永久性拉力型錨桿設(shè)計(jì)與施工要點(diǎn)分析

肖 豹，蔣春桂

（中國(guó)建筑第五工程局有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 414000）

0 引言

預(yù)應(yīng)力錨桿作為一種由高強(qiáng)度鋼絞線組成的錨拉體系，相比于支撐體系造價(jià)較低，施工簡(jiǎn)單、快捷，因而在房建工程的支護(hù)結(jié)構(gòu)中作為一種非常成熟的做法廣泛使用。同時(shí)預(yù)應(yīng)力錨桿是人為對(duì)錨桿施加的張應(yīng)力，從而對(duì)邊坡施加主動(dòng)壓力，屬于主動(dòng)加固措施，在邊坡錨拉支護(hù)中，預(yù)應(yīng)力錨桿應(yīng)用相比于非預(yù)應(yīng)力錨桿更為廣泛。

預(yù)應(yīng)力錨桿組成的錨拉體系作為永久支護(hù)工程已經(jīng)廣泛運(yùn)用在市政、公路等邊坡工程，但在房建工程運(yùn)用較少，現(xiàn)場(chǎng)條件、規(guī)范支撐均有不同，相關(guān)施工圖設(shè)計(jì)、審查、施工、維護(hù)等方面也缺乏相關(guān)成熟的經(jīng)驗(yàn)。而在實(shí)際工程中，難免會(huì)出現(xiàn)類似項(xiàng)目，如何保證永久性錨桿的質(zhì)量和安全成為了一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。

1 工程實(shí)例

1.1 項(xiàng)目概況

本項(xiàng)目為泰康國(guó)際醫(yī)學(xué)中心項(xiàng)目，位于江蘇省南京市棲霞區(qū)，總建筑面積 18 萬(wàn) m2，包括單層地下室和地上 3 個(gè)單位工程，場(chǎng)地高差 20 m，為典型坡地建筑。

1.2 項(xiàng)目基坑設(shè)計(jì)情況

基坑面積約 40 000 m2，基坑開挖深度 5～18 m，基坑周長(zhǎng)為 1 000 延米，其中永久支護(hù)段周長(zhǎng)約 450 延米。永久支護(hù)段的典型剖面形式如圖 1 所示。

2 基本要求

對(duì)于永久性拉力型錨桿的質(zhì)量控制，結(jié)合其使用功能要求以及本工程做法，需著重考慮以下幾個(gè)方面。

圖1 基坑永久支護(hù)設(shè)計(jì)剖面圖

2.1 荷載計(jì)算

永久性錨桿的設(shè)計(jì)年限，決定了其不僅僅需要考慮施工期間的荷載取值，更應(yīng)該考慮工程投入使用后的道路、景觀、車輛荷載。實(shí)際設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，永久性錨桿不能用基坑支護(hù)計(jì)算，只能用永久邊坡來(lái)計(jì)算，區(qū)別于基坑支護(hù)這類臨時(shí)結(jié)構(gòu)，不僅需要考慮支護(hù)結(jié)構(gòu)后的測(cè)土壓力和基坑周邊的荷載情況，還需要驗(yàn)算變形、強(qiáng)度等。

2.2 勘察數(shù)據(jù)

勘察數(shù)據(jù)的取值和詳盡程度決定了預(yù)應(yīng)力錨索的成敗，具體包括成孔方式的選擇、錨桿黏結(jié)材料與孔壁巖土間的抗剪力取值、錨桿在拉拔試驗(yàn)中承受的拉力取值、錨桿桿體的極限抗拉能力取值等。

2.3 錨固段

錨固段長(zhǎng)度增加能有效發(fā)揮錨固作用的粘結(jié)應(yīng)力是有一定限度的，且很多項(xiàng)目實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)條件不具備足夠的場(chǎng)地條件。所以結(jié)合地勘數(shù)據(jù)選擇預(yù)應(yīng)力錨索的錨固位置以及如何經(jīng)濟(jì)地選擇錨固段長(zhǎng)度非常考驗(yàn)設(shè)計(jì)人員的相關(guān)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。

2.4 試驗(yàn)

