智能等值张拉系统在基坑锚索施工中的应用_周坤.pdf

202212Building Construction3006智能等值张拉系统在基坑锚索施工中的应用周 坤 唐国涛 王彦峰 李鹏飞中建五局第三建设有限公司 湖南 长沙 410004摘要：预应力锚索作为基坑、边坡支护的核心元件，对支护工程在服役期间的安全性、稳定性尤为重要，而基坑锚索的预应力损失在实际施工中主要受张拉方式、锚具锁定过程及后期基坑开挖等因素影响较大。运用新型智能等值张拉系统，依托鄂州航空都市区基坑支护工程对锚索进行现场试验，通过采用新型张拉系统与传统设备张拉过程对比，分析表明：采用新型张拉设备可以快速、高效地对锚索进行单根等值张拉，并能以稳定张拉力进行锚具锚固，从而有效减少预应力损失；新型张拉设备通过对锚索进行多次循环加载后锚固，可降低锚索锚固后受开挖影响产生的塑性变形，避免锚索预应力损失。该智能设备及张拉方法可为相关基坑预应力锚索施工提供有益借鉴。关键词：智能系统；等值张拉；预应力锚索；预应力损失中图分类号：TU753 文献标志码：A 文章编号：1004-1001(2022)12-3006-04 DOI：10.14144/ki.jzsg.2022.12.055Application of Intelligent Equivalent Tensioning System in Foundation Pit Anchor Cable ConstructionZHOU Kun TANG Guotao WANG Yanfeng LI PengfeiChina Construction Fifth Engineering Bureau The Third Construction Co.,Ltd.,Changsha,Hunan 410004,ChinaAbstract:As the core element of foundation pit and slope support,the prestressed anchor cable is particularly important for the safety and stability of the support project during its service period.However,the prestress loss of foundation pit anchor cable in actual construction is mainly affected by the factors such as tensioning mode,anchor locking process and later foundation pit excavation.By using a new intelligent equivalent tensioning system and relying on the foundation pit support project in Ezhou Aeronautical Metropolitan Area,the field test of the anchor cable is carried out.By comparing the tensioning process of the new tensioning system with that of the traditional equipment,the analysis shows that the new tensioning equipment can rapidly and efficiently perform the equivalent tensioning of a single anchor cable,and can anchor the anchor with a stable tensioning force,thus effectively reducing the prestress loss;the new tensioning equipment can reduce the plastic deformation