预应力锚索在深基坑支护工程中的应用

2023-02-14

预应力锚索广泛应用于基坑明挖支撑体系、软岩及土体边坡加固等工程中。随着经济水平和城市建设的迅速发展, 高层建筑的多层地下室等构筑物日益增多, 深基坑工程越来越多, 伴随着深基坑工程规模和深度的不断加大, 开挖深度大于10m以上的大量深基坑工程的出现, 对锚拉桩支护结构形式的深基坑支护, 用锚索拉力和桩体共同平衡土体推力, 改变了支护桩单一靠嵌固段地基抗力平衡土体推力的机理, 这样作用的结果, 使得支护桩内弯矩大大减少, 桩径变细, 钢筋配筋率变小, 桩的埋置深度变浅, 达到了结构受力合理、节省投资、节约材料、缩短工期的目的。

1 锚索的结构形式

锚索结构由内锚固段、自由段和紧固头组成。外锚固段由腰梁、钢垫板和锚具组成。在理论计算和经验类比的基础上, 确定锚固段长度及自由段长度。

2 预应力锚索施工工艺及技术要点

2.1 工艺流程

预应力锚索施工工艺流程:孔位放线→土方开挖至一定标高→钻机就位→调整角度→钻孔→清孔→安装锚索组→一次注浆→二次补浆→制作联系梁 (或腰梁) →锚索张拉锁定→封锚。

2.2 施工方法及技术要点

(1) 锚孔测放。

基坑支护和边坡施工边挖边加固, 即开挖一级, 防护一级, 不得一次开挖到底。根据各工点工程立面图, 按设计要求, 将锚孔位置准确测放在坡面上, 孔位误差不得超过±50mm。如遇有特殊困难场地时, 需经设计和监理单位认可, 在确保坡体稳定和结构安全的前提下, 适当放宽定位精度或调整锚孔定位。

(2) 钻机就位。

根据锚孔的位置, 锚孔钻进施工。对应急加固中应搭设满足相应承载能力和稳固条件的脚手架, 准确安装固定钻机, 并严格认真进行机位调整, 确保锚孔开钻就位纵横误差不得超过±50mm, 高程误差不得超过±100mm, 钻孔倾角和方向符合设计要求, 倾角允许误差位±1.0°, 方位允许误差±2.0°。

(3) 钻进过程。

钻进前钻机安装应做到“正、平、稳、固”, 按设计要求调整好角度, 钻进过程中应循环清孔, 当土层易坍塌时, 应加快成孔速度, 根据地质条件必要时下入套管护壁。钻进过程中对每个孔的地层变化, 钻进状态 (钻压、钻速) 、地下水及一些特殊情况作好现场施工记录。如遇塌孔缩孔等不良钻进现象时, 须立即停钻, 及时进行固壁灌浆处理 (灌浆压力0.1MPa~0.2MPa) , 待水泥砂浆初凝后, 重新扫孔钻进。

(4) 锚孔清理。

钻进达到设计深度后, 不能立即停钻, 要求稳钻1~2分钟, 防止孔底尖灭、达不到设计孔径。钻孔孔壁不得有沉碴及水体粘滞, 必须清理干净, 在钻孔完成后, 使用高压空气 (风压0.2MPa~0.4MPa) 将孔内岩粉及水体全部清除出孔外, 以免降低水泥砂浆与孔壁岩土体的粘结强度。除相对坚硬完整之岩体锚固外, 不得采用高压水冲洗。若遇锚孔中有承压水流出, 待水压、水量变小后方可下安锚筋与注浆, 必要时在周围适当部位设置排水孔处理。

(5) 锚孔检验。

锚孔钻造结束, 须经现场监理检验合格后, 方可进行下道工序。孔径、孔深检查一般采用设计孔径、钻头和标准钻杆在现场监理旁站的条件下验孔, 要求验孔过程中钻头平顺推进, 不产生冲击或抖动, 钻具验送长度满足设计锚孔深度, 退钻要求顺畅, 用高压风吹验不存明显飞溅尘碴及水体现象。同时要求复查锚孔孔位、倾角和方位, 全部锚孔施工分项工作合格后, 即可认为锚孔钻造检验合格。

