預(yù)應(yīng)力錨索不均勻受力原因分析及對(duì)策

邢曉飛, 師亞龍, 沈文輝, 盧穎明

(1. 中鐵西南科學(xué)研究院有限公司，四川 成都 611731； 2. 中鐵馬來(lái)西亞?wèn)|方隧道公司，馬來(lái)西亞 吉隆坡，58100；3. 武漢地鐵集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430030)

0 引 言

隨著城市的發(fā)展，越來(lái)越多的深大基坑出現(xiàn)在城市中。預(yù)應(yīng)力錨索加固技術(shù)由于其經(jīng)濟(jì)合理、安全可靠、施工快捷、及對(duì)巖體擾動(dòng)小等優(yōu)點(diǎn)被廣泛運(yùn)用到基坑及邊坡加固中[1-2]。錨索在張拉過(guò)程中，同一錨束中的多跟鋼絞線存在受力嚴(yán)重不一致現(xiàn)象，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)錨索張拉試驗(yàn)可知，多數(shù)錨索測(cè)力計(jì)示值偏心達(dá)50%以上，如表1，甚至出現(xiàn)個(gè)別應(yīng)變計(jì)不受力現(xiàn)象，嚴(yán)重影響施工安全，為基坑后續(xù)開(kāi)挖埋下安全隱患。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)錨索偏心受力研究甚少，大多數(shù)研究集中在錨索測(cè)力計(jì)讀數(shù)大小與千斤頂示值不一致現(xiàn)象的對(duì)比分析及相關(guān)預(yù)應(yīng)力損失這方面[3-7]，對(duì)錨索本身的不均勻受力研究較少。

付文光等[8]通過(guò)對(duì)室內(nèi)外試驗(yàn)與工程數(shù)據(jù)匯總分析，得到軸力計(jì)示值與千斤頂示值不匹配的主要原因?yàn)椋簝x器設(shè)備使用錯(cuò)誤及數(shù)據(jù)錯(cuò)誤、測(cè)量?jī)x器誤差、構(gòu)件誤差及安裝誤差等導(dǎo)致的施工誤差、錨索張拉及鎖定時(shí)應(yīng)力損失等；韓光等[9]對(duì)預(yù)應(yīng)力錨索應(yīng)力損失的影響因素及其補(bǔ)償措施進(jìn)了詳細(xì)對(duì)比分析和研究，得出了影響錨索預(yù)應(yīng)力損失的因素包括，錨索材料鋼絞線的松弛、錨固對(duì)象巖土體的變形以及施工中的張拉、鎖定等；陳沅江等[10]通過(guò)對(duì)邊坡的預(yù)應(yīng)力錨索現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，得出了錨索預(yù)應(yīng)力損失定量規(guī)律，并將預(yù)應(yīng)力損失分為定量損失和時(shí)程損失，其中前者占比大約為初始張拉荷載的8%，后者分為短期和長(zhǎng)期損失，其中長(zhǎng)期損失可占初始張拉荷載的15%左右；劉新榮等[11]通過(guò)對(duì)基坑預(yù)應(yīng)力損失規(guī)律及分級(jí)張拉控制措施進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)使用分級(jí)分步張拉，可有效控制張拉鎖定及開(kāi)挖過(guò)程中的預(yù)應(yīng)力損失。

目前國(guó)內(nèi)對(duì)于預(yù)應(yīng)力錨索張拉過(guò)程中，錨束偏心受力的情況研究較少。因此，筆者針對(duì)預(yù)應(yīng)力錨索張拉過(guò)程中產(chǎn)生的偏心受力問(wèn)題進(jìn)行詳細(xì)分析，并對(duì)其存在的問(wèn)題給出了相應(yīng)的措施，為今后類(lèi)似工程提供參考。

表1 某地鐵車(chē)站錨索測(cè)力計(jì)受力統(tǒng)計(jì)Table 1 Force statistics of an anchor cable dynamometer at a subway station

