摘要:預應力錨桿(索)目前已經被廣泛應用處理于開挖深度大、上部存在軟土的基坑中,因其占用空間少,工作面大,節(jié)省了工程工期、解決了施工的技術難題、保證了基坑支護系統(tǒng)的可靠性、安全性。文章結合工程實例,通過預應力錨桿(索)驗收中發(fā)現(xiàn)的問題來分析其自由段長度在驗收試驗中產生的影響。
預應力錨桿柔性支護技術,自上世紀90年代以來在國內工程建設中得到了應用推廣,特別是在2000年以來廣州地區(qū)基坑設計中預應力錨桿柔性支護型式已占相當大的比例。預應力錨桿柔性支護得到迅速發(fā)展,因其工程造價低,施工方便,工期短,基坑變形小,占地空間小,支護基坑的深度大,是廣州市超深基坑支護結構的首選型式。
預應力錨桿柔性支護體系由支護面層、錨下承載結構、排水系統(tǒng)及預應力錨桿組成,其中預應力錨桿由眾多的小噸位預應力系統(tǒng)組成,屬于柔性支護體系。其原理是通過預應力錨桿被加固區(qū)錨固于潛在滑移面以外的穩(wěn)定巖土體中,錨桿的預應力通過錨下承載結構和支護面層傳遞給加固巖土體。
一、預應力錨桿(索)驗收要求
中國工程建設標準化協(xié)會標準編寫的巖土錨桿(索)技術規(guī)程(CECS22:2005),提到錨桿基本試驗出現(xiàn)下列情況之一時,可判斷錨桿破壞:(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的位移增量的2倍;(2)錨頭位移持續(xù)增長;(3)錨桿桿體破壞。這三點都可以單獨作為驗收試驗中終止加載的原因。而驗收合格的錨桿應同時滿足:(1)拉力型錨桿在最大試驗荷載下所測得的總位移量,應超過該荷載下桿體自由段長度理論彈性伸長值的80%,且小于桿體自由段與1/2錨固段長度之和的理論彈性伸長值;(2)在最后一級荷載作用下1~10min錨桿蠕變量不大于1.0mm,如超過,則6~60min內錨桿蠕變量不大于2.0mm。
二、工程實例
廣州市天河區(qū)某基坑三層地下室基坑支護工程工程地質勘察報告資料,施工期間測得各鉆孔靜止水位埋深為1.7米,抽水試驗測得地層滲透系數(shù)為1.50×10-4L/S,基坑支護為人工挖孔灌注樁+預應力錨索,基坑深度-14m,在基坑深度及影響范圍內,場區(qū)地層情況及各土巖層力學性質參數(shù)。
錨桿驗收數(shù)量為錨桿總數(shù)的5%,且不得少于3根,臨時性錨桿的最大試驗荷載取錨桿軸向拉力設計值的1.2倍。因篇幅限制不取全部試驗錨索結果進行對比,僅取其中的三根錨索試驗結果進行對比。錨索軸向拉力設計值Nu為400kN,最大試驗荷載取480kN,分六級加載,加載等級分別為Nu的0.10、0.30、0.50、0.65、0.80、1.00、1.20倍。試驗錨索均為該基坑的第二排錨桿,距離填土層約8米。
三、預應力錨索試驗結果
預應力錨索張拉使用液壓型600kN千斤頂及油壓表(編號:04-8-15226)(檢驗后的插值公式Y=0.078X+0.48),電動油壓泵加壓系統(tǒng)。
預應力錨索采用1860級四索高強低松弛鋼絞線(規(guī)格為7×Φj15),公稱直徑Φ15.24mm,錨索角度30°,錨索鉆孔Φ150,一樁一錨,錨固段進入強(中)風化巖不小于7m,試驗前錨索均未鎖定,設計錨索長度32m,自由段10m,鎖定荷載為300kN。
鋼絞線截面積取140mm2,鋼絞線彈性模量取195GPa,預應力錨索理論計算總位移量的下限為35.16mm,上限為92.31mm。如果完全從規(guī)范的要求判斷該三根錨索中預錨1和預錨2為不合格,預錨3為合格。三根預錨的最大極限荷載分別為260kN、0kN、480kN。在試驗的過程中本人觀察到有部分錨桿在小荷載下(荷載小于設計軸向拉力0.65的荷載)的位移量偏大,而在大荷載的情況下相對位移量較小,如果不從位移量判斷,盡管預錨1在小荷載下的位移量比較大,該三根錨索的最大試驗荷載均可以達到,而且穩(wěn)定。