由于巖土層條件的多邊形，單點(diǎn)的勘察并不能充分反映錨索所在的地層條件，為了準(zhǔn)確地確定錨桿極限承載力，正式施工前進(jìn)行基本試驗(yàn)?zāi)芨鶕?jù)土層的實(shí)際條件計(jì)算極限承載力，從而對(duì)錨索進(jìn)行動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)；由于錨桿的長(zhǎng)期工作性能，需要進(jìn)行蠕變?cè)囼?yàn)評(píng)估錨桿預(yù)應(yīng)力損失情況；而驗(yàn)收試驗(yàn)則是驗(yàn)證工程錨桿是否符合設(shè)計(jì)要求。

2.5 監(jiān)測(cè)維護(hù)

針對(duì)永久性錨桿在運(yùn)營(yíng)期內(nèi)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，重點(diǎn)應(yīng)做好荷載以及錨桿拉力的監(jiān)測(cè)，而由于錨桿和地層的徐變，則有必要根據(jù)監(jiān)測(cè)的荷載結(jié)果判定是否需要卸載或者控制荷載，根據(jù)錨桿的拉力情況判定是否需要卸荷或者補(bǔ)強(qiáng)等維護(hù)工作。

3 質(zhì)量控制要點(diǎn)及技術(shù)措施

在施工過(guò)程中應(yīng)通過(guò)相關(guān)的技術(shù)措施及質(zhì)量控制確保永久性拉力型錨桿在運(yùn)營(yíng)期內(nèi)長(zhǎng)期工作性能，滿足其基本使用功能和安全要求。

3.1 荷載計(jì)算的全面性和設(shè)計(jì)的動(dòng)態(tài)性

在永久性錨桿設(shè)計(jì)前，應(yīng)由園林、景觀、道路工程設(shè)計(jì)單位將設(shè)計(jì)位置、荷載向支護(hù)設(shè)計(jì)單位提資，以便于支護(hù)設(shè)計(jì)單位綜合考慮支護(hù)周邊荷載情況，選擇合適的支護(hù)方式。

支護(hù)設(shè)計(jì)單位應(yīng)根據(jù)周邊荷載情況，考慮支護(hù)工作年限后，選擇相關(guān)設(shè)計(jì)計(jì)算參數(shù)，從而使設(shè)計(jì)情況更貼近于工程實(shí)際情況，滿足長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)的安全要求。

對(duì)于永久邊坡，在施工過(guò)程中還應(yīng)該建立信息反饋制度，通過(guò)基本試驗(yàn)提取并復(fù)核地質(zhì)結(jié)論、設(shè)計(jì)參數(shù)及設(shè)計(jì)方案進(jìn)行再驗(yàn)證，如與原設(shè)計(jì)條件有較大變化，則應(yīng)及時(shí)進(jìn)行補(bǔ)充、修改原設(shè)計(jì)方案的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)［1］。

3.2 勘察數(shù)據(jù)的完整性

常規(guī)的巖土工程詳細(xì)勘察報(bào)告，勘察點(diǎn)的布距在20 m 左右，這樣的布距對(duì)于常規(guī)平整場(chǎng)地、地形變化不大的臨時(shí)工程是可以滿足設(shè)計(jì)要求的，但是如果是山地建筑、地形變化起伏、地質(zhì)復(fù)雜的工程，采用常規(guī)的鉆探則會(huì)因其局限性而無(wú)法獲得精確的地質(zhì)數(shù)據(jù)。

為查清巖土層在地下空間的展布情況，如采用常規(guī)鉆探需要施工大量鉆孔，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，效率較低，且不經(jīng)濟(jì)。隨著物探方法，技術(shù)的發(fā)展及先進(jìn)的儀器設(shè)備的應(yīng)用，可以以極高的效率完成對(duì)地下巖土體的形態(tài)、規(guī)模、分布的圈定及一些物理力學(xué)參數(shù)提供資料，開展地質(zhì)勘察結(jié)合應(yīng)用物探和鉆探手段，獲得比較完整的地質(zhì)數(shù)據(jù)。

目前常用的物探技術(shù)有地質(zhì)雷達(dá)、瑞雷波法、瞬變電磁測(cè)深法、直流電阻率法等，不同于常規(guī)鉆探點(diǎn)、線形式揭露地質(zhì)分布，物探技術(shù)是以更宏觀的斷面連貫的宏觀角度分析地質(zhì)結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。將物探技術(shù)與鉆探技術(shù)有效結(jié)合起來(lái)，提高工程地質(zhì)勘察的工作效率，確保了數(shù)據(jù)可靠性和完整性。常規(guī)瞬變電磁測(cè)深綜合鉆探數(shù)據(jù)推斷溶洞情況如圖 2 所示。

