樁錨支護中錨桿張拉順序對預應力影響的試驗研究

陳全飛 趙杰偉 郭蘭杰

（1.中兵勘察設計研究院有限公司，北京 100053；2.中電投工程研究檢測評定中心有限公司，北京 100840）

0 引言

在巖土錨固的設計和應用中，錨桿預應力的損失及其控制方法對錨固工程的質量和成效有極大關系。錨桿初始預應力值過度的損失或增大，都是有害的。初始預應力損失過大，意味著主動作用力的減小，不利于結構穩定和抑制變形；初始預應力過度增大，會加大對預應力筋應力腐蝕的危險，甚至引起預應力筋的斷裂[1]。

1 研究現狀

國內外許多學者對影響錨桿初始預應力的因素做了諸多研究[2]：預應力損失主要是由錨桿鋼材的松弛和受荷地層的徐變造成的；其次，錨固介質中發生的沖擊和錨桿荷載的變化，會引起明顯的錨桿預應力損失。

通過對各類鋼材的試驗發現，受荷100 h后松弛損失約為受荷1 h所發生損失的2倍，約為受荷1000 h后預應力損失量的80%。鋼材的應力松弛與張拉荷載大小相關，當施加的應力大于鋼材強度的50%時，應力松弛就會明顯加大，并隨荷載的增大而增大。鋼材品種和是否采用超張拉對預應力松弛也有顯著影響。

地層在錨桿拉力作用下的徐變，是由于巖層或土體在受荷影響區域內應力作用下產生的塑性壓縮或破壞造成的。對于預應力錨桿，徐變主要發生在應力集中區，即靠近自由段的錨固段區域及錨頭以下的錨固結構表面。程良奎等[3]對上海太平洋飯店和北京新僑飯店地層中的錨桿預應力變化監測發現，在外力作用下錨桿預應力變化趨勢與錨固地層的徐變趨向基本一致，在砂質土和黏性土中的錨桿，鎖定后的5 d內，都呈現預應力值的明顯降低，約在一個月后趨于穩定。基坑下部土層開挖，對錨桿預應力變化與基坑土質和支擋結構的剛度有關。在土質較好且采用剛度較大的護壁樁，錨桿鎖定后開挖下步土方到全部挖方完成，對錨桿預應力變化無明顯影響；在飽和淤泥地層并采用剛度較小的板樁，錨桿下部土體開挖引起板樁位移，相應地帶動錨頭移動，錨桿預應力上升。而預應力值增加會導致地層徐變和預應力筋應力松弛加大。

美國曾研究過爆破對水平層狀白云石礦山錨固系統的影響，距離越近預應力損失越明顯。

潮汐、風荷載等變異荷載，對保持錨桿預應力和錨固體的錨固力，有不利影響。國外的一些標準規定，預應力錨桿上的變異荷載不大于設計拉力值15%。

程良奎[2]在分析引起錨桿預應力損失的主要因素后，提出采用適宜的荷載比（錨桿鎖定荷載與極限承載力之比）β值、再次或多次補張拉對于減少錨桿預應力損失有明顯效果。

陳全飛[4]在研究了不同自由段下錨桿預應力損失變化規律后，認為錨桿自由段越長，預應力錨桿鎖定及下步土方開挖及穩定后，其預應力損失越小。

雖然不同學者對影響錨桿初始預應力的因素做了諸多研究，但是不同張拉順序對錨桿預應力的影響研究較少。本文針對北京地區某深基坑樁錨支護不同張拉順序下的錨桿預應力進行了試驗研究。

2 工程及地質概況

本基坑工程位于北京市，基坑深度10.53 m。基坑支護采用樁錨支護。涉及的地層為①—⑤層，見表1。地下水位于地面下3.70 m、8.70 m。

表1 土層參數

3 基坑支護設計參數

護坡樁樁徑800 mm，樁間距1.60 m，嵌固深度5.37 m、5.47 m，樁身混凝土強度等級C25，樁身配筋為主筋1422，加筋箍筋為16@2000，圈筋為φ8@200。

共設置二排預應力錨桿，錨桿傾角15°，直徑150 mm，一樁一錨。錨桿錨固段位于黏性土地層，均采用二次劈裂注漿。腰梁采用2根25b工字鋼。基坑止水采用止水帷幕，帷幕樁長14.0 m，樁頂位于地面下2.6 m。具體支護參數見圖1，錨桿設計參數見表2。

圖1 典型剖面圖（單位：mm）

表2 錨桿設計參數

4 試驗方案及數據分析

4.1 試驗方案

本次試驗位置選取在第一排錨桿位置，試驗方案按照張拉順序分為三種：依次張拉鎖定（見圖2）、先張拉鎖定兩端再依次張拉鎖定（見圖3）、間隔張拉鎖定（見圖4），每種張拉鎖定順序選擇3根鋼梁，共計21根錨桿。本次共設置9根鋼梁，62根錨桿。預應力張拉時取標準值的1.4倍進行張拉。

