预应力锚索张拉应力损失分析

预应力锚索张拉应力损失分析

江 诚

广州轨道交通建设监理有限公司 广东 广州 510010

摘要：本文主要对锚索张拉应力损失的原因进行了分析，分析了预应力损失的因素，阐述了较少预应力损失的措施，并进行了数据验证，并对锚索监测轴力值与设计轴力值差距较大的原因进行了分析与总结。

关键词：应力损失；锚索监测轴力值；设计轴力值；原因分析

1、锚索设计概况

设计研发中心地下实验室及附属设施项目位于白云新城AB2906021地块，处于云城东路、黄石东路及白云大道北辅路所围成的区域。距离萧岗地铁站300m，距白云山风景区西门约400m。项目地下室基坑面积约7800m2，开挖深度为13.6m，基坑开挖深度范围内以粉质黏土层为主，东南侧局部含4~5m厚中粗砂层。基坑采用钻孔灌注桩（Ф1000mm@1400mm）+锚索（1×7预应力钢绞线）支护体系，锚索由上至下共设置3层，表层为扩大头锚索，锚固段直径为600mm，采用旋喷扩大头工艺；二、三层为普通锚索（基坑北侧2-2剖面为扩大头锚索），锚固段直径为200mm，采用套管跟进成孔。

本项目地下室基坑由上至下共布置3道锚索，锚索采用1×7预应力钢绞线，其抗拉极限强度标准值为1860N/mm2，设计抗拉强度为1320N/mm2。锚索设计方案中共有两种锚索类型：普通预应力锚索及扩大头锚索。普通预应力锚索锚固段直径为200mm，采用泥浆护壁成孔，锚索采用二次注浆工艺，注浆材料采用P.O 42.5R普通硅酸盐水泥纯浆，第一次为常压注浆，注浆压力宜控制在0.5～1.0MPa；第二次为高压注浆，注浆压力不宜低于2.0Mpa，建议水灰比为0.45~0.55（具体水灰比根据现场试验情况而定），注浆体强度不低于30MPa；扩大头锚索锚固段直径为600mm，工艺同普通锚索类似，扩大头部分需采用旋喷工艺进行扩孔。

2、试验锚索情况

正式锚索施工前，参照基坑4-4剖面锚索参数，于基坑东南角施工6根试验锚索，其中3根为表层扩大头锚索，锚索采用4束17.8mm1×7钢绞线编束，锚索锚固段直径为600mm，打设角度25°，锚索总长20m，锚固段长度9.5m；剩余3根为普通锚索，锚索采用4束17.8mm1×7钢绞线编束，锚索锚固段直径为200mm，打设角度25°，锚索总长31.5m，锚固段长度24m。2021年11月15日，项目部邀请广州建设工程安全质量检测中心有限公司对6根试验锚索进行锚索基本试验，检测结果依次为：MS-1，1136.8kN；MS-2，1136.8kN；MS-3，1136.8kN；MS-4，1136.8kN；MS-5，852.6kN；MS-6，852.6kN。（其中MS-1、MS-2、MS-3为扩大头锚索，MS-4、MS-5、MS-6为普通锚索。）试验结果经设计复核确认，扩大头锚索极限拉拔力为1136.8kN，满足设计要求；普通锚索极限拉拔力为947.3kN，满足设计要求。

锚索大样图

基坑锚索剖面示意图

3、锚索施工情况

锚索采用MXL-150D钻机施工，表层锚索于2021年11月16日开始正式实施，于2021年12月5日实施完成，共计102根，均为扩大头锚索，锚固段直径为600mm，现场采用高压旋喷扩大头工艺，浆液水灰比为0.5，注浆压力按≮25Mpa控制，提钻速度按≯15cm/min控制；二层锚索于2021年12月30日开始施工，于2022年1月12日实施完成，共计191根，基坑北侧2-2剖面为扩大头锚索，其余剖面为普通锚索，锚固段直径为200mm，浆液水灰比为0.5，钻孔采用全套管跟进，采用二次注浆工艺，一次注浆压力为0.5~1.0Mpa，二次注浆压力为2.0~3.0Mpa。

锚索施工过程中的水灰比、注浆压力、钻杆提升速度等关键工序均由专人负责盯控，同时现场监理工程师不定期进行巡查，施工过程未出现异常情况。二层锚索钻孔过程中，东侧锚索均有不同程度入岩。

