超期使用基坑中錨索預(yù)應(yīng)力的損失問(wèn)題分析

畢元領(lǐng)

（中鐵十六局集團(tuán)城市建設(shè)發(fā)展有限公司，北京 100018）

0 引言

近年來(lái)隨著我國(guó)建筑工程技術(shù)領(lǐng)域的不停的進(jìn)步與發(fā)展，在滿(mǎn)足功能性要求的同時(shí)，超高層建筑的應(yīng)用也越來(lái)越多。由于超高層建筑對(duì)地下空間的需求，使得帶動(dòng)了深基坑工程的不斷發(fā)展?；又ёo(hù)是對(duì)基坑邊坡采取的支撐與加固的方法，以保證地下工程施工過(guò)程中的安全以及基坑周邊環(huán)境的穩(wěn)固。地下結(jié)構(gòu)及外墻防水工程施工完成并進(jìn)行土方回填后，支護(hù)結(jié)構(gòu)即完成任務(wù)，因此基坑支護(hù)屬于臨時(shí)性結(jié)構(gòu)。由此可見(jiàn)，深基坑支護(hù)工程基本上是依據(jù)臨時(shí)結(jié)構(gòu)的使用壽命來(lái)設(shè)計(jì)的，一般為一年。但在工程實(shí)際施工過(guò)程中，會(huì)出現(xiàn)較多的深基坑工程因業(yè)主支護(hù)方案不斷更改、工程建設(shè)資金供給不足、設(shè)計(jì)深化變更頻繁等一系列原因造成深基坑工程不同程度的停工，而再次開(kāi)工時(shí)深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)可能超過(guò)原有基坑設(shè)計(jì)使用年限，處于超期使用狀態(tài)，對(duì)工程周邊的構(gòu)筑物、建筑物、道路、管線(xiàn)等存在非常大的安全隱患。

預(yù)應(yīng)力錨索技術(shù)自應(yīng)用于基坑支護(hù)工程以來(lái),大大改進(jìn)了以往傳統(tǒng)支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力條件,減輕了支護(hù)結(jié)構(gòu)自重,節(jié)約了物資材料，降低了施工成本。預(yù)應(yīng)力錨索與基坑側(cè)壁巖體錨固在一起構(gòu)成統(tǒng)一的復(fù)合體，在維持基坑穩(wěn)定性方面起著較多作用:①對(duì)滑動(dòng)破壞體部分有拉力作用,起到抗滑作用;②錨固作用,可以改善巖土體自身的物理力學(xué)性質(zhì)和潛在破壞面的強(qiáng)度指標(biāo)。

由于潛在破壞的巖(土)體可以通過(guò)預(yù)應(yīng)力錨索的拉力作用,牢固地依附在穩(wěn)定地層上，一旦錨索的預(yù)應(yīng)力達(dá)到一定損失量,就可能導(dǎo)致巖土抗剪強(qiáng)度下降到穩(wěn)定值以下,錨索就有可能與錨固體一起被拔出,造成基坑坍塌。尤其對(duì)于超期服役基坑，其支護(hù)結(jié)構(gòu)的使用時(shí)間已經(jīng)超過(guò)了原設(shè)計(jì)期限，錨索的預(yù)應(yīng)力隨著時(shí)間的推移，肯定也已經(jīng)有了很大的損失量。錨索預(yù)應(yīng)力的損失直接關(guān)系到基坑工程的安全性，需要對(duì)其進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的監(jiān)測(cè),分析造成預(yù)應(yīng)力損失的原因,并提出有效的解決方案以確?；庸こ痰陌踩?。

本文以湖南文化廣場(chǎng)（二期）為例，本工程于2015年10月停工，2017年2月28日復(fù)工，停工1年零4個(gè)月，支護(hù)結(jié)構(gòu)為樁錨支護(hù)。由于本基坑支護(hù)工程設(shè)計(jì)使用年限為1年，現(xiàn)已經(jīng)超過(guò)設(shè)計(jì)使用年限，故基坑再開(kāi)挖需考慮基坑超期服役帶來(lái)的工作性能下降，則需對(duì)該基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的支護(hù)性能進(jìn)行有效的評(píng)估分析，特別是對(duì)錨索預(yù)應(yīng)力的損失進(jìn)行分析。

1 影響錨索預(yù)應(yīng)力損失的原因

錨索預(yù)應(yīng)力的損失主要由短期階段因素和長(zhǎng)期階段因素構(gòu)成。短期階段因素主要存在于錨索前期的張拉、鎖定，溫度變化、張拉順序等。長(zhǎng)期因素主要有巖體的變形、鋼絞線(xiàn)的應(yīng)力松弛、雨水滲入巖體等。