圖2 瞬變電磁測(cè)深綜合鉆探數(shù)據(jù)推斷溶洞成果圖實(shí)例

3.3 錨固段的可靠性

預(yù)應(yīng)力錨桿錨固的基本原理是依靠錨桿周圍穩(wěn)定地層的抗剪強(qiáng)度來(lái)傳遞結(jié)構(gòu)物（被加固物，一般是支護(hù)樁）的拉力，以穩(wěn)定結(jié)構(gòu)物或保持邊坡開挖面自身的穩(wěn)定。錨桿與周圍穩(wěn)定地層的抗剪強(qiáng)度主要決定于以下三個(gè)方面。

1）錨固體自身錨桿桿體與黏結(jié)材料間的最大抗剪力，即握裹力的保證，取決于黏結(jié)材料的強(qiáng)度以及黏結(jié)材料的充盈率，如在錨索成孔過(guò)程中跑漿或掉鉆現(xiàn)象嚴(yán)重，則需考慮對(duì)該段巖土層進(jìn)行注漿處理，以保證錨固體的成型。

2）將錨固段視為隔離體，錨桿黏結(jié)材料與孔壁巖土間的最大抗剪力，即黏結(jié)力（側(cè)阻力）的保證，取決于錨固段所在巖土層位置，需要錨固段巖體是否穩(wěn)定、是否可能發(fā)生滑坡或塌方、節(jié)理切割的錨固段巖塊在受拉條件下是否產(chǎn)生松動(dòng)等，錨固段達(dá)到巖層內(nèi)部（不包括風(fēng)化層）的長(zhǎng)度應(yīng)不小于 4.5 m 比較可靠。

3）錨固段的經(jīng)濟(jì)和有效長(zhǎng)度保證，由于錨桿受力時(shí)，沿錨固段全長(zhǎng)的黏結(jié)應(yīng)力分布極不均勻，當(dāng)錨固段較長(zhǎng)時(shí)，初始荷載作用下，黏結(jié)應(yīng)力峰值在臨近自由段處，而錨固段下端的相當(dāng)長(zhǎng)度上，則不出現(xiàn)黏結(jié)應(yīng)力；隨著荷載增大，黏結(jié)應(yīng)力峰值向錨固段根部轉(zhuǎn)移，但其前方的黏結(jié)應(yīng)力則顯著下降；當(dāng)達(dá)到極限荷載時(shí)，黏結(jié)應(yīng)力峰值傳遞到接近錨固段根部，在錨固段前部較長(zhǎng)的范圍內(nèi)，黏結(jié)應(yīng)力值進(jìn)一步下降，甚至趨近于零。因此，能有效發(fā)揮錨固作用的黏結(jié)應(yīng)力分布長(zhǎng)度是有一定限度的，隨錨固段長(zhǎng)度的增加，平均黏結(jié)應(yīng)力逐漸減?。?］。錨固段黏結(jié)應(yīng)力沿錨桿長(zhǎng)度變化如圖 3 所示。

因此錨桿設(shè)計(jì)錨固段長(zhǎng)度不僅需要參考國(guó)內(nèi)外規(guī)范規(guī)程規(guī)定的錨固段長(zhǎng)度，還需要結(jié)合本地成熟經(jīng)驗(yàn)，如遇未曾應(yīng)用過(guò)的地層或者沒(méi)有任何可參考和借鑒的資料，還需要通過(guò)基本試驗(yàn)確認(rèn)地層與錨固段的黏結(jié)強(qiáng)度的影響綜合判斷，從而進(jìn)行經(jīng)濟(jì)且有效的錨桿設(shè)計(jì)。

圖3 粘結(jié)應(yīng)力沿錨固段的分布

3.4 試驗(yàn)的多樣性

永久性拉力型錨桿的試驗(yàn)分為基本試驗(yàn)、蠕變?cè)囼?yàn)和驗(yàn)收試驗(yàn)，主要是為了驗(yàn)證錨桿與周圍穩(wěn)定地層的抗剪強(qiáng)度，以及其強(qiáng)度的可靠性和真實(shí)性，各試驗(yàn)的實(shí)施階段、側(cè)重點(diǎn)又有所不同，具體表現(xiàn)如下。