caused by excavation after the anchor cable is anchored and avoid the loss of prestress of the anchor cable by repeatedly loading the anchor cable.The intelligent equipment and tensioning method can provide a useful reference for the construction of prestressed anchor cables in relevant foundation pits.Keywords:intelligent system;equivalent tensioning;prestressed anchor cable;prestress loss差，从而造成预应力损失。刘新荣等6采取现场试验的方法，对锚索的预应力进行研究，发现了在施工过程中对锚索采取分级张拉的工艺，可有效减少锚索的预应力损失。从整体来看，目前的研究多偏于基坑锚索的受力传递规律，而基坑锚索在施工过程的预应力损失是造成锚索后期拉力不足的重要因素，且现有的研究缺少更多的现场试验成果。鉴于此，本文采用新型智能等值张拉系统，通过对张拉锁定方式、循环加载2个影响锚索预应力损失的因素进行试验研究，依托实际基坑支护工程，解决传统设备无法精确张拉锁定锚索和多次高效进行循环预张拉的问题。1 工程概况鄂州航空都市区基坑支护工程位于湖北省鄂州市杨叶镇，基坑开挖深度6.012.0 m，部分基坑西边紧邻新杨叶大道，整个拟建场地与长江最近直线距离1.6 km。地质勘基坑锚索预应力与边坡及其他工程锚索预应力相比，其锚索拉力随基坑开挖过程发生显著变化1，因此锚索的有效预应力是基坑加固成败的关键因素，保证预应力锚索的张拉施工质量，对基坑支护的安全稳定性至关重要。目前，许多基坑锚索加固工程采用各种不同的方式对锚索进行张拉施工及监测2-3。吉隆坡地铁大马城北站采用预应力锚索加固过程中，发现锚索张拉受力不均，通过对锚索安装纠偏设备，有效降低了锚索的预应力损失4。付文光等5通过对工程数据分析及试验研究，得到预应力锚索张拉值测量仪器误差、数据错误，这些错误导致了较大的施工误作者简介：周 坤（1991），男，本科，工程师。通信地址：湖北省武汉市武昌区楚峰大厦22层（430062）。电子邮箱：收稿日期：2022-06-29科学研究SCIENTIFIC RESEARCH建筑施工第44卷第12期3007查报告显示，场地的地层主要是人工杂填土，第四系全新冲积一般黏性土及淤泥质土层夹粉土、粉土、粉砂层，下伏基岩主要为泥岩、泥质粉砂岩、玄武岩。整体的土质情况较为复杂，且土体的压缩性较高，承载能力低，为软弱土，再加上工程邻近长江，土层含水量较高，透水性强，给基坑开挖施工带来了极大的困难，因此，为防止基坑开挖过程中产生垮塌，基坑支护结构采用预应力锚拉桩，为保障预应力锚拉桩中的有效预应力，在对预应力锚索的施工中采用新型智能等值张拉系统。2 智能等值张拉系统2.1 张拉系统组成及工作原理智能等值张拉系统的组成如图1所示，包括智能张拉油泵、计算机、处理器、枪式千斤顶、特制枪式千斤顶夹持装置、锚索限位装置、测力传感器、长度测量仪等主要设备。仪器安装步骤：锚索放入锚孔后通过限位器将其锚头位置固定；测力传感器和长度测量仪通过数据线将其连接到处理器；枪式千斤顶通过高压油管与智能油泵连接；计算机通过无线网络与处理器及智能油泵进行数据传送。电脑处理器智能油泵传输线液压油管锚索传感器枪式千斤顶图1 智能等值张拉系统工作原理；按照仪器安装步骤将设备进行连接后，将测力传感器置于第1根锚索中固定，长度测量仪置于锚索限位器中对每次张拉伸长量进行测量。第1根锚索以设计值与预估衰减值之和作为张拉值进行张拉，在张拉的过程中长度测量仪和传感器会实时将数据传输到处理器，处理器将处理后的力值反馈给计算机，再由计算机综合分析各数据后，无线控制智能油泵的张拉力，并在最终稳定张拉力的情况下进行锚索锚头锚固。