨索支護，支護樁樁徑800 mm，樁間距1 300 mm，三軸深層水泥土攪拌樁作止水帷幕；

5）基坑南側：與擬建J地塊相鄰，擬設計將2個地塊進行聯合支護，本基坑采用上部2.00 m放坡加旋挖鉆孔灌注樁加1排地面拉錨方案加2排預應力錨索支護，錨樁為J地塊支護樁，2個地塊支護樁用錨索兩端鎖定。本基坑支護樁樁徑1 000 mm，樁間距1 500 mm，三軸深層水泥土攪拌樁作止水帷幕。

2 錨索試驗

2.1 幾種預應力錨索實驗介紹

2.1.1 普通跟管預應力錨索（A組）

1）成孔φ180 mm，孔位允許偏差不大于50 mm，錨索角度為20°，孔深超過設計長度1.00 m作為沉渣段；

2）錨索鋼絞線材料強度標準值1 860 MPa；

3）成孔導管跟進，利用水壓沖切土體并將切割的土體經過導管排出；

4）注漿液采用水泥漿，水泥漿采用P.O 42.5水泥拌制，水灰比為0.50；

5）采用二次壓力注漿工藝，第1次采用常壓注漿，第2次壓力注漿應在水泥漿初凝后、終凝前進行，二次注漿壓力不應小于1.50 MPa。

2.1.2 水泥漿跟管預應力錨索（B組）

1）成孔φ180 mm，孔位允許偏差不大于50 mm，錨索角度為20°，孔深超過設計長度1.00 m作為沉渣段；

2）成孔導管跟進，利用壓力水泥漿沖切土體并將切割的土體經過導管排出，水泥漿水灰比為1.00～1.20；

3）其他參數與普通跟管預應力錨索相同，主要區別在于在成孔時用壓力水泥漿代替清水切割土體。

2.1.3 鋼管內插預應力錨索（C組）

1）利用φ76 mm×3.50 mm鋼管直接擊入土體，擊入土體的鋼管長度及角度均與設計錨索相同，在鋼筋端部進行封堵；

2）在鋼管中放入已經制作好的鋼絞線錨索，鋼絞線材料強度標準值1 860 MPa；

3）注漿液采用水泥漿，水泥漿采用P.O 42.5水泥拌制，水灰比為0.50；

4）采用二次壓力注漿工藝，第1次采用常壓注漿，第2次壓力注漿應在水泥漿初凝后、終凝前進行，二次注漿壓力不應小于1.50 MPa。

2.2 試驗目的

1）在錨索長度、角度等參數相同的情況下，試驗以上3種預應力錨索的極限張拉力、錨頭位移、周邊地表沉降量；

2）同種預應力錨索在錨索長度不同的情況下，錨索極限張拉力的增加幅度大小；

3）區別于普通跟管預應力錨索的其他2種錨索的施工可操作性；

4）復核地勘報告提出的錨桿的極限黏結強度標準值；

5）試驗以上3種預應力錨索在軟土地基的徐變率大小。

2.3 錨索基本試驗、徐變試驗參數

根據本工程進行錨索試驗，錨索基本試驗分6組（A1、B1、C1、A2、B2、C2），每組3根，共18根錨索（錨索編號A11、A12、A13、B11、B12、B13……）。錨索徐變試驗分3組，每組3根，共9根錨索（錨索編號A31、A32、A33、B31、B32、B33……）。其中A1、B1、C1組錨索的桿體索數為3×7φ5 mm，其余6組錨索的桿體索數為4×7φ5 mm，孔徑均為180 mm，角度均為20°。A1、B1、C1、A3、B3、C3組錨索的自由段長7 m，錨固段長20 m；A2、B2、C2組錨索的自由段長9 m，錨固段長25 m。A1、B1、C1組錨索的拉力設計值為500 kN；A2、B2、C2組錨索的拉力設計值為600 kN；A3、B3、C3組錨索的軸向拉力標準值為450 kN[1,2]。

2.4 錨索試驗方法

2.4.1 基本試驗（極限抗拔承載力試驗）

錨桿極限抗拔承載力試驗宜采用多循環加載法，其加載分級和錨頭位移觀測時間按表1確定，采用單循環加載時，其加載分級和錨頭位移觀測時間按表1中每一次循環的最大荷載及相應的觀測時間逐級加載，逐級加載百分比見表1。

表1 錨索基本試驗加載分級與錨頭位移觀測時間

在試驗過程中出現以下情況之一時，終止繼續加載：

1）后一級荷載產生的錨頭位移增量達到或超過前一級荷載產生位移增量的5倍；

2）錨頭位移不收斂；

3）錨頭總位移超過設計允許位移值；

4）錨索桿體被拉斷。

當在某級試驗荷載下出現以上4條規定的終止繼續加載情況時，應取終止加載的前一級荷載，未出現時，應取最大試驗荷載值。施工現場為節約資源與時間，所有試驗錨索腰梁采用鐵路枕木拼接而成，由于在錨索張拉試驗過程中枕木腰梁后方土體會存在壓縮變形，試驗錨索錨頭的實際位移應為錨頭的實測位移減去腰梁后方土體的壓縮量。腰梁后方土體位移量采用分層總和法進行計算。