(6) 锚索制作及安装。

首先进行锚索的下料, 锚索小料长度L按下式计算:L=l+a+b+0.3。

式中:L为锚索下料长度, m;l为锚索设计长度, m;a为外锚头厚度, m;b为锚具总长 (包括钢垫板、螺母、千斤顶) , m。

下料时, 钢绞线的切割宜用砂轮切割机, 勿用电焊或气割, 以免钢丝受热损伤而降低其抗拉强度。锚索的安装在清孔后立即进行, 安装锚索体前再次认真核对锚孔编号, 确认无误后, 人工缓缓将锚索体放入孔内, 用钢尺量出孔外露出的钢绞线长度, 计算孔内锚索长度 (误差控制在50mm范围内) , 确保锚固长度。注浆管与锚索同时放入孔内, 注浆管头部距孔底100mm, 锚杆体放入孔内深度不应小于设计长度的95%, 如有排气管则锚索放入孔中后应检查该管是否通畅。锚索应达到孔底预定位置, 否则重新清孔和安装。

(7) 锚固注浆。

杆体注浆水泥采用42.5普通硅酸盐水泥, 经试验比选后确定施工配合比, 水灰比0.45~0.50, 可适当加入早强剂。水泥浆应严格按规定计量拌和均匀, 随用随搅, 搅拌时间应大于等于3min, 确保搅拌均匀, 浆液搅拌后须过8mm×8mm筛网方可入孔内。自由段用套管隔离后, 锚固段和自由段内同步灌浆。一次注浆采用0.5MPa~0.6MPa端部常压注浆, 边注浆边缓慢匀速向外抽出注浆管, 抽管不可过快, 应确保注浆管端口始终埋在浆液面内1.0m以上。

实际注浆量一般要大于理论的注浆量。如一次注不满或注浆后产生沉降, 要补充注浆, 直至注满为止。注浆结束后, 将注浆管、注浆枪和注浆套管清洗干净, 同时对注浆过程中应作好注浆施工原始记录。

(8) 预应力锚索的张拉锁定。

预应力锚索张拉应在分段分区砼桩顶联系梁 (或腰梁) 砼浇捣7d后进行, 且锚体强度应达到15MPa以上, 待锚固端内浆体达到龄期后实施张拉, 张拉分为6级进行:设计张拉力的10%、25%、50%、75%、100%及1 1 0%, 其观测时间分别为:5 m i n、5 m i n、5min、5min、5min和15min。

张拉锚索应按一定的程序进行, 张拉顺序应考虑邻近锚索的相互影响, 锚索间距小于1.5m时, 须考虑群锚效应, 采取“隔二拉一”或“隔一拉一”的张拉方式锁定。锚索张拉到1.1倍锚索设计轴向拉力值时, 保持5min~15min, 然后卸载至锁定荷载按设计要求进行锁定。张拉荷载采用双重控制, 以压力表读数为主, 伸长值为辅进行复核。锚索锁定后, 若发现有明显的预应力损失时, 应进行补偿张拉。

(9) 封锚。

张拉完成后, 从锚具量起预留50mm~100mm钢绞线, 多余的用切割机截去。钢绞线不宜留得太短, 以防其滑入孔中而失效。之后用防锈油漆仔细粉刷外露钢构件。

(10) 预应力锚索检测。

按《建筑基坑支护技术规程》 (JGJ120-99) 规范要求, 锚索在注浆强度达到100%后, 按设计计算书上具体位置区域锚索设计内力的大小, 对锚索设计内力值进行张拉检测, 检测数量为大于5%、不小于3根。

3 工程实例

3.1 工程概况

本工程建筑占地面积19769.60m2, 总建筑面积为197395m2, 是一座多功能、高密度的大型商业项目, 地下室三层, 地上二十三层 (高99m) 。基坑东侧、西侧长度各约200m, 南侧、北侧长度各约100M, 周围长约600m, 基坑开挖深度为-15.15m~-18.65m (保留300mm作为人工检底) 。地下水为孔隙潜水, 水位埋深约为10.1m~12.5m, 砂卵石层为含水层, 下部泥岩为隔水层, 地下水不发育, 地下水位年度变化幅度过1.5m~2.0m。

3.2 工程设计参数及要求

工程设计为人工挖孔灌注桩与预应力锚杆联合作用的锚拉桩支护结构。设计234根人工挖孔桩灌注桩, 每桩 (桩间) 设置二根锚杆 (局部三根) , 锚杆直径150, 注浆压力2.0MPa, 锚杆采用5~6束规格型号为1-7×15.24-1860的预应力钢绞索, 倾角15°, 长度为15~21.5m。在锚头处设置2根25b型槽钢腰梁与支护桩构成锚拉式支护结构, 设计锚索共475根, 其中第一排、第二排锚索各234根, 单根锚索设计张拉锁定力250kN, 第一排锚索锚固段长度12.5M、设计内力值最大值为837.24k N, 第二排锚索锚固段长度8M、锚索设计内力值最大为745.43kN。