1 預(yù)應(yīng)力錨索施工工藝流程

錨索在施工前，首先應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙，進(jìn)行測(cè)量放樣，確定其準(zhǔn)確位置。其次確定鉆孔角度，然后調(diào)整鉆機(jī)鉆頭的傾斜角度，進(jìn)行鉆孔作業(yè)。在鉆孔作業(yè)中，應(yīng)注意當(dāng)鉆頭進(jìn)入軟硬土層交界面時(shí)，鉆頭角度極易產(chǎn)生偏差，造成所鉆孔的傾斜角度與設(shè)計(jì)角度有一定偏差，此時(shí)應(yīng)注意控制鉆孔速度。然后向錨索孔中，投放預(yù)應(yīng)力鋼絞線。再對(duì)錨索孔灌漿處理，并預(yù)留混凝土塊，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，待達(dá)到設(shè)計(jì)張拉強(qiáng)度，進(jìn)行預(yù)張拉。最后根據(jù)設(shè)計(jì)分級(jí)張拉荷載，達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)加荷載時(shí)進(jìn)行鎖定。錨索主要施工流程如圖1。

2 預(yù)應(yīng)力鋼絞線偏心受力原因分析

錨索測(cè)力計(jì)是測(cè)試錨索受力的主要測(cè)試元件，首先將達(dá)到強(qiáng)度要求的預(yù)應(yīng)力鋼絞線穿過(guò)錨索測(cè)力計(jì)，錨索測(cè)力計(jì)安裝于錨墊板與工具錨之間，在每級(jí)荷載下，測(cè)讀錨索測(cè)力讀數(shù)。

圖1 錨索施工工藝流程Fig. 1 Flow diagram for cable construction process

根據(jù)各應(yīng)變計(jì)的讀數(shù)計(jì)算整個(gè)預(yù)應(yīng)力錨索的受力情況?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明，每次加壓后各應(yīng)變計(jì)的變化量不相同，有時(shí)差別還較大，即表明錨束之間存在不均勻受力。

由錨索施工工藝流程可以看出，造成鋼絞線偏心受力的主要原因大致可以分為兩個(gè)方面：① 施工誤差，是主要因素，并且只能減小，很難消除；② 設(shè)備因素，由張拉設(shè)備不匹配及張拉過(guò)程中千斤頂重力所引起。

2.1 施工誤差

1)錨孔傾斜角度誤差。錨孔傾斜角度誤差是指實(shí)際傾斜角度與設(shè)計(jì)傾斜角度不一致，造成該現(xiàn)象的主要原因有：① 鉆機(jī)鉆頭開(kāi)鉆時(shí)，定位錯(cuò)誤；② 鉆機(jī)在鉆孔過(guò)程中，鉆機(jī)擺放位置處的地基不穩(wěn)，造成不均勻沉降；③ 當(dāng)鉆頭由樁體進(jìn)入土體以及由土體進(jìn)入巖石時(shí)，鉆頭角度極易產(chǎn)生偏差，造成所鉆孔的傾斜角度與設(shè)計(jì)角度有一定偏差。

2)錨座或腰梁安裝誤差。基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)中的錨索張拉均是成批次、對(duì)稱(chēng)進(jìn)行，錨索基座的安裝位置均設(shè)置在腰梁上，腰梁在施做過(guò)程中由于每根樁表面鑿除時(shí)，很難做到完全平整一致，使腰梁與錨座在安裝過(guò)程中存在一定的施工誤差。

3)鋼絞線伸出端頭角度不一致。錨束放入錨孔中后，注漿造成同一錨束中的多條鋼絞線，特別是端頭處的鋼絞線，張開(kāi)角度不一致，如圖2。導(dǎo)致鋼絞線在穿過(guò)錨具錨孔時(shí)，產(chǎn)生的附加應(yīng)力不一致，導(dǎo)致后續(xù)張拉過(guò)程中各根鋼絞線受力大小不一，產(chǎn)生偏心現(xiàn)象。

圖2 端頭處鋼絞線張開(kāi)角度Fig. 2 Strand opening angle at the end

4)鋼墊板在張拉過(guò)程中產(chǎn)生變形，以及鋼墊板表面平整度較低等，使錨索產(chǎn)生偏心受力現(xiàn)象。

2.2 設(shè)備因素

1)張拉設(shè)備不匹配，造成較大偏心現(xiàn)象。錨具、夾具以及張拉千斤頂均應(yīng)配套檢定、配套使用，應(yīng)避免錨具孔數(shù)與鋼絞線根數(shù)不匹配現(xiàn)象。