在后续2根锚索张拉的过程中，计算机将对处理器反馈的数据及预设张拉值进行综合分析后，控制智能油泵对锚索进行张拉，确保对每根锚索做到等值张拉，避免锚索后期受力不均造成的预应力损失。2.2 张拉系统优势分析1）锚索张拉质量高，采用计算机及处理器智能控制张拉设备，避免人工操作误差造成力值张拉不达标。2）便于张拉过程及服役期锚索受力监测，在张拉过程中，实现多组参照数据实时纠偏，测力传感器在后期跟踪锚索受力状态。3）张拉工艺简便、工作效率高，设备组装便捷，单根张拉完成后可整体移动，整个加载过程无需人工干预，大幅度缩短施工时间。4）成本低，可适应性强，智能张拉系统的核心控制系统为自主改进设备，仅需购置智能油泵、千斤顶等设备。另外，该系统对场地局限性小，适用于各种深浅基坑。5）施工过程安全度高，千斤顶在最后撤走锚固钢绞线时，具有一定危险性，力值不稳定，极易出现安全问题，而智能控制设备有效避免了锚固过程中力值不稳定现象。2.3 张拉系统应用现状锚索张拉施工的核心问题是有效预应力能保留多少，目前主要的张拉施工手段是通过理论计算及预估预应力损失确定张拉控制力。在张拉过程中采用一些常规的手段对张拉控制力进行监控，这些常规的手段主要有通过油压表控制张拉力，单一地依靠应变传感器、钢绞线的伸长值校核等，没有在施工过程中进行多方参数纠偏的有效措施。另外，张拉设备也以手动加压油泵为主，智能油泵多用于桥梁施工，锚索基坑使用较少。基于以往锚索施工的问题，在此改进控制及张拉设备形成智能等值张拉系统，应用于基坑锚索加固。3 智能张拉系统试验研究3.1 试验概况为确保基坑锚索支护后的安全稳定性，在进行大面积施工前，进行了以下6组锚索现场拉拔试验，支护结构采用锚拉桩，试验锚索选用了和后期施工同类型的拉力集中型锚索，按照基坑锚索设计，现场施工锚索全长14 m，其中锚固段长8 m，自由段长6 m，钻孔直径为130 mm。将6组锚索分为A-01、A-02、B-01、B-02、C-01、C-02这6个试验小组，A组试验设置为传统液压油泵与智能设备单根等值张拉对比试验；B组试验为使用传统设备的整体张拉与单根等值张拉对比试验；C组试验为采用智能设备的等值张拉与等值循环张拉对比试验。3.2 试验步骤3.2.1 锚索设计与制作此次试验所采用的锚索为高强度低松弛预应力钢绞线，每组试验包括3根钢绞线，钢绞线为17型，钢绞线公称直径为15.2 mm，标准抗拉强度为1 860 MPa，横截面积140 mm2，单根钢绞线极限承载力为260 kN，3束钢绞线极限承载力为780 kN。钢绞线荷载加载到其极限荷载的70%时，可能出现破坏，本次试验的最大加荷值为极限荷载的周坤、唐国涛、王彦峰、李鹏飞:智能等值张拉系统在基坑锚索施工中的应用202212Building Construction300860%，即156 kN。试验采用应变片监测每根钢绞线的应力状态，由于本试验主要是对锚索张拉施工过程中的预应力损失研究，侧重点是新型设备对钢绞线的锁定过程、张拉方式、循环张拉对预应力损失的影响，因此仅在钢绞线自由段设置应变片进行监测，应变片设置在靠近锚头端。应变片粘贴在钢绞线的边丝位置，首先确定好准确的粘贴部位，然后对其边丝进行打磨平整，为防止应变片在安装、张拉过程中脱落，采用焊接的方式将其与锚索进行耦合，该方法也能更好地使锚索与应变片产生同步变形，提高监测精确度。在焊接后的应变片周围均匀涂刷环氧树脂并用防水纱布对其进行包裹，最后在自由段采取PVC套管与注浆体隔离。3.2.2 锚索安放与注浆在钢绞线放置到索孔的过程中，为避免锚索由于自重作用在注浆后浆体包裹不均匀，在锚索上套入限位环，使其注浆后位于索孔中央，应变片的导线紧贴锚索平顺布置并引出索孔与处理器连接。本次锚索试验的注浆工艺采用多次高压劈裂注浆，注浆液为水泥浆体，水泥浆采用水灰比为0.5、42.5 MPa的普通硅酸盐水泥进行配制，注浆完成后进行28 d的养护期。3.2.3 锚索张拉及数据采集为保障试验拉拔不出现差错，预先对设备进行预组装，预拼装完成之后对各个部位进行检查，一切正常后进行拉拔试验。试验拉拔加、卸载步骤：待设备检查无误后，在对锚索进行单根张拉时，对6组锚索模型进行分级张拉，锚索张拉共分10级进行，前三级每26 kN一级，后七级每13 kN一级。