预应力土层锚索在台儿庄泵站工程的应用.doc

土层预应力锚索
在台儿庄泵站工程中的应用

刘士冬 鞠君周 赵景飞

二分局台儿庄泵站工程项目部
2007年1月

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土层预应力锚索在台儿庄泵站工程中的应用
刘士冬 鞠君周 赵景飞
预应力技术在我国水利水电工程中已广泛应用，土层预应力锚索是一种安设在土层深处的受拉体，它一端与构筑物相连，另一端锚固在土层中，安设时施加预应力，改善结构内部应力状况，维护构筑物的稳定。
一、概述
台儿庄泵站工程基坑开挖由EL26.5m开挖至EL8.2m，开挖深度18.3m，开挖边坡大部分为1：2，但北侧临近原防洪堤，无法形成缓坡，故此在此部位设计一排支护灌注桩进行垂直开挖。灌注桩顶部设冠梁连接，中部设两道腰梁，其中上层腰梁每2m设置预应力锚索一根，下层腰梁每2m设置预应力锚索1根，如下图所示：
二、预应力锚索施工
2.1 技术要求
⑴ 锚索预加力值为111.59KN；
⑵ 锚固强度大于15MPa并达到设计强度等级的75％后方可张拉；
⑶ 锚索宜张拉至设计荷载（185.98KN）的0.9～1.0倍后再进行锁定。
2.2 锚索型式
预应力锚索为3束7股（7φ5）钢绞线，共28根，间距2m，内锚固段长度10m，非锚固段长度5m，水平倾角15°，孔径Φ159。
钢绞线选用天津大强钢铁有限公司生产的1860级7ф5高强度低松弛预应力钢绞线。其主要技术指标见下表：
表1
预应力锚索钢绞线特性表
序号
性能指标
参数
备注
1
公称直径
15.24mm
带PE18.2mm
2
公称面积
140mm2

3
公称抗拉强度
1860N/mm2

4
延伸率
≥3.5%

5
最大松弛率
＜2.5%

2.3 施工工艺
2.3.1 施工工艺流程图
造 孔
清 孔
送 索
钢绞线内锚固段去皮洗油
安装钢套管、预埋垫板
(浇筑腰梁过程中)
注 浆
张拉锁定
外锚头保护
编索
测量放线

预应力锚索施工工艺流程图

2.3.2 工艺描述
⑴ 安装钢套管、预埋钢垫板
在腰梁施工时即对锚索位置安装钢套管（即在混凝土内预留孔洞），在混凝土外侧预埋钢垫板，并在垫板后加设钢筋网片，以便更好的传力，防止混凝土受压破坏。
⑵ 钻孔
为更好的使锚固段浆材与土层结合，应尽量避免用水，采用无锡产MD-30型锚固工程钻机，长螺旋钻杆进行钻孔，个别穿砂层易塌孔时采用泥浆固壁。
⑶ 清孔
用长螺旋钻杆反复提钻，带出残留物。
⑷ 锚索处理
锚固段去皮洗油后，将灌浆管（φ25硬质塑料管）、钢绞线捆扎成一束，每1m用隔离支架分离，编号标识。
⑸ 送索
人工送索，要求送索时锚索曲率半径不得小于3m，并速度均匀。
⑹ 注浆
全孔一次灌浆，采用M20水泥砂浆，YSB-2S砂浆泵进行灌注。
⑺ 张拉锁定
根据试块强度试验确定7d后进行张拉。
安装工作锚具、限位板、夹片、千斤顶及工作锚，先对单根钢绞线进行预紧（20KN），然后整索进行分级张拉，并详细记录。
张拉过程中，达到每一级控制应力后稳压5min后可进行下一级张拉，达到最后一级张拉控制力后，稳压10min进行锁定。
张拉分级采用以下级别：
预张拉0.1Nu（取20KN）→0.2Nu（取40KN）→0.4Nu（取75KN）→0.6Nu（111.59KN）→ 0.8Nu（取150KN）→ 1.0Nu（185.98KN）→111.59KN (锁定)。
⑻ 外锚头保护
张拉锁定完毕卸下工作锚，外留60cm钢绞线，其余部分截除，锚头涂刷黄油保护。
2.4 施工设备
表2
主要施工机械设备表
设备名称
规格型号
数量
备注
锚固工程钻机
MD-30型
2台
长螺旋钻杆
砂浆泵
YSB-2S
1台

