预应力土层锚杆在深基坑支护中的几个问题

岩土锚固是岩土工程领域中的一项重要技术，它能结合岩土体自身性质，大大提高岩土的强度和稳定性。随着土木建筑工程的发展，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。锚固技术，尤其是预应力锚杆(索)以其主动受力的特性，在深基坑支护中起着相当重要的作用。它既可与土钉结合，形成复合土钉墙，又可与护坡桩联合使用，形成桩锚结构。预应力锚杆不仅决定支挡结构的稳定性，而且对控制基坑的变形相当重要。因此，对其设计及施工程序的研究很有必要。

一、预应力锚杆的作用

基坑支扩中，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。预应力锚杆的作用司可以从以下两个方面理解。

1．施加预应力实现荷载平衡

施加预应力的方法可认为是对混凝土面板施加与主动土压力方向相反的荷载，用以抵消部分或全部土压力。混凝土面板为受力对象，一方面受到土体的压力，另一方面受到施加的预应力，在结构平衡时，两者应近似相等。对面层而言，只要能够满足施加预应力时面板不被破坏，再增加其厚度是没有多大作用的。

上述分析在说明预应力和土压力相互关系的同时，也为支护的设计与分析提供了依据，它是支护结构稳定的保证。

2．预加应力使土体和锚固体共同作用，发挥两者的潜力

预加应力可以使锚固体与土体进行协调结合(如图1，其中滑裂面与面板间为非粘结型)。将预应力锚杆分为三段，A点为锁定点，朋为自由段，则AB段预应力筋的应力大小相等，方向A→B；C点为锚固体受土体静摩擦力为0的点，BC间土的剪应力由B到C逐渐减小；CD同土与锚固体的剪应力可以认为等于0。

根据上述，通过预加应力，使自由段处的土体预压，使包裹锚固体的土体产生向基坑外的剪应力，以抵消基坑开挖时释放的土压力，储备抗变形能力。因此，预应力锚杆是一种充分利用高强钢材的能力、改变土体受力状态的有效手段。根据分析，可以看出：

(1)沿锚杆锚固段的黏结应力分布由自由段向坑外逐渐减小，计算时选用的摩阻强度系数只是一种近似，但在施工中可通过现场抗拔实验加以复核修正。

(2)由于土体应力状态的改变，也改变了土体的性能，土体由于受力压紧，其粘聚力C增大：另一方面，由于预应力作用，原来的土压力方向发生了改变，阻碍了滑移面的产生，换言之，即有效地控制了土体的变形。它为变形控制提供了依据。

预应力锚杆作用的两种理解方式，都是建立在基坑自稳、土体未产生变形的基础上。因此也就要求下步开挖是在锚杆张拉，施加预应力之后进行，这对施工步骤提出了严格要求。如果与此工序相反，则预应力锚杆的作用将大打折扣。

二、预应力锚杆的设计

预应力锚杆指的是用水泥浆或水泥砂浆将一组预应力筋锚固在伸向地层内部的钻孔中，并承受拉力的柱状锚体。它所承受的拉力首先通过周边浆体的握裹力而传递到水泥浆中，然后再通过锚固段周边地层的摩阻力而传递到锚固区的稳定地层中。因此，应包括设计和试验两部分。　

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，其计算步骤如下：

(1)满足基坑稳定的支挡结构的力 根据静力分析；确定基坑稳定时各支护构件的参数，主要是各种力的大小，如桩承受的土压力，土钉的抗拔力等。

(2)预应力值的确定 由计算可知在支护体系中，支挡结构各部位所承受的土压力，再乘以安全系数，即施加的预应力。土钉支护时，土压力用抗拔力代替；其他支护类型用实际求得的土压力进行计算。

(3)预应力锚杆参数的确定 由预应力值，结合勘查的土性参数，确定锚杆参数，包括锚杆长度，自由段长度，预应力筋个数，倾斜角等。

(4)基坑稳定性是否满足要求 各参数计算结束后，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，场地工程条件千差万别，开挖后与勘察资料不尽相同，因此现场实验必不可少。土层锚杆的抗拔能力取决于孔壁摩阻力。因此土层锚杆浆体的强度可略低，较多工程选用水泥净浆，基本可达到要求。现场实验的目的主要有：

(1)预应力锚杆的受力变化特性 通过分级加载下锚头的位移值，可对土体及锚杆的性质有一定了解，以便调整施工参数。

(2)抗拔力确定 通过抗拔实验，得出锚杆的极限承载力，应使荷载比β(锚杆的锁定荷载与锚杆的极限承载力之比)控制在较小的范围(β≤0．55)，以最大限度发挥预应力锚杆的锚固作用。

(3)安全储备 由实验知预应力设计值与极限承载力的关系，也就知道了安全储备情况，储备越大，其上部施加相同超载时越安全。这也从另一方面说明了支护结构的安全可靠性。　

三、锚杆张拉与锁定

锚杆灌浆后，待锚固体强度大于15MPa并达到设计强度的70％后方可进行张拉。张拉过程中分级加载，当预应力没有明显衰减时，可锁定锚杆。主要存在三个方面的问题：

1．张拉工艺

跳张法：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，尽量减少相邻锚杆张拉引起的预应力损失。

2．锁定值

既然预应力锚杆对变形有控制作用，那么，张拉锁定值是不是越大越好呢?并非如此，主要有以下几个问题：

(1)受地层特性、预应力锚杆及锚具的力学性能限制，预加应力值不可能无限增大；

(2)张拉值过大，使锚杆处于高强度工作状态，容易引起筋体的蠕变，进而导致预应力的损伤；

(3)过大的张拉值，使应力集中现象更明显，也容易引起面板的裂缝与破坏。

但张拉值也不能过小，否则不能完全发挥预应力的作用。

笔者认为，张拉应控制在设计值的110％左右，这样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。

3．补偿张拉

有深坑支护中，由于土体蠕变，混凝土面板的徐变以及预应力材料的松弛损失，锁定的预应力值会有不同程度的减小，因此，需要考虑补偿张拉，但必须与基坑的监测数据相配合。在多排锚定结构中，笔者认为，在侧向土压力最大值附近的锚杆应进行补偿张拉；而其余部位锚杆，只要基坑变形符合规范，可不进行补偿张拉。

二次张拉后的锚杆应力损失较小，基本可以满足设计要求。作者单位：湖南省航务勘察设计研究院