表层锚索于2021年12月7日开始张拉锁定第一批，于2021年12月23日完成最后一批，二层锚索于2022年2月12日开始张拉锁定，于2022年2月16日完成。锚索张拉程序为：00.1Nt（持荷2min）0.5Nt（持荷5min）0.75Nt（持荷5min）1.00Nt（持荷10min）1.10Nt（持荷15min）卸荷张拉至110%设计锁定值，张拉锁定时，现场水泥浆试块经送检强度已满足设计锚固体强度的要求，张拉前相关仪表已完成标定并报审，并且整个张拉过程在现场监理工程师全程旁站的情况下完成的，张拉时并未出现锚头位移增量异常的情况。

锚索施工相关照片

4、基坑锚轴力监测情况

表层扩大头锚索共计监测29根，其中2-2剖面8根，3-3剖面3根，4-4剖面5根，6-6剖面2根，7-7剖面2根，8-8剖面2根，10-10剖面5根，11-11剖面2根，M11、M12两根锚索位于东北角出土坡道处，未张拉锁定。二层锚索共计监测19根，其中2-2剖面2根、3-3剖面4根、4-4剖面4根、7-7剖面3根、8-8剖面3根、11-11剖面3根。

本基坑从2021年12月10日开始进行基坑监测，根据目前表层锚索轴力监测数据，项目部进行了如下的统计分析：

（1）自2021年12月10日开展基坑监测以来，随着基坑开挖向下进行，表层大部分锚索轴力值监测呈增长状态，相对于初始值平均增长47%，最大累计增加250.79kN（M1-3，4-4剖面），最大累计涨幅为144%（M1-8，3-3剖面），3根锚索存在负增长，分别是M1-4（4-4剖面，累计减小3.52kN）、M1-5（4-4剖面，累计减小12.37kN）以及M1-16（2-2剖面，累计减小-56.00kN）；M1-20（10-10剖面）、M1-21（10-10剖面）数据相对稳定，涨幅均小于10%；二层锚索较初始值平均涨幅50%，最大累计增加157.00kN（M2-8，3-3剖面），最大累计涨幅为493%（M2-15，11-11剖面）；9根锚索存在负增长，降幅较小（平均降幅7%），分别为M2-1、M2-2、M2-3、M2-4（4-4剖面）、M2-5（3-3剖面）、M2-9（2-2剖面）、M2-13（11-11剖面）、M2-18、M2-19（7-7剖面）。

（2）从锚索轴力监测数据来看，基坑表层锚索轴力值呈东/南侧大于西/北侧的状态，二层锚索各侧数据相对差值较小。

（3）自基坑开始实施监测时，除表层锚索M1-26（8-8剖面）及二层锚索M2-10（10-10剖面）外，其余锚索监测初始值均小于设计锁定值，截至第58期监测日报（2022年2月28日），表层锚索监测轴力值仅达设计锁定值83%，个别锚索如M1-3（4-4剖面，当期累计轴力488kN，超设计值28%）、M1-15（2-2剖面，当期累计轴力328kN，超设计值13%）、M1-17（11-11剖面，当期累计轴力335kN，超设计值20%）、M1-19（11-11剖面，当期累计轴力416kN，超设计值49%）、M1-26（8-8剖面，当期累计轴力498kN，超设计值72%）、M1-27（8-8剖面，当期累计轴力433kN，超设计值49%）满足设计锁定值外，其余锚索均未达设计值，M1-4、M1-9、M1-22、M1-31等锚索监测数值小于设计锁定值50%；二层锚索监测轴力值仅达设计锁定值70%，M2-10（2-2剖面，当期累计轴力391kN，超设计值40%），其余锚索均未达设计值，M2-1、M2-12、M2-13、M2-19等锚索监测数值小于设计锁定值50%。

（4）2022年1月7日，基坑第17期监测报表中，部分锚索出现涨幅较大，其中M1-3（4-4剖面，当期涨幅198kN）、M1-10（2-2剖面，当期涨幅118kN）、M1-15（2-2剖面，当期涨幅100kN）、M1-19（11-11剖面，当期涨幅103kN）、M1-20（10-10剖面，当期涨幅74kN）、M1-26（8-8剖面，当期涨幅91kN）、M1-27（8-8剖面，当期涨幅79kN）、M1-28（7-7剖面，当期涨幅85kN）、M1-29（7-7剖面，当期涨幅107kN）、M1-30（6-6剖面，当期涨幅139kN），当日的监测数据中，累计较大的桩顶水平位移监测及围护结构变形监测基本与轴力涨幅较大的位置相吻合。