2)千斤頂自重。張拉過(guò)程中應(yīng)采取懸吊措施，抵消千斤頂在自重應(yīng)力作用下所造成的“低頭現(xiàn)象”。

3 現(xiàn)場(chǎng)張拉試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)前期已安裝的錨索測(cè)力計(jì)，從測(cè)試數(shù)據(jù)來(lái)看，大部分錨索測(cè)力計(jì)均存在較大的偏心受力現(xiàn)象，表明多數(shù)錨索受力偏心較大，對(duì)結(jié)構(gòu)安全性埋下了安全隱患?；诖?，筆者在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行多次張拉試驗(yàn)。試驗(yàn)主要分為兩種情況進(jìn)行：① 常規(guī)張拉方法，錨索測(cè)力計(jì)直接安裝在鋼墊板上如圖3(a)；② 在鋼墊板上添加輔助糾偏裝置，然后將錨索測(cè)力計(jì)安裝在輔助糾偏墊盤(pán)上如圖3(b)。

圖3 預(yù)應(yīng)力錨索現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)Fig. 3 Field test of prestressed anchor

圖4、圖5分別為常規(guī)加壓和添加糾偏墊盤(pán)時(shí)的偏心率變化曲線圖。由圖4、5可以看出，① 常規(guī)加載情況下，錨索偏心率并不隨著加載應(yīng)力的增大而減小，添加有糾偏裝置的錨索測(cè)力計(jì)偏心率隨加載應(yīng)力的增加大幅減小；② 兩種加載方式下，初始偏心率均較大，且無(wú)規(guī)律；③ 帶有糾偏墊盤(pán)的錨索測(cè)力計(jì)在加載過(guò)程具有自適應(yīng)糾偏功能，隨著加載力加大，墊盤(pán)產(chǎn)生滑移，從而起到應(yīng)力調(diào)整使受力均勻的作用。

在個(gè)別添加糾偏裝置錨索張拉試驗(yàn)中，效果并不是很明顯。此時(shí)可以通過(guò)外力，懸吊千斤頂使墊盤(pán)產(chǎn)生滑動(dòng)，減小偏心率。在外力糾偏時(shí)，應(yīng)清楚錨索偏心方向，以免造成反向調(diào)節(jié)，從而使錨索偏心率增大。

圖4 正常加壓下錨索偏心率曲線圖Fig. 4 Anchor cable eccentric curve with normal pressurization

圖5 添加輔助糾偏裝置時(shí)錨索測(cè)力計(jì)偏心率曲線圖Fig. 5 Anchor cable dynamometer eccentric curveunder auxiliary corrective device

4 預(yù)應(yīng)力錨索最大允許偏心率

根據(jù)吉隆坡地鐵大馬城北站設(shè)計(jì)公司所給出的錨索工作荷載、極限荷載以及預(yù)警荷載，對(duì)預(yù)應(yīng)力錨索最大允許偏心率進(jìn)行探討。表2為一對(duì)預(yù)應(yīng)力錨束受力設(shè)計(jì)值。該表所給量值均為每對(duì)錨束的設(shè)計(jì)值，而在實(shí)際中設(shè)計(jì)有2～6對(duì)，此時(shí)受力設(shè)計(jì)值則按倍數(shù)增加。

表2 預(yù)應(yīng)力錨索張拉設(shè)計(jì)值Table 2 Prestressed anchor cable tension design

錨索所能承受的最大偏心率，即個(gè)別錨束在達(dá)到極限抗拉強(qiáng)度時(shí)，所受到的最大偏心率。筆者主要以吉隆坡地鐵大馬城北站為例，對(duì)預(yù)應(yīng)力錨索張拉過(guò)程中所允許的最大偏心率進(jìn)行分析。相對(duì)來(lái)說(shuō)錨束越多，其張拉過(guò)程中受力越趨于均勻，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)的較大偏心受力出現(xiàn)在2,3,4對(duì)鋼絞線上。筆者亦只針對(duì)上述三種情況進(jìn)行分析解析，主要考慮在該錨索破壞之前，錨索測(cè)力計(jì)示值應(yīng)提前達(dá)到預(yù)警荷載。同時(shí)由于錨索所穿過(guò)的錨具均是左右對(duì)稱(chēng)進(jìn)行張拉，因此宜采用對(duì)稱(chēng)分析，假設(shè)左右兩側(cè)的錨束受力一致。