空压机
3m3
1台

液压千斤顶
KYG-20
1套
配SYB-1液压油泵
三、基本试验
锚索施工前，应进行基本试验，以验证各项参数的可行性和施工工艺的合理性。
3.1 试验步骤
⑴ 对试验用计量设备、器具进行率定和标定；
⑵ 安装工作锚具、限位板、夹片、千斤顶、工作锚及千分尺，先对单根钢绞线进行预紧（20KN），然后整索进行分级循环加、卸荷载试验。加卸荷等级及观测时间如下表所示：
表3
锚索基本试验加卸荷等级与位移观测间隔时间表
加荷标准
循环数
×100％ （％）
第一循环
10
——
——
——
30
——
——
——
10
第二循环
10
30
——
——
50
——
——
30
10
第三循环
10
30
50
——
70
——
50
30
10
第四循环
10
30
50
70
80
70
50
30
10
第五循环
10
30
50
80
90
80
50
30
10
第六循环
10
30
50
90
100
90
50
30
10
观测时间（min）
5
5
5
5
10
5
5
5
5
⑶ 试验标准
a、每级加荷等级观测时间内，测读锚头位移不少于3次（即稳压前、稳压后和最终值）。
b、在每级加荷等级观测时间内，锚头位移小于0.1mm时，可施加下一级荷载，否则应延长观测时间。
c、锚索破坏标准：后一级荷载产生的锚头位移达到或超过前一级荷载产生位移增量的2倍时；锚头位移不稳定；锚索杆体拉断。
d、基本试验最大试验荷载不宜超过锚索承载力标准值的0.9倍。结合设计要求，取为217.5KN。
⑷ 试验完毕，按照张拉施工顺序和要求将锚索进行锁定。
⑸ 对试验资料进行整理和分析。
3.2 试验结果
⑴ 荷载—位移（Q－s）曲线，荷载—弹性位移（Q－Se）曲线和荷载—塑性位移（Q－Sp）曲线

⑵ 各锚索位移增量
锚索基本试验位移增量表
循环
加载等级KN
1#锚索
2#锚索
3#锚索
位移值mm
位移增量mm
位移值mm
位移增量mm
位移值mm
位移增量mm
1
65.25
4.00

4.49

3.99

2
108.75
8.12
4.12
10.48
5.99
10.09
6.10
3
152.25
12.59
4.47
17.45
6.97
15.99
5.90
4
174.00
15.04
2.45
21.05
3.60
19.16
3.17
5
195.75
17.35
2.31
24.32
3.27
21.49
2.33
6
217.50
20.49
3.14
28.42
4.10
24.94
3.45
⑶ 结果分析
由3根锚索试验的资料可知，3根锚索均加载至217.5KN，且锚头位移均收敛。从上表可以看出每根的后一加载等级的锚头位移增量都没有达到前一加载等级位移增量的2倍，由此可知锚索在加载等级为217.5KN的情况下未破坏。
规范要求锚索弹性变形不应小于自由段长度变形计算值的80％，且不应大于自由段长度与1/2锚固长度之和变形计算值。根据直线型锚索伸长值计算公式Δ＝ ，经计算可知位移值的允许范围为13.08mm～19.07mm，由上表和绘制的曲线可知1#、2#和3#锚索的弹性变形值分别为16.69mm、18.44mm和19.85mm，其中3#锚索弹性变形值略超过规定的计算范围，经过对原始数据分析锚索未达到破坏标准且锚头正常收敛为读数有误所致。
由上述数据和分析结果可知本次试验有效，可以按原施工工艺和程序进行正常施工。
四、结束语
此结构在施工期对灌注桩顶部进行了变形观测，最大位移值为4mm，在设计允许的10mm范围内，有效的保证了永久构筑物的施工。
土层预应力锚索可在深基坑直立开挖较高，上层侧向受力较大时使用，结合支护灌注桩、土层锚杆，使支护灌注桩上部受锚索约束，下层受锚杆约束，对直立边坡进行支护。能够在深基坑开挖放坡受限时，避免扰动相邻建筑物基础，保证基坑施工的情况下具有很好的优越性，是值得推广的实用技术。
在整个实施的过程中，有两个问题值得我们去思考：一是在造孔采取干钻的过程中发现土层中含有少量姜石，钻孔进尺困难，于是在非锚段部分区域采用了水钻，并未影响最终支护效果；二是土层的特性与岩石或混凝土不同，张拉锁定的程序也就不一样，土层锚杆按程序张拉设计值放张至60％后再进行锁定，也就是说在土锚与岩锚的区别在于锁定荷载值不同，土锚中应考虑支护后临空面的变形预留值，那么放张回弹40%后再锁定，从而保证了土锚的持力和变形的可靠性。