锚拉式支挡结构中锚杆有效预应力不足原因分析及对策

苏鹏程

摘要：在进行基坑监测工作中，发现很多项目存在预应力锚杆有效预应力不足的现象，针对该现象进行了主要原因探究，并分析了该问题将对基坑支护结构稳定性产生较大影响，值得重视。继而指出锚杆内力与锚杆抗拔力的区别，以提醒工程师对锚杆内力引起足够重视。

关键词：锚杆；有效预应力；锚杆内力；基坑监测

一、概述

在基坑支护方式中，锚拉式支挡结构[1]常被用于面积大、开挖深且对变形要求严格的基坑工程。这种支护方式通常对锚杆施加预应力，设计者利用有效预应力制约支护体系往基坑内移动的趋势，以达到控制变形及增强支护能力的效果。近年来，随着地下工程越来越多，基坑面积越来越大，锚拉式支挡结构被运用得越来越多。但在进行基坑监测过程中，发现相当多的项目中均存在锚杆有效预应力不足的问题，锚杆有效预应力不足为什么会如此普遍，它可以被忽略吗？这些问题值得每个基坑工程建设者认真思考！

锚拉式支挡结构示意图

二、锚杆有效预应力不足的原因

从众多监测项目发现，大部分工地都存在开挖前锚杆有效预应力小于设计预应力（设计要求的预应力）现象，有的项目是个别锚固点预应力不足，有的项目是大部分锚固点预应力均不足，并且出现过某工地锚杆有效预应力不到设计预应力的1/10。基坑开挖前，锚杆有效预应力不足的现象普遍存在的主要原因有以下几点。

1、锚杆张拉采用的千斤顶不在有效期内，其采用的油压换算顶推力公式不符合实际。此类情况较多，特别是小型施工单位的工地，实施张拉的队伍大多经过多层分包，张拉设备几乎都未进行有效检定。根据千斤顶有关检定要求，每半年需进行一次检定，重新标定千斤顶的油压与顶推力计算公式。而工地实际情况大多是，施工队使用着一个非常老旧的千斤顶，还沿用多年前标定的油压与顶推力公式来计算各级控制油压，这样进行锚索张拉施工，从一开始就是错的。而根据经验，使用以前的油压与顶推力计算公式计算各级控制油压，将使张拉力偏低。

锚索张拉

2、对锁定过程中的预应力损失量未予以考虑或预计不足。《建筑基坑支护技术规程》有“锚杆锁定过程中的预应力损失量宜通过锁定前后锚杆拉力的测试确定，缺少测试数据时，锁定时的锚杆拉力可取锁定荷载的1.1倍~1.15倍”。实际操作中，几乎没有施工方会通过锁定前后锚杆拉力的测试来确定锚杆锁定过程中的预应力损失。大部分都是预设计师估，而大部分工地采用的锚具老化严重，锚杆锁定时的预应力损失达到30%以上，设计师预估严重不足，这样锁定后的锚杆拉力将远小于设计预应力。

3、未按要求进行分级张拉，实际操作中，张拉工人为提高效率往往不实施分级张拉，而是快速加压至最大油压值，然后锁定。这样锁定后，锚杆的预应力损失将比较大，而且随着时间的发展，其损失将越来越大。

4、另外，锚杆张拉时固结体的强度是否达到要求、临近锚杆张拉影响、锚杆的蠕变效应等都有可能引起锚杆预应力损失。

从以上几点可以看出，要防止出现锚杆有效预应力不足的情况，要从张拉千斤顶的检定、充分考虑锁定时预应力损失量、严格分级张拉、张拉完尽快开挖、加强锚固体质量等方面着手。

三、锚杆有效预应力不足的危害

锚拉式支挡结构中确保锚杆有效预应力在开挖前达到设计预应力是这种支护方式发挥预期效果的关键，若开挖前锚杆有效预应力不足，则支护结构在基坑顶部失去约束，从简支结构转变成悬臂结构，转变后的支护结构在基坑开挖后，因上部失去约束，会后产生较大变形，若该变形超过一定量值，会使支护结构因倾斜过大造成本身失稳。

其次，支护结构产生较大位移后，会引起周边地面下沉，继而引起周边建筑物、地下管线等变形或引起不良事故。

由此可见，锚杆有效预应力不足对基坑安全影响重大，不容忽视。基坑监测中开展的锚杆内力监测[2]是一个直接掌握锚杆有效预应力大小的方法，测量方法便捷，简单适用。根据基坑开挖前的锚杆内力监测数据就可以掌握预应力锚杆在基坑开挖前的有效预应力值是多少，将其与设计预应力相比就可以直接判断锚杆的工作状态，支护结构的安全余量等。随着基坑开挖，锚杆内力的监测数据可以反应支护结构受力情况及变形趋势情况，结合支护结构的变形数据，可以分析得出支护结构的安全状况，指导施工，确保基坑施工安全。理想的锚杆内力变化过程应该是基坑开挖前在锚杆内力在设计预应力附近，随着基坑开挖，锚杆内力增大，到基坑开挖到设计底标高，锚杆内力达到最高，但未超过设计报警值，随着基坑回填，锚杆内力又逐步降低。这一过程反应的是支护结构的受力情况及位移趋势情况。总而言之锚杆内力监测数据是掌握锚杆有效预应力的直接方法，对于分析支护结构的安全状况十分重要。

锚索内力监测

四、锚杆验收试验与锚杆内力监测的区别

大部分项目中发现锚杆有效预应力不足的情况后，很多工程师并不会引起重视，他们认为这些锚杆都完成了抗拔检测试验，并且试验合格，所以预应力大小是无关重要的，他们基本上对于锚杆有效预应力远小于设计预应力现象不以为然。在实际项目中，这中工程师并不少见，主要是未能理解锚杆验收试验与锚杆有效预应力监测的区别，认为锚杆验收试验合格即可。在基坑监测过程中，若出现锚杆内力远小于设计预应力值时，监测工程师就非常尴尬，很难说服土建工程师对锚杆补张拉。现将锚杆相关术语定义[3]整理如下，希望能帮助土建工程师充分理解锚杆验收试验与锚杆内力监测的区别。

预应力锚杆：借助杆体自由段的弹性伸长施加预应力的锚杆。

拉力设计值：锚杆在设计使用期内可能出现的最大拉力值。

验收试验：为确认工程锚杆对锚杆设计荷载的安全性而进行的锚杆试验。采用荷载分级增量试验法，并记录每级荷载作用下锚杆的位移。临时性锚杆的最大试验荷载通常为拉力设计值的1.0~1.2倍[4]。

由以上可知：锚杆的验收试验合格表示锚杆在最大试验荷载作用下仍是安全的，锚固体不会失稳、锚杆本身也不会被损坏。其试验结论与锚杆有效预应力是否达到设计预应力之间没有任何关系。

最后：当监测数据表明锚杆在开挖前的内力值远小于设计预应力时，工程师应予以重视，及时进行补张拉，只有充足的预应力才能有效控制基坑支护的变形值。

参考文献：

[1]《建筑基坑支护技术规程》JGJ120-2012;

[2]《建筑基坑工程监测技术规范》GB50497-2009

[3]《岩土锚杆（索）技术规程》CECS22:2005;

[4]《建筑地基基础检测规范》DBJ15-60-2008