预应力土层锚杆预应力土层锚杆技术是一种高效、经济的岩土体加固技术,已在地下围岩和边坡工程中得到广泛应用。目前,随着城市建设的迅速发展,城市用地越来越紧张,为了充分提高地下空间的利用率,高层建筑地下部分也不断增加,基坑也越来越大,越来越深。深基坑支护施工除了要求必须满足自身结构的安全、保证地下室施工安全顺利进行、确保周边环境与建筑物、道路管线的安全外,同时还必须实现施工对周边的环境影响最少,降低地下污染、降低造价的目的。而预应力土层锚杆技术,其不仅可决定支挡结构的稳定性,而且还能有效控制基坑变形,在深基坑支护中起着相当重要的作用。因此,本文将主要对预应力土层锚杆在深基坑支护中的应用进行一些探讨。
1预应力土层锚杆技术的工作机理
预应力土层锚杆技术,是指利用专用土层锚杆施工机械,将其一端与挡土桩、墙联结,另一端锚固在地基的土层中,通过对锚固段灌注高强度等级水泥砂浆,使其锚固段砂浆体达到一定的设计强度,以承受桩、墙的土压力、水压力等水平荷载,利用地层的锚固力维持桩、墙的稳定,为不使桩、墙的位移太大,锚杆在安装后即在锚杆顶部施加张拉应力,使得锚锭板带动锚固体发生位移趋势,锚固体与周围土体产生抗拔摩阻力,通过锚具与钢台座反作用于混凝土连续墙,对深基坑起支护作用。
2预应力锚杆的作用
在深基坑支护中,预应力锚杆一般选用钢铰线作为预应力筋,利用对其自由段预拉的弹性回缩力对支护结构施以预设的应力,使支护结构得以稳定,则其作用有以下几点:
2.1施加预应力实现荷载平衡
其是指将结构中的预应力筋和锚具看作施载体将其从结构中脱离,把预应力的作用视为一相应荷载(称为反荷载或是平衡荷载),由其于外荷载相平衡的条件,去反求预应力的大小、
预应力筋的布筋及其弯曲形状等。这样,即可把结构当成是受到平衡荷载和外荷载作用的非预应力结构来计算,为支护的设计和分析提供了依据,是支护结构稳定的保证。
2.2预加应力使土体和锚固体一体化的加固作用
通过预加应力,使自由段处的土体预压,使得原来土压力方向发生了改变,阻碍了滑移面的产生,从而抵消了基坑开挖时释放的土压力,有效地控制了土体的变形;可使锚固体与土体进行协调结合,形成一体化的加固作用,提高基坑的整体稳定性。
但需注意的一点是,由于预应力锚杆是在基坑自稳、土体未产生变形的基础上才产生作用的,因此,下步开挖需在锚杆张拉,施加预应力之后进行。
3基坑支护结构的设计要求
3.1支护结构的设计
(1)基坑支护结构应考虑其结构水平变形、地下水的变化对周边环境的水平和竖向变形的影响。
(2)基坑支护结构均应进行承载能力极限状态的计算,计算内容包括:根据基坑支护形式及其受力特点进行土体稳定性计算;基坑支护结构的受压、受弯、受剪承载力计算;当有锚杆或支撑时,应对其进行承载力计算和稳定性验算。
(3)当场地内有地下水时,应对地下水控制进行计算,如对其抗渗透稳定性验算、基坑底突涌稳定性验算、以支护结构设计要求进行地下水控制计算等。
3.2预应力锚杆的设计
(1)设计计算。锚杆预应力值的确定对于锚杆的应用起决定性作用,它不仅要考虑安全与经济性,而且对变形的控制尤为重要。因此,预应力锚杆在设计计算时,锚杆预应力值应满足基坑支挡结构的稳定力;在支护体系中,锚杆预应力值应由支挡结构各部位所承受的土压力(采用土钉支护时,土压力用抗拔力代替)乘以安全系数计算而来;预应力锚杆参数(锚杆长度、自由段长度、预应力筋个数、倾斜角等)应由预应力值和所勘察的土性参数结合而确定;当基坑稳定性满足各锚杆参数计算后,再对整体进行稳定计算,如满足要求,则进行下一步工作。
(2)试验资料。由于深基坑支护时,开挖后与勘察资料不尽相同,为此,在施工前应先进行现场试验,以获得完整的试验资料,如通过分级加载下锚头的位移值,了解预应力锚杆的受力变化特性;通过抗拔实验,得出锚杆的极限承载力,使其荷载比β≤0.55,以最大限度发挥预应力锚杆的锚固作用;通过试验了解预应力设计值与极限承载力的关系,从而了解支护结构的安全可靠性。
4施工工艺
4.1钻孔
(1)在钻进过程中应合理掌握钻进参数和钻进速度,防止出现埋钻、卡钻等各种孔内事故;对土层锚杆的自由段钻进速度可稍快,对锚固段则应稍慢一点。