在对锚索进行整体张拉时，也分10级进行张拉，前三级每78 kN一级，后七级每39 kN一级。每级荷载张拉完成后持荷5 min，再进行下一级张拉。在进行循环张拉的过程中，每完成一个循环后稳定15 min进行卸荷，待5 min后继续加载循环，连续完成3次循环张拉后进行锚固锁定。采集处理器中应变片的数据，同时认真观察加载过程锚索外观的破坏情况。为避免锚索在张拉过程中可能出现的破坏，尽可能准确测得锚索的受力变化规律及破坏情况，在加荷值到达100 kN/300 kN后调节智能油泵的加荷速率。当试验过程出现以下情况，视为锚索张拉破坏，终止油泵加载：钢绞线从锚固体拔出或拉断；锚头位移产生不收敛现象；后一级荷载产生的锚头位移增量，达到或超过上一级荷载位移增量的2倍。3.3 试验结果分析3.3.1 使用智能张拉设备对锚索预应力损失的影响在A组试验中，A-01锚索采用常规油泵配合测力传感器对其进行等值张拉，A-02锚索采用智能等值张拉设备进行张拉，在A-01锚索、A-02锚索中各随机选取1根钢绞线进行研究，在分级张拉下的单根钢绞线的初期锁定值及张拉后的预应力损失如表1所示。表1 常规张拉设备与智能设备等值张拉对比试验数据单根加载值/kNA-01A-02实测值/kN 损失量/kN 损失率/%实测值/kN 损失量/kN 损失率/%00000002622.633.371323.452.55105244.567.441446.245.76117865.3612.641668.659.35129173.6617.341981.039.971110482.1521.852189.0414.961411791.1725.832298.0618.9416130100.2829.7223108.0221.9817143111.5631.4422116.8126.1918156118.3637.6424127.8228.1818从表1可以看出，锚索在张拉的过程中，随着张拉荷载在的增大，预应力损失逐渐增大。通过对比试验可以看出在相同张拉荷载下，采用智能张拉设备可有效降低预应力损失，在最终锚具锁定时的预应力损失可比传统张拉设备降低6%左右，有效减少了锚索在张拉过程中设备因素造成的预应力损失。3.3.2 整体张拉与等值张拉对锚索预应力损失的影响在B组试验中，B-01锚索采用传统油泵配合测力传感器对其进行整体张拉，B-02锚索采用智能等值张拉设备进行张拉。为方便进行对比研究，将B-01锚索整体张拉值换算到单根锚索受力值，B-02锚索中随机选取一根钢绞线进行对比研究，在分级张拉下单根钢绞线的初期锁定值及张拉后的预应力损失如表2所示。表2 整体张拉设备与智能设备等值张拉对比试验数据单根加载值/kNB-01B-02实测值/kN 损失量/kN 损失率/%实测值/kN 损失量/kN 损失率/%00000002621.454.551823.592.4195242.369.641946.145.86117861.5616.442168.159.85139170.8720.132280.1910.811210480.5023.502390.1413.861311789.7027.3023100.8916.111413098.2931.7124111.0218.9815143108.1034.9024118.8124.1917156115.3640.6426129.8226.1817表2中的数据记录了采用整体张拉与等值张拉试验的锚索预应力值，通过对比可知，在相同张拉力下，整体张拉锚索造成的预应力损失远远大于等值张拉，在施工过程中采取等值张拉方式可将预应力损失减少10%左右。周坤、唐国涛、王彦峰、李鹏飞:智能等值张拉系统在基坑锚索施工中的应用建筑施工第44卷第12期30093.3.3 智能设备等值循环张拉对锚索预应力损失的影响在C组试验中，C-01锚索采用智能油泵配合测力传感器对锚索进行等值张拉锁定，C-02锚索采用智能油泵配合测力传感器对锚索进行3次循环张拉后锁定，在C-01锚索中随机选取一根钢绞线进行受力研究，在C-02锚索中随机选取一根钢绞线进行对比研究，在分级张拉下单根钢绞线的初期锁定值及张拉后的预应力损失如表3所示。