1.1 短期階段內(nèi)引起預(yù)應(yīng)力損失的原因

1）錨索張拉、鎖定時(shí)造成的預(yù)應(yīng)力損失。錨索與孔壁的摩擦以及張拉千斤頂?shù)哪Σ磷枇Φ拇笮≈饕獩Q定了錨索張拉過(guò)程的預(yù)應(yīng)力損失程度。張拉千斤頂?shù)哪Σ猎斐傻念A(yù)應(yīng)力損失約為1%，能夠通過(guò)超張拉來(lái)進(jìn)行補(bǔ)償。但依據(jù)相關(guān)資料顯示，張拉系統(tǒng)的摩阻損失為1%～3%，即張拉千斤頂?shù)膲毫χ狄儒^索測(cè)力計(jì)的顯示值大1%～3%。本人在基坑支護(hù)施工現(xiàn)場(chǎng)咨詢(xún)過(guò)錨索張拉、鎖定人員，發(fā)現(xiàn)他們對(duì)施工過(guò)程的預(yù)應(yīng)力損失沒(méi)有高度重視，大多數(shù)預(yù)應(yīng)力張拉值都是以油表上的顯示值作為最后施加的預(yù)應(yīng)力值。因此，張拉系統(tǒng)以及施工人員原因引起的預(yù)應(yīng)力損失是我們關(guān)注的重點(diǎn)。

2）錨索鎖定完成后錨具回縮造成的預(yù)應(yīng)力損失。預(yù)應(yīng)力錨索的錨固大多采用自錨體系，在張拉千斤頂回油的一剎那,鋼絞線(xiàn)都會(huì)不同程度的向錨索孔內(nèi)回縮,并帶動(dòng)夾片收縮,使錨具、夾片和鋼絞線(xiàn)之間相互卡牢而達(dá)到鎖緊的。鋼絞線(xiàn)的回縮也不同程度降低了部分錨索的預(yù)應(yīng)力，因而,研究回縮過(guò)程中錨索預(yù)應(yīng)力的損失量,可對(duì)確定預(yù)應(yīng)力錨索張拉值的大小有著重要的參考意義。

3）溫度的變化影響。溫度的變化體現(xiàn)在巖體的變形引起的錨索錨固力的變化上。巖石是一種具有熱膨脹的熱導(dǎo)體。隨著溫度的上升，組成巖石的顆粒體積增大，引起巖石中應(yīng)力狀態(tài)的變化，從而導(dǎo)致變形特征發(fā)生變化。因此，溫度的升高將會(huì)造成錨力的增大，冷卻將造成巖體的收縮和錨力的減小。由于巖體體膨脹系數(shù)小，溫度變化引起的錨固力變化值不大，在工程中能夠不考慮溫度變化對(duì)預(yù)應(yīng)力損失的影響。

4）張拉順序和群錨效應(yīng)造成的預(yù)應(yīng)力損失。在群錨施工過(guò)程中，錨索張拉施工對(duì)臨近已施工完成的錨索有著一定影響，造成已施工完成的錨索預(yù)應(yīng)力不同程度的損失。分析其原因?yàn)殄^索張拉引起周?chē)馏w的變形，從而使錨索影響范圍內(nèi)已施工完成的錨索的預(yù)應(yīng)力發(fā)生變化。故錨索孔位置以及張拉順序必須嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)圖紙說(shuō)明施工以免造成嚴(yán)重應(yīng)力損失。

造成應(yīng)力損失還有其他一些影響因素，例如混凝土的徐變，錨索的施工工藝等。

1.2 長(zhǎng)期階段內(nèi)引起預(yù)應(yīng)力損失的原因

1）鋼絞線(xiàn)應(yīng)力松弛對(duì)錨索應(yīng)力損失的影響。鋼絞線(xiàn)在長(zhǎng)時(shí)間應(yīng)力作用下會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力松弛，應(yīng)力松弛量一般與錨索張拉后的預(yù)應(yīng)力值以及經(jīng)受荷載作用的時(shí)間有著直接關(guān)系。鋼絞線(xiàn)的應(yīng)力松弛試驗(yàn)顯示:鋼絞線(xiàn)長(zhǎng)期受荷的預(yù)應(yīng)力損失量大約為5%至10%，在同樣應(yīng)力作用下，100小時(shí)受荷狀態(tài)下造成的應(yīng)力松弛損失約為1小時(shí)受荷狀態(tài)下造成的應(yīng)力松弛損失的2倍。

2）巖體的變形。巖體在外力作用下發(fā)生流變現(xiàn)象可導(dǎo)致錨索預(yù)應(yīng)力的損失，導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力值降低。在土方開(kāi)挖階段，隨著土方開(kāi)挖卸荷，土體內(nèi)部的應(yīng)力得到釋放，導(dǎo)致支護(hù)錨索預(yù)應(yīng)力值增大，并帶有較為明顯的時(shí)間效應(yīng)。隨著土方、支護(hù)施工完成，錨索預(yù)應(yīng)力趨于穩(wěn)定變化。另外，由于錨索預(yù)應(yīng)力對(duì)土體的物理力學(xué)性能的影響，使土體產(chǎn)生壓縮變形，特別是在預(yù)應(yīng)力施加初期，錨索預(yù)應(yīng)力明顯降低。相關(guān)工程實(shí)踐及資料驗(yàn)證完整巖體在長(zhǎng)時(shí)間應(yīng)力作用下的蠕變量很小，對(duì)錨索預(yù)應(yīng)力的影響很小，但是土體中錨索預(yù)應(yīng)力一般在錨固后5天內(nèi)顯著降低，并在未來(lái)幾年甚至幾十年內(nèi)繼續(xù)降低。該規(guī)律與巖體蠕變的趨勢(shì)大致相同，說(shuō)明土體蠕變是引起預(yù)應(yīng)力損失的主要煙癮之一，這種因素造成的預(yù)應(yīng)力損失量基本在15%以?xún)?nèi)。

