深基坑锚拉桩锚索轴力及桩身变形监测分析

李 嵩，张莲花

(成都理工大学环境与土木工程学院，四川成都610059)

随着社会经济的发展，深基坑工程不断增加，对地下空间的利用率也越来越高，锚拉式支挡结构在基坑支护中得到了广泛应用。其主要是由支护桩、锚索(杆)、腰梁及冠梁组成，通过给锚索施加预应力，给支护桩提供拉力，使锚索与支护桩紧密结合，共同工作，减小支护桩位移和内力，达到控制桩身变形的目的；因此预应力锚索在整个支护体系中发挥着重要作用［1-3］。

锚拉式支挡结构在为大型深基坑工程施工提供有效保障时，相应的基坑支护事故也在不断发生，监测作为一种评价支护结构安全稳定性的方法显得格外重要。对监测数据的分析可以为信息化施工及将来设计提供参考，文献［1］、［4］研究表明，锚索预应力的损失可分为三个方面：一是在张拉过程中，张拉系统摩阻力引起的损失；二是在千斤顶回油锁定时，钢绞线回弹引起的损失；三是在后续过程中，由于钢绞线松弛，灌浆体和土体蠕变，腰梁锈蚀及周围环境变化等引起的损失。文献［2］、［5］研究将锚索轴力的变化分为三个阶段，即快速下降阶段、波动变化阶段、稳定阶段。文献［1］、［6］研究得出基坑的侧向变形呈典型“鱼腹”状，桩体水平位移成类似简支梁变形特性。

本文以宜宾市南溪区棚户区安置房项目四期安置点基坑工程为依托，通过对预应力锚索轴力以及桩体深层水平位移的监测数据分析，分析了预应力锚索轴力变化及桩身位移的一些规律。

1 工程概况

该基坑工程位于宜宾市南溪区紫云街南段，场地北侧为紫云街，南侧为在建小区，西侧为上正街，东侧为已建建筑。场地拟建3幢高层建筑(含2F商业裙房)和连体地下室(-2F)；主体结构采用桩筏基础，以粉砂层为持力层，地下室部分采用筏形基础；基坑平面呈不规则长方形，基坑开挖面积约13 992 m2，开挖深度11.5 m。基坑平面示意图详见图1。

图1 基坑平面及监测点布置示意

根据岩土工程勘察报告，勘察为枯水季节，水位埋深1.10～5.80 m，该场地地下水主要为粉砂和卵石土中的孔隙水，为上层滞水，其主要受雨水和周边生活排水补给，水量较小；洪水季节场地卵石土、粉砂中的孔隙水与长江江水有水利联系，其水量较大，随江水起伏。各土层分布及物理力学参数详见表1。

表1 土层物理力学参数

本基坑AB段为两级放坡土钉墙；EA段、BC段采用锚拉桩，桩上设两道锚索，冠梁标高±0.00 m；CD段为两阶放坡土钉墙+锚拉桩，桩上设一道锚索，冠梁标高-8.00 m；DE段为放坡土钉墙 +锚拉桩，桩上设两道锚索，冠梁标高-5.00 m。钻孔灌注桩为 φ800@2200，锚索成孔直径为150 mm，采用3φs15.2，锚索与水平方向夹角为20°，采用二次压力注浆工艺，注入水灰比为0.45的水泥砂浆，锚索设计参数详见表2。

表2 锚索设计参数

2 锚索轴力监测分析

为保证该基坑施工中的安全，在基坑各侧面受力较大、较危险的部位布置了锚索测力计，以监测预应力锚索轴力的变化，实时反馈给施工方及设计方。锚索测力计的具体布置详见表3。

表3 锚索测力计布置

基坑BC段和DE段中部分别布设了两支和一支锚索测力计，锚索轴力变化曲线详见图2。C-2锁定后的初始轴力为150.44 kN，由于该侧基坑长度较大，约110 m，排水措施不到位，基坑变形较大，之后锚索轴力总体呈不断增加趋势，到基础施工时，最后测得轴力为205 kN，比初始轴力增长了36.2%，占轴向拉力设计的65.7%。测力计C-1锁定后轴力为165.78 kN，短期内损失较大，分析原因是由于施工时未分级张拉，使得锚索预应力初期损失率达到39.4%；第二排锚索进行张拉后，第一排锚索轴力下降了1.1%，对第一排锚索轴力影响较小；由于第二排锚索轴力远小于设计时的锁定值，预应力损失过大，该侧变形不断增加，在5月18日对其采取了补张拉措施，补张拉完毕后锚索轴力达到188.4 kN，此时第一排锚索轴力下降了4.3%，说明补张拉具有一定效果。之后C-1轴力值变化较为稳定，补张拉措施使得预应力的损失得到了改善，最后测得轴力为190.7 kN，占轴向拉力设计的39.7%。C-4测力计初测轴力为240.12 kN，初期损失率达到20.5%，随着基坑的开挖锚索轴力有增大趋势，第二排锚索张拉完成后，对第一排锚索的卸荷作用不显著；C-4轴力总体呈波动增加趋势，最后趋于稳定，测得轴力为196.03 kN，最大轴力占设计拉力的59.5%。