表3 常规张拉设备与智能设备等值张拉对比试验数据单根加载值/kNC-01C-02实测值/kN 损失量/kN 损失率/%实测值/kN 损失量/kN 损失率/%00000002622.993.011223.812.1985246.295.711147.164.8497868.309.701272.125.8889180.1810.821283.167.84910490.5013.501394.189.829117100.7016.3014105.6411.3610130111.1018.9015117.3512.6510143120.1022.9016122.1520.8515156131.3624.6416133.2622.7415C组试验通过循环张拉，模拟基坑开挖过程对锚索的加卸载作用，与锚索一次张拉成形做对比。从表3看出，通过对锚索进行循环加卸载，能将预应力损失进一步缩小。4 张拉系统现场加固及应用情况4.1 张拉系统现场加固为进一步验证采用该新型智能等值张拉系统在减少基坑锚索预应力损失方面的效果，在鄂州航空都市区基坑预应力拉锚桩支护工程使用该施工设备的锚索中随机取3组锚索，锚索设计张拉值为468 kN，在锚索自由段靠近锚头位置设置受力传感器，在张拉完成进行基坑开挖后对其数据进行采集，3组锚索分别编号为1号锚索、2号锚索、3号锚索，采集数据如表4所示。表4 智能设备等值张拉施工数据锚索编号张拉完成/kN初始损失率/%7d监测值/kN14d监测值/kN30d稳定值/kN最终损失量/kN最终损失率/%1#399.3214315.46295.50287.51111.81282#405.5613316.34304.17296.06109.50273#408.6612314.67302.41294.24114.4228由表4中的工程采集数据可看出，应用智能等值张拉设备可将锚索施工张拉的预应力损失控制在13%，通过循环张拉方式也可使锚索的最终预应力损失控制在27%左右。4.2 张拉系统应用情况现场锚索试验跟踪及数据分析表明，智能张拉系统在保证张拉质量的同时，可大幅度提高功效，有效减少施工周期；此外，实现了后续施工过程中对锚索受力状态的监控，减少了基坑安全风险；智能设备的使用，减少了现场操作人员数量，成本投入显著降低（图2）。图2 现场拉锚桩基坑支护效果图5 结语1）结合以往张拉设备，本工程采用了新型智能等值张拉系统，通过对A组锚索进行比试验，可以看出在其他条件不变的情况下，使用智能等值张拉设备可有效减少施工过程造成的6%左右的预应力损失。2）在改变锚索施工张拉方式对锚索预应力损失的研究中，使用新型张拉设备，将传统整体张拉方式改为单根等值张拉后，预应力损失减少了10%左右，为后期基坑的稳定提供了有力的帮助。3）通过对基坑锚索采用新设备进行循环张拉试验，模拟后期基坑开挖过程对锚索的扰动，可进一步锁定有效预应力，结合工程应用的长期观测，使用该智能等值张拉设备可整体有效减少预应力损失。通过以上研究可以看出，锚索在张拉施工中可采用单根等值循环张拉的方法，以减少施工预应力损失。而传统的张拉机具工作效率低、张拉不稳定，很难稳定满足单根循环张拉要求，智能等值张拉设备可高效、稳定地进行该施工工艺，从而有效减少施工过程中造成的预应力损失。1 王鸿运,姚小波,张尧,等.基于双排桩和锚索支护基坑开挖监测分 析J.岩土工程学报,2014,26(增刊2):446-450.2 余瑜,刘新荣,刘永权.基坑锚索预应力损失规律现场试验研究J.岩土力学,2019,40(5):1932-1939.3 齐界夷,吴海涛,贺明武.大型地下硐室锚索施工关键技术研究与应 用J.施工技术,2017,46(1):116-118.4 邢晓飞,师亚龙,沈文辉,等.预应力锚索不均匀受力原因分析及对 策J.重庆交通大学学报(自然科学版),2019,38(9):29-33.5 付文光,于会来,耿培.预应力锚索应力测量误差的试验研究与对策 J.岩土工程学报,2010,32(增刊2):487-491.6 刘新荣,刘永权,康景文,等.基坑锚索预应力损失规律及分步张拉控 制措施研究J.岩土工程学报,2015,37(10):1794-1801.周坤、唐国涛、王彦峰、李鹏飞:智能等值张拉系统在基坑锚索施工中的应用