3）雨水滲入對(duì)錨索預(yù)應(yīng)力的影響。降雨時(shí)間及總體降雨量對(duì)錨索錨固力有較大的影響，特別是在土體強(qiáng)度較低、滲透系數(shù)較大的部位。隨著裂隙水的持續(xù)滲入，土體抗剪能力下降，抵抗下滑的能力也隨之降低，錨固力會(huì)有所增加。但隨著土體的壓縮變形和錨索應(yīng)力松弛以及裂隙水的逐步消散，錨固力又會(huì)回復(fù)到降雨前的水平。所以在降雨后，由于雨水的滲入錨索會(huì)受到循環(huán)荷載的作用，對(duì)基坑和邊坡的安全性是極為有害的。因而，必須加強(qiáng)基坑周邊的排水措施，防止雨水滲入巖體，以保證錨固力的穩(wěn)定。

2 錨索預(yù)應(yīng)力的損失變化規(guī)律及過(guò)程

根據(jù)監(jiān)測(cè)得出錨索預(yù)應(yīng)力變化的三個(gè)階段（詳見(jiàn)圖1）：①是自張拉完成開(kāi)始，錨索預(yù)應(yīng)力下降階段；②是錨索預(yù)應(yīng)力上升階段；③是錨索預(yù)應(yīng)力穩(wěn)定變化階段。

2.1 預(yù)應(yīng)力快速下降階段

預(yù)應(yīng)力快速下主要受土體壓密、孔道摩阻力、張拉系統(tǒng)、預(yù)應(yīng)力大小等因素的影響。該階段時(shí)間相對(duì)較短，但會(huì)造成較大的預(yù)應(yīng)力損失，占總預(yù)應(yīng)力損失量的45%左右。

圖1 錨索預(yù)應(yīng)力-時(shí)間變化曲線(xiàn)圖

2.2 預(yù)應(yīng)力上升階段

這個(gè)階段主要是由于巖體變形引起的預(yù)應(yīng)力增加量大于鋼絞線(xiàn)松弛引起的預(yù)應(yīng)力損失，使預(yù)應(yīng)力荷載增加。

2.3 預(yù)應(yīng)力穩(wěn)定變化階段

這一階段，由于土體的變形模量的變化較小，使錨索預(yù)應(yīng)力值稍有增長(zhǎng)，當(dāng)土體變形慢慢穩(wěn)定時(shí)，錨索預(yù)應(yīng)力值也趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

3 預(yù)應(yīng)力損失速率

圖2 錨索預(yù)應(yīng)力變化速率-時(shí)間變化圖

由監(jiān)應(yīng)力監(jiān)測(cè)結(jié)果研究、分析可以得出錨索自張拉完成后其預(yù)應(yīng)力損失速率變化情況,見(jiàn)下圖。在t1時(shí)刻預(yù)應(yīng)力變化速率到達(dá)最低,在t2時(shí)刻預(yù)應(yīng)力變化速率到達(dá)最大值,在t3時(shí)刻預(yù)應(yīng)力變化率達(dá)到基本穩(wěn)定。因此當(dāng)錨索處于t2時(shí)刻后,預(yù)應(yīng)力變化速率出現(xiàn)突然變化可以作為分析基坑支護(hù)穩(wěn)定性的主要指標(biāo)。

4 結(jié)論

分析和總結(jié)了影響基坑支護(hù)施工中錨索預(yù)應(yīng)力損失的主要原因，其中短期階段內(nèi)影響錨索預(yù)應(yīng)力的因素具體包括張拉系統(tǒng)摩阻、鎖定后錨具回縮、溫度的變化、群錨效應(yīng)和張拉順序、混凝土徐變、錨索的施工工藝等；長(zhǎng)期階段內(nèi)影響錨索預(yù)應(yīng)力的因素主要包括鋼腳線(xiàn)應(yīng)力松弛、巖體的變形、降雨入滲等。

總結(jié)了錨索預(yù)應(yīng)力損失隨時(shí)間變化的幾個(gè)階段，包括前期預(yù)應(yīng)力快速下降階段、預(yù)應(yīng)力上升階段，以及預(yù)應(yīng)力穩(wěn)定變化階段，并分析了預(yù)應(yīng)力損失速率的變化。得出超期服役基坑的錨索預(yù)應(yīng)力損失在后期趨于穩(wěn)定，損失量在40%左右。