四、預應力錨索試驗結果分析及基坑監(jiān)測
預錨1的位移量變化偏大,后期趨向發(fā)散,在最大試驗荷載下穩(wěn)定;預錨2的位移量在小于0.65Nu的荷載下比較大,在0.10Nu到0.30Nu的荷載下位移量就有79.94mm,后期趨于穩(wěn)定;預錨3的位移量比較正常,位移量在理論計算范圍內。
對同一地質條件,相同長度的錨桿(索)在相同荷載條件下,自由段的長短對總位移的影響是自由段越短,總位移的越小,自由段越長,總位移的越大。正常的錨桿(索)的總位移位于理論計算的下限和上限之間。
根據(jù)地質條件,可以把錨桿(索)看成三段,自由段、土層錨固段(包括全風化層錨固段,而淤泥及淤泥質層的錨固段可當自由段)和巖層錨固段。錨桿(索)的位移是自由段伸長量和錨固段相對于土體的位移總和。從三根預錨的位移分析,預錨1總位移偏大,而且大荷載下的位移也較大,該錨索可以達到最大荷載,錨索桿體未破壞,只是巖層錨固段錨固力比較小或無巖層錨固力,而土層錨固段提供的摩擦力比較小,導致該錨索總位移偏大。預錨2和預錨3盡管小荷載下的位移偏大,但在大荷載下,巖層錨固段提供的摩擦力比較大,后期位移偏小。
對于可能造成位移量偏大的原因在試驗上可能是試驗錨具夾片滑動,通過試驗后夾具的痕跡排除這種可能性,而且這種因素對錨桿的判斷不會造成很大的影響;在施工上可能為注漿上的因素,而注漿差的錨索等效于增加了自由段的長度;在設計上可能為錨索長度控制有關,特別是自由段長度的控制。規(guī)范規(guī)定:“錨桿自由段長度不宜小于5m,對于傾斜錨桿,其自由段長度應超過破裂面1m”,該工程錨索自由段按近似1/3錨桿長度的施工經驗設計。
預應力錨索理論計算總位移量的下限為35.16mm,上限為92.31mm。如果完全按規(guī)范判斷,三根錨索中預錨1和預錨2為不合格,預錨3為合格。三根預錨的最大極限荷載分別為260kN、120kN、480kN。而從鎖定力300kN看,預錨1后期位移較大,預錨2和預錨3后期位移較小??紤]到鎖定后對基坑的影響,對預錨1進行了處理,即加鉆了兩根錨索。
基坑在分段開挖土方進行錨索施工,待錨索鎖定后進行基坑中部大面積的開挖,監(jiān)測結果知該基坑側向位移較小,錨索鎖定后基坑側向位移最大值僅19.00mm,未超過設計水平位移控制值35.00mm(0.0025H),基坑穩(wěn)定。
五、結語
柔性支護體系受力主要依靠錨下承載結構承擔錨固力,自由段在設計較長的情況下會導致小荷載下的伸長量明顯,在大荷載時會出現(xiàn)本案例的伸長量相對較小的情況,在驗收時錨桿(索)均未鎖定狀態(tài),這樣會增加基坑的安全隱患,特別是對側向位移要求較高的基坑。
錨桿(索)驗收中規(guī)定在最大試驗荷載下所測得的總位移量,應超過該荷載下桿體自由段長度理論彈性伸長值的80%,是考慮到自由段過短不能充分發(fā)揮錨下承載結構下端受力而要求的,但對于自由段長度上限未做定性規(guī)定。
對大荷載下錨桿位移相對小的錨桿進行驗收時,如果對按設計要求鎖定的錨桿(索)(初始張力為殘余鎖定力)進行張拉可能會發(fā)現(xiàn)錨桿(索)能夠滿足設計要求的極限荷載,而不能發(fā)現(xiàn)該錨桿的實際位移量(如本案例中的錨索在小荷載下因為未鎖定時張拉產生較大的位移量),而自由段過長的錨桿(索)僅依靠錨下承載結構特別是巖層錨固段提供的錨固力,盡管可以滿足錨桿(索)極限設計荷載需要,但未利用土層段所能提供的的摩擦力,在施工上顯然不夠經濟;對無巖層錨固段的錨桿(索),土層錨固段的摩擦力有限,在荷載作用下的位移較大,對基坑的施工安全存在很大的隱患。
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