由表2可知，對(duì)于2對(duì)錨束的錨索其預(yù)警荷載值為358 kN,3對(duì)錨束的錨索其預(yù)警荷載值為537 kN，4對(duì)預(yù)警荷載值為716 kN，每對(duì)錨束的極限抗拉應(yīng)力為238 kN。錨具平面布置圖，如圖6。

圖6 錨具平面布置圖Fig. 6 Anchor layout

假設(shè)最下方的錨索達(dá)到極限屈服強(qiáng)度時(shí)，對(duì)通過(guò)最上方錨索所能承受的最小應(yīng)力進(jìn)行偏心應(yīng)力分析。① 2對(duì)錨束時(shí)，由設(shè)計(jì)圖紙可知每對(duì)錨束的極限抗拉強(qiáng)度為238 kN,此時(shí)上面的錨束所受應(yīng)力為358-238=120 kN，那么此時(shí)的偏心率為：(238-120)/238=49.6%左右。② 3對(duì)錨束時(shí)，經(jīng)計(jì)算得：最上面受力約為126kN，中間錨束受力為168kN， 因此可得偏心率為：(238-126)/238=47.1%，③ 同理，經(jīng)計(jì)算可得4對(duì)錨束時(shí)，最上面一對(duì)錨束受力為128 kN，經(jīng)計(jì)算可得最大允許偏心率約為46.2%。以上計(jì)算均是在錨索受力最不利情況下，結(jié)構(gòu)受力達(dá)到預(yù)警荷載時(shí)的最大偏心受力。

由設(shè)計(jì)文件可知，預(yù)警荷載值與極限承載力比值為75%，而根據(jù)設(shè)計(jì)單位相關(guān)資料顯示，結(jié)構(gòu)預(yù)警值分別按極限荷載的55%，70%，85%來(lái)分別設(shè)置為黃、橙、紅三級(jí)預(yù)警值。因此預(yù)警荷載值為結(jié)構(gòu)所能承擔(dān)的極限荷載的85%時(shí)，此時(shí)所允許最大偏心率則分別為：30.3%(2對(duì)錨束)，29.0%(3對(duì)錨束)，29.4%(4對(duì)錨束)。

上述計(jì)算是在結(jié)構(gòu)安全系數(shù)為1.6。參照國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)規(guī)范，安全等級(jí)為一級(jí)的錨拉懸臂支擋結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)為1.35，此時(shí)所對(duì)應(yīng)的錨索設(shè)計(jì)值及預(yù)警值如表3。

表3 修改安全系數(shù)后的預(yù)應(yīng)力錨索張拉設(shè)計(jì)值Table 3 Prestressed anchor cable tension design

同理可計(jì)算此時(shí)不同數(shù)量下錨索最大允許偏心率如表4:

表4 安全系數(shù)為1.35時(shí)預(yù)應(yīng)力錨索最大允許偏心率Table 4 Statistical table of maximum allowable eccentricity ratio of prestressed anchor cable with safety factor of 1.35

綜上分析可知：① 結(jié)構(gòu)安全系數(shù)越低，其偏心率要求越小；② 結(jié)合大馬城北站設(shè)計(jì)資料分析可知錨索的最大偏心率不宜大于30%。

5 結(jié) 論

筆者在分析造成預(yù)應(yīng)力錨索張拉過(guò)程中的偏心受力問(wèn)題基礎(chǔ)上，提出了相應(yīng)的預(yù)防措施。同時(shí)并對(duì)錨索受力的最大偏心率進(jìn)行了探討。得出了以下主要結(jié)論：

1)造成錨索偏心的主要原因可以分為兩類(lèi)，即施工誤差和設(shè)備因素。其中施工誤差又可分為，錨孔鉆孔傾斜角度誤差、腰梁安裝誤差、錨索安裝誤差及鋼墊板質(zhì)量；設(shè)備因素主要可分為，張拉設(shè)備不匹配和千斤頂自重。

2)錨索偏心受力，較為普遍，但是過(guò)大的偏心受力將會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)安全性造成嚴(yán)重影響。

3)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)比張拉試驗(yàn)可知，輔助糾偏墊盤(pán)有助于減小錨索偏心受力。

4)通過(guò)對(duì)基隆地鐵大馬城北站的設(shè)計(jì)資料的對(duì)比分析，建議錨索偏心受力其偏心率不宜超過(guò)30%。