2.4.2 徐變試驗

徐變試驗的加載分級和錨頭位移觀測時間按表2確定，在觀測時間內荷載必須保持恒定。錨索軸向拉力標準值Nk=450 kN，每級荷載按時間間隔1 min、5 min、10 min、15 min、30 min、45 min、60 min、90 min、120 min記錄徐變量。

表2 錨索徐變試驗加載分級與錨頭位移觀測時間

3 錨索試驗結果

3.1 錨索基本試驗結果

1）A11、A12、A13極限抗拔承載力平均值為524.67 kN，極差值為34 kN，小于平均值的30%，取其平均值524.67 kN為錨固段20 m的普通跟管預應力錨索在該場地的極限抗拔承載力，地表平均沉降值為12.30 mm。

2）B11、B12、B13極限抗拔承載力平均值為645.33 kN，極差值為42 kN，小于平均值的30%，取其平均值645.33 kN為錨固段20 m的水泥漿跟管預應力錨索在該場地的極限抗拔承載力，地表平均沉降值為5.62 mm。

3）C11、C12、C13極限抗拔承載力平均值為503.33 kN，極差值小于平均值的30%，取503.33 kN為錨固段20 m的鋼管內插預應力錨索在該場地的極限抗拔承載力，地表平均沉降值為2.01 mm。

4）A21、A22、A23極限抗拔承載力平均值為630 kN，極差值為46 kN，小于平均值的30%，取630 kN為錨固段25 m的普通跟管預應力錨預應力索在該場地的極限抗拔承載力，地表平均沉降值為14.58 mm。

5）B21、B22、B23極限抗拔承載力平均值為730.67 kN，極差值為43 kN，小于平均值的30%，取730.67 kN為錨固段25 m的水泥漿跟管預應力錨索在該場地的極限抗拔承載力，地表平均沉降值為8.65 mm。

6）C21、C22、C23極限抗拔承載力平均值為564 kN，極差值小于平均值的30%，取564 kN為錨固段25 m的鋼管內插預應力錨索在該場地的極限抗拔承載力，地表平均沉降值為3.69 mm。

3.2 錨索徐變試驗結果

本基坑共有9根試驗錨索進行徐變試驗，結果如下：

1）A31、A32、A33普通跟管試驗錨索在≤1.20Nk（540 kN）加載值的情況下，徐變率均未超過2 mm；在1.50Nk（675 kN）加載值的情況下，3根錨索的徐變率均大于2 mm，不符合要求。

2）B31、B32、B33水泥漿跟管試驗錨索在1.50Nk（675 kN）加載值的情況下，3根錨索的徐變率均小于2 mm，符合規范要求。

3）C31、C32、C33鋼管內插試驗錨索在≤1.20Nk（540 kN）加載值的情況下，徐變率均未超過2 mm；在1.50Nk（675 kN）加載值的情況下，錨索錨頭位移不收斂，所測數據不規律，無法計算其徐變率，不符合要求。

4 結語

本基坑支護工程改變錨索施工工藝后獲得了很好的支護效果，尤其是對周邊環境的影響，同時通過在軟土地區的錨索應用得出了以下結論與建議[3,4]：

1）在昆明市軟土地區基坑工程中應用普通跟管預應力錨索時，在水洗成孔過程中，若水壓過大則基坑周邊地表沉降嚴重；若水壓過小，則難以將所切割土體排出 。

2）水泥漿跟管預應力錨索與普通跟管預應力錨索相比，在成孔過程及成孔后，其對周邊環境的影響要小很多，因為用一定濃度水泥漿沖切土體時，水泥漿液進入土體裂隙中，對土體進行一定程度的加固，改善了其物理力學指標；但如果漿液濃度過高，水泥漿跟管預應力錨索在施工過程中可能會存在堵管現象。

3）在本次錨索基本試驗中，同等條件下，水泥漿跟管預應力錨索極限抗拔承載力較普通跟管預應力錨索能夠提高20%，同時徐變現象、錨索張拉力衰減情況也較輕。

4）在以上3種不同工藝的施工中，鋼管內插預應力錨索對周邊環境影響最小，因為錨索外套鋼管，在成孔過程中，周邊地表沉降幾乎不受影響。但同時，由于受鋼管直徑大小的限制，錨索的極限承載力較其余2種小。

5）鋼管內插預應力錨索施工工藝成本較高，但錨索養護期短，可作為軟土地區基坑變形的一種應急措施。