(2)采用干作业法钻孔时,要注意钻进速度,避免“别钻”;钻孔完毕后,为减少孔内虚土,应先将孔内土充分倒出,再拔钻杆。
(3)采用湿作业法成孔时,要注意钻进时要不断供水冲洗,始终保持孔口水位,并根据地质条件控制钻进速度,一般以300mm/min～400mm/min为宜,每节钻杆钻进后在接钻杆前,一定要用水反复冲洗孔底沉渣,直至溢出清水为止,然后拔出钻杆。
4.2预应力筋的制作与安装
(1)预应力筋应平直、顺直、除油除锈,并做防腐处理;对钢筋拉杆,先涂一层环氧防腐漆冷底子油,待干燥后,在涂一层环氧玻璃钢,待其固化后,再缠绕两层聚乙烯塑料薄膜;对自由段的钢绞线,要套聚丙烯防护套。
(2)钢绞线如涂有油脂,在固定段要仔细加以清理,以免影响与锚固体的黏结;除锈后要尽快放入钻孔并灌浆,以免再生锈。
(3)安放锚杆杆体时,应防止杆体扭曲、压弯,注浆管宜随锚杆一同放入孔内,管端距孔底为50mm～100mm,杆体放入角度与钻孔倾角保持一致,安好后使杆体始终处于钻孔中心。
(4)若发现孔壁坍塌,应重新透孔、清孔,直至能顺利送入锚杆为止。
4.3灌浆
(1)灌浆材料选用灰砂比为11或10.5(重量比),水灰比0.38～0.45的水泥砂浆或是水灰比0.4～0.45的水泥净浆;水泥宜使用普通的硅酸盐水泥;水泥浆液的抗压强度要大于25MPa,塑性流动时间要在22s以下,可用时间应在30min～60min,必要时可加入一定量的外加剂或掺和剂,但要搅拌均匀,整个浇注时间须控制在≤4min。
(2)一次灌浆法
一次灌浆宜选用灰砂比11～12,水灰比0.38～0.45的水泥砂浆;灌浆时,将灌浆管推入拉杆孔内,在拉杆孔端注入锚浆,并以0.4MPa左右的灌注压力开始灌浆;在灌浆的过程中,应逐步将灌浆管向外拔出,但灌浆口应始终处于浆面以下;待孔口溢出浆液时,可停止注浆,拔出灌浆管;灌浆时,压力不宜过大,以免吹散浆液和砂浆,待浆液或砂浆回流到孔口时,用水泥袋纸等捣入孔内,再用湿黏土封堵孔口,并严密捣实,再以0.4MPa～0.6MPa的压力进行补灌,稳压数分钟后即可完成。
(3)二次灌浆法
二次灌浆时,应先灌注锚固段,待所灌注的水泥浆具备一定强度后,对其进行张拉,然后再灌注非锚固段;灌浆时,对靠近地表面的土层锚杆,避免引起地表面膨胀隆起,其灌浆压力控制在0.22MPa左右;对垂直孔或倾斜度大的孔,可采用人工填塞捣实法进行灌浆;灌浆结束后,应用清水冲洗灌浆管,直至管内流出清水为止;注浆完毕应将外露的钢筋清洗干净,并保护好。
4.4张拉与锁定
(1)土层锚杆灌浆后,待锚固体强度大于15MPa并达到设计强度的75%时,方可进行预应力张拉。
(2)为避免张拉对相邻锚杆的影响,应采用跳张法,即隔一或隔二张拉,以尽量减少相邻锚杆张拉引起的预应力损失;锚杆正式张拉前,要取设计拉力的10%～20%,并对锚杆预张拉1～2次。
(3)锚杆张拉要求定时分级加荷载进行,张拉时由专人操纵机械、记录和观测数据,并随时画出锚杆荷载——变位曲线图,作为判断锚杆质量的依据。
(4)当拉杆预应力没有明显衰减时,即可锁定锚杆;为避免张拉值过小,预应力作用无法发挥,或是张拉值过大,预应力受伤,则张拉值应控制在设计值的110%左右,以考虑锁定时夹片回缩力损失,张拉锁定的有效应力基本与设计值相等。
(5)锚杆锁定后,若发现有明显预应力损失时,应进行补偿张拉。
4.5施工注意事项
(1)张拉设备应牢靠,锚杆各条钢筋的连接要牢靠,以防止张拉时发生脱扣现象;应检查高压灌浆管的畅通,以防止塞泵、塞管,甚至于管爆裂伤人。
(2)电气设备应设接地、接零,并做好安全防范措施,以做好安全用电。
(3)施工现场的泥浆水要及时处理,使其经排水沟流到沉淀池,再排入集水坑用水泵排走。
(4)锚杆的非锚固段及锚头部分要及时做防腐处理,永久性锚杆必须进行双层防腐,即涂以沥青等防腐材料后须再采用混凝土密封;临时性锚杆宜采用沥青进行简单防腐。
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