圖2 張拉鎖定順序1

圖3 張拉鎖定順序2

圖4 張拉鎖定順序3

4.2 數據分析

（1）不同工況下預應力損失率變化

本次試驗數據監測從張拉鎖定開始，直至地底板澆筑完畢。圖5—圖13為不同張拉順序下預應力隨時間的損失率。（正損失量代表預應力值增加，負損失量代表預應力值減小）

圖5 1號鋼梁預應力損失率隨時間變化

圖6 2號鋼梁預應力損失率隨時間變化

圖7 3號鋼梁預應力損失率隨時間變化

圖8 4號鋼梁預應力損失率隨時間變化規律

圖9 5號鋼梁預應力損失率隨時間變化規律

圖10 6號鋼梁預應力損失率隨時間變化

圖11 7號鋼梁預應力損失率隨時間變化

圖12 8號梁預應力損失率隨時間變化

圖13 9號梁預應力損失率隨時間變化

從張拉順序1可知，1號鋼梁預應力錨桿預應力值損失率主要集中在10%～-23%；2號鋼梁預應力值損失率主要集中在10%～-10%；3號鋼梁錨桿預應力值損失率主要集中在-3%～-18%。同時還發現3根鋼梁上出現異常數據，異常數據分布在靠邊緣部位，認為此種張拉順序對靠邊緣部位預應力值及損失率影響較大。通過上述分析，在張拉鎖定完成后至開挖穩定時，錨桿預應力損失率在10%～-23%范圍內。

從張拉順序2可知，4號鋼梁錨桿預應力值損失率主要集中在10%～-15%范圍內；5號鋼梁錨桿預應力值損失率主要集中在18%～-23%；6號鋼梁錨桿預應力值損失率主要集中在10%～-15%。通過上述分析，在張拉鎖定完成后至開挖穩定時，錨桿預應力損失率在18%～-23%范圍內。主要集中在10%～-20%，但是損失率分布比較離散。

從張拉順序3可知，7號梁錨桿預應力損失率主要集中在0～20%和-19%～-25%；8號梁錨桿預應力損失率主要集中在0～-10%和-20%～-30%；9 號梁錨桿預應力損失率主要集中在-8%～10%范圍內。通過上述分析，在張拉鎖定完成后至開挖穩定時，錨桿預應力值、損失率、變化值在20%～-30%范圍內，但是損失率分布比較離散。

（2）鎖定完成時預應力損失率變化規律

圖14—圖16為在整根鋼梁錨桿鎖定完畢后，不同張拉順序下錨桿預應力值損失率變化規律。張拉鎖定順序1即圖14在鎖定完成時，錨桿預應力損失率主要集中在-18%～15%；張拉順序2即圖15在鎖定完成時，錨桿預應力損失率主要集中在-20%～12%；張拉順序3即圖16在鎖定完成時，錨桿預應力損失率主要集中在-20%～12%。

圖14 鎖定完時預應力損失率變化規律

圖15 鎖定完時預應力損失率變化規律

圖16 鎖定完時預應力損失率變化規律

（3）開挖下一步土方后預應力損失率變化規律

圖17—圖19為下一步土方開挖完成時（開挖深度3.5 m），預應力值穩定后，不同張拉順序下預應力值損失率變化規律。從圖17可知，鎖定越早預應力值損失率越大，鋼梁兩頭位置損失率最大，中間最小，且錨桿預應力值損失率主要集中在-6%～0；從圖18 可知，錨桿預應力值損失率主要集中在-8%～5%；從圖19可知，錨桿預應力值損失率主要集中在-4%～0，但是最大損失率較大，主要集中在-12%～-10%，且鋼梁兩頭預應力值損失率比中間位置的預應力值損失率大。

圖17 開挖下一步后預應力損失率變化規律

圖19 開挖下一步后預應力損失率變化規律

（4）開挖至槽底后預應力損失率變化規律

圖20—圖22為土方開挖至槽底，預應力值穩定后，不同張拉順序下預應力值損失率變化規律。從圖20可知，錨桿預應力值損失率主要集中在-5%～5%；從圖21可知，錨桿預應力值損失率主要集中在-8%～8%；從圖22可知，錨桿預應力值損失率主要集中在-9%～2%，但是最大損失率較大，且鋼梁兩頭預應力值損失率比中間位置的預應力值損失率大。

5 結論

（1）腰梁采用工字鋼時，張拉順序對錨桿預應力損失有較大影響，主要是腰梁型號影響較大，通過對剛鎖定完成、開挖下一步土方、開挖至槽底等階段預應力的損失率變化規律分析總結可知，依次張拉的鎖定順序，錨桿的預應力損失率最小。建議在類似地層及支護形式下錨桿張拉鎖定順序采用依次張拉的工藝

圖20 開挖完成后預應力損失率變化規律

圖21 開挖完成后預應力損失率變化規律

圖22 開挖完成后預應力損失率變化規律

（2）先鎖定兩頭再依次張拉錨桿預應力值損失率居中，先鎖奇數編號再鎖偶數編號錨桿預應力值損失率最大

（3）張拉鎖定順序2和3損失率數據比較離散，施工過程應注意避免。