基本試驗(yàn)是在正式施工前、邊坡動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)過(guò)程中的一個(gè)不可或缺環(huán)節(jié)，其目的主要是驗(yàn)證錨桿的極限承載力和錨桿計(jì)算參數(shù)的合理性，其結(jié)果用于修正設(shè)計(jì)參數(shù)，為基坑邊坡的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)支撐。由于基本試驗(yàn)需檢驗(yàn)錨桿的極限承載力，所以其實(shí)質(zhì)上是破壞性試驗(yàn)，表現(xiàn)形式為錨固段發(fā)生不允許的相對(duì)位移或者預(yù)應(yīng)力錨桿發(fā)生破壞。

蠕變?cè)囼?yàn)同樣是正式施工前，針對(duì)部分特殊地層錨桿的試驗(yàn)，主要通過(guò)試驗(yàn)得出錨桿在某些對(duì)蠕變比較敏感的巖土層不同荷載作用下觀測(cè)周期內(nèi)的蠕變特征，推導(dǎo)錨桿設(shè)計(jì)年限內(nèi)的蠕變量，合理確定錨桿的設(shè)計(jì)參數(shù)和荷載水平，并采取適當(dāng)措施，控制蠕變量，有效控制預(yù)應(yīng)力損失，從而保證錨桿的長(zhǎng)期工作性能。

驗(yàn)收試驗(yàn)是在施工完成后，在觀測(cè)周期內(nèi)逐級(jí)增加荷載并最終大于設(shè)計(jì)值（永久性錨桿最大試驗(yàn)荷載為錨桿軸向拉力設(shè)計(jì)值的 1.5 倍），測(cè)得錨桿的彈性位移量，并根據(jù)位移量判定是否合格（需最大試驗(yàn)荷載下蠕變量滿足相關(guān)要求）。

3.5 監(jiān)測(cè)和維護(hù)的持續(xù)性

因其長(zhǎng)期工作的特征，因此對(duì)于永久性錨桿的監(jiān)測(cè)和維護(hù)是在運(yùn)營(yíng)周期內(nèi)一項(xiàng)長(zhǎng)期的工作，具體的監(jiān)測(cè)及相應(yīng)的維護(hù)工作如下。

首先是錨頭和被錨固結(jié)構(gòu)的變形監(jiān)測(cè)，其變形值應(yīng)長(zhǎng)期處于允許位移量范圍內(nèi)，如超過(guò)報(bào)警值并持續(xù)增大，則需要分析原因并制定相應(yīng)的補(bǔ)強(qiáng)措施。

錨桿拉力值，在永久邊坡中屬于重要監(jiān)測(cè)內(nèi)容，其受地層和錨桿的徐變影響較大，對(duì)支護(hù)的安全使用有重大影響。錨桿拉力值隨著地層的徐變或錨桿的徐變減少時(shí)，應(yīng)及時(shí)對(duì)預(yù)應(yīng)力錨桿進(jìn)行再?gòu)埨猎O(shè)計(jì)值；如錨桿軸力增大時(shí)，則需要適當(dāng)?shù)男逗伞?/p>

4 結(jié)語(yǔ)

永久性邊坡工程，設(shè)計(jì)年限一般隨主體工程，其重要性不言而喻，因此對(duì)設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)測(cè)都要求比較高，需要專業(yè)水平和可參考經(jīng)驗(yàn)、數(shù)據(jù)的支撐，應(yīng)引起參建各方責(zé)任主體的足夠重視。

本文通過(guò)對(duì)永久性預(yù)應(yīng)力錨桿的設(shè)計(jì)和施工要點(diǎn)分析，由此歸納出相應(yīng)的質(zhì)量控制要點(diǎn)、技術(shù)措施，希望對(duì)于類似工程的施工能起到一定的參考作用。

由于筆者理解、實(shí)踐能力的局限，本文中并未提取永久性預(yù)應(yīng)力錨桿的相關(guān)勘察、設(shè)計(jì)、試驗(yàn)參數(shù)，對(duì)永久性預(yù)應(yīng)力錨桿仍然需要不斷地積累工程應(yīng)用數(shù)據(jù)，提高設(shè)計(jì)管理水平，以確保永久性預(yù)應(yīng)力錨桿的高品質(zhì)運(yùn)營(yíng)。