图2 BC、DE段轴力监测值随时间变化曲线

C-5和C-6分别布置于基坑EA段的中部和阳角部位，锚索轴力变化曲线详见图3。C-6初始轴力为149.76 kN，前期预应力有较明显的损失，损失率为7.5%。随着土体开挖，锚索轴力又增大，随后又成下降趋势，说明锚索轴力的变化一方面由于土体开挖，作用于支护结构上的主动土压力增加，锚索轴力增大；但又由于钢绞线的松弛以及锚固体的徐变、土体蠕变等因素影响，造成锚索轴力的波动变化。4月21日，对第二排锚索进行了张拉，第一排锚索轴力下降了2%，对第一排轴力影响较小；之后随基坑开挖，锚索轴力呈现波动变化，但整体呈增加趋势，最终趋于稳定；最终测得轴力151.94 kN，最大轴力占设计拉力的31.4%。C-5前期预应力有较大损失，随着下层土体开挖，支护结构受力增加，锚索轴力增大，当开挖完成后，锚索轴力又出现降低。分析原因，钢绞线的松弛为主要因素，C-5锁定值为158.8 kN，与设计锁定值相差较大，说明锚索的张拉不到位，张拉时机、张拉大小存在问题［3］，导致预应力波动较大，为22.3%；随后锚索轴力波动上升，最后趋于稳定，最大轴力占设计拉力的32.2%。

图3 EA段轴力监测值随时间变化曲线

综上，C-5和C-6的锚索轴力随时间变化图较为典型，总体趋势大致相同，轴力的变化可分为前期快速下降，其损失率为7.5%～39.4%。其后呈波动上升，最后稳定三个阶段。下层锚索的张拉对上层锚索的影响较小，上层锚索轴力减小范围为1.1%～4.3%，卸荷作用不明显，这与文献［6］、［7］的研究结果一致。同时可以看出，自由段长度较短的，前期损失率较低；按照设计规范进行张拉，能有效减小前期的预应力损失。各测力计测得最大轴力占设计值的31.4%～65.7%，本设计方案还存在优化空间。

3 深层水平位移监测分析

在EA段中部和阳角处分别布置了IN5、IN6两支测斜管，两处最大位移量分别为10.38 mm、4.57 mm。由图4可知，开挖初期桩身变形较小，变形速率较低，在第一排锚索张拉结束后，位移均有回弹；随着基坑向下开挖，桩体位移又呈现逐渐增加趋势，这是由于土体开挖后形成临空面，土体的应力释放导致土体的变形增加，从而作用于桩体的压力增大，桩呈现向坑内位移趋势；在第二排锚索预应力施加完后，桩体有向坑外位移趋势，说明锚索预应力的施加使得桩后土体被压回，桩身位移量减小。随着基坑开挖到基底，位移又呈现增大趋势，可以得出随着开挖深度的增加，位移也不断增加，开挖深度的大小是影响桩身位移主要因素。开挖结束后，随时间的增加，土体蠕变等因素依然会使得变形增大，IN5和IN6在后期的变形均趋于稳定。从两图中可以发现，基坑开挖面以上位移增长较快，开挖面以下位移增长较慢且小于开挖面上桩身位移。接近基坑底部时，位移均有较为明显的减小，说明坑底以下土体对桩起到了一定的嵌固作用，嵌固深度对基坑的稳定性具有重要的意义。

图4 IN5、IN6深层水平位移曲线

IN5位移最大值均出现在桩顶附近，锚索位置附近未出现较为明显的位移减小，在各层锚索施加预应力后，短时内对基坑的变形起到了较好的抑制作用。但综合所有数据分析，锚索未能较好的发挥性能，结合锚索轴力分析，原因可能是锚索的锁定值与设计值相差较大，张拉存在问题，导致锚索未能较好的影响桩体变形形态。

IN6在变形趋于稳定后，整体呈现弓形，两端变形较小，中部变形较大，变形最大值出现在第一层锚索与第二层锚索之间，在第二层锚索施加处位移有较明显的减小，总体上锚索对桩身变形起到了一定的作用。

BC段中部IN2的变形观测见图5。前期该侧变形相比EA段偏大，两层锚索张拉后，桩身位移均有减小，但后期随着开挖至基底，桩身位移不断加大，最后超出监测预警值12.26 mm。结合锚索测力计分析，第二层锚索张拉完后，位移增加速率较大，这与第二层锚索轴力前期损失较大有相关性，施工方及时进行了补张拉，整体位移有少量回弹，但最终桩身位移并未得到较好控制。结合图4分析，该变形类似于悬臂桩桩身变形，锚索位置处未起到支点作用，锚索与桩体未能较好的发挥共同作用。导致变形过大的原因可归纳为：一是该侧长度较大，空间效应较为显著；二是施工时的张拉工艺存在待完善处，特别是分级张拉与锁定工艺；三是该侧排水措施不到位，导致积水较为严重。

图5 IN2深层水平位移曲线

4 结 论

(1)结合锚索轴力监测分析，典型的锚索轴力变化可分为快速下降、波动上升、趋于稳定三个阶段。前期损失率为7.5%～39.4%；最大轴力占设计值比值为31.4%～65.7%，锚索还有较大潜力；下层锚索的张拉对上层锚索的卸荷作用不显著；锚索自由段长度较短的，前期损失率较低，符合锚索的一般规律。

(2)总体上锚拉桩的支护形式能较好发挥支护作用，基坑开挖过程中，存在空间与时间效应；该基坑较为典型的深层水平位移图像呈弓字形，两端小中间大，锚索的施加改变了桩身变形的局部形态，土体对桩的嵌固作用显著，桩体最大位移出现在两道锚索之间。该监测中基坑阳角处的位移要小于基坑中部位移。

(3)锚索的张拉和锁定是决定锚索能否较好发挥工作性能的关键步骤，严格按照规范进行张拉会使锚索预应力损失较小；补张拉措施对弥补锚索预应力损失有较好的作用，一定时间内对减小桩身位移有较好作用。