根据监测日报（第58期，2022年2月28日），各监测项目数据均未达预警值，直接反应基坑变形的两个监测项目数值均较小（桩顶水平位移最大累计S6，7.6mm、最大变化速率S10，-0.5mm/d；围护结构变形最大累计B10，6.5mm；最大变化速率B11，-0.7mm/d），整个基坑目前基本处于相对稳定状态。

5、造成预应力锚索应力损失的因素

5.1所选用的钢绞线材质

不同规格的钢绞线松弛损失的大小不同，松弛损失与材料性能、材料直径有关，并与张拉应力有关，张拉应力越大，松弛损失就越大。

5.2外锚具支撑体系的影响

锚索的拉力一般通过外锚具施加在格构梁或受力墩上，混凝土梁、墩本身在张拉过程及张拉完成后会收缩、蠕变，并将压力传递至土体引起土体的回缩从而造成应力损失。锚头与梁、墩之间往往会安放承压锚定板来扩大梁、墩的受力面。若承压锚定板与梁、墩的结合不紧密会减少梁、墩的受力面，局部压力过大可能会破坏混凝土结构。承压锚定板受压后产生变形也是应力损失的一个原因。

5.3锚头、夹具带来的应力损失

锚头、夹具是决定张拉卸载过程中钢绞线回缩量的重要因素，而钢绞线锚固时的因缩是产生预应力锚索应力损失的最主要原因。

5.4温度的影响

钢的热膨胀系数约为1.2×10-5 / °C。若锚索有效长度为10米，冬夏温差为 30°C,则冬季施工的锚索在夏季会产生约1.2×10-5×l0×30=3.6mm的膨胀。

5.5孔外钢绞线的朝向

竖向侧壁支护时钢绞线要外留1米左右以便张拉操作。该部分钢绞线自重外加锚头、夹片、张拉时千斤顶的重量，导致钢绞线外露部分与成孔方向成一定角度，使锚索的拉力产生向上的分力。若锚索为多束钢绞线组成还会导致每束钢绞线受力不均，某几根受较大的张拉应力会加大松弛损失，这个因素对预应力造成的损失是比较大的。

5.6夹片帽的影响

在张拉时夹片帽处于锚头与千斤顶之间，可以保证张拉时夹片不随钢绞线的伸长而远离锚头,减少回缩量。但若夹片帽与夹片不匹配，在张拉时夹片帽把夹片向锚头内按得过紧，张拉时会加大夹片与钢绞线之间的摩擦力。这个摩擦力不但会带来应力损失而且会使夹片破坏钢绞线表层，使钢绞线与夹片接触部位被刮得更平滑，减少了锚固时的摩擦力，必然会加大回缩量并带来应力损失。

6、减少预应力的损失的措施

（1）在选择锚索材料时，应选择高强度低松弛的钢绞线，选择与钢绞线相匹配的锚具、夹片可以减少钢绞线的回缩量，对减少预应力的损失具有非常积极的作用，这也是减少预应力损失最有效的办法。

（2）张拉前应保证外露钢绞线表面的清洁。不清洁的表面会减少钢绞线与夹片间的摩擦力，加大回缩量。

（3）采取措施确保外露钢绞线与成孔方向一致。从安放钢筋到混凝土浇筑 再到张拉，每一过程都要采取措施。安装钢筋时在钢绞线与钢筋交叉部位用刚度较好的塑料管套住锚索并调整塑料管的朝向与成孔方向一致并保持，可以有效地避免分力的产生。

（4）保证锚定承压板与梁、墩的紧密结合可以避免该部分的应力损失。

（5）选择与锚头、夹片相配套的夹片帽，在试拉锁定后测量夹片外露锚头 的长度与夹片帽深度进行对比，确保夹片帽深度要略大于锁定后的夹片外露长 度。观察锁定后的钢绞线外表皮有无被刮现象，若有则说明张拉加力时夹片与钢绞线之间的摩擦力过大，应更换夹片帽或夹片。

7、锚索现场补张及数据验证

2022年2月17日，基坑二层锚索完成张拉锁定后，根据第三方监测的单位的反馈，除东侧及南侧锚索轴力值基本能满足设计锁定值外，西北及北侧锚索轴力值与设计锁定值相差较大。为验证锚索张拉锁定后是否存在失锁的情况，项目部联合第三方监测单位选择了1根第一次张拉后数值异常的锚索进行补张并同步监测其轴力情况，该锚索位于基坑北侧2-2剖面，设计轴力值610kN，锁定值370kN，锚索第一次张拉锁定后，第三方监测单位测得轴力计读数为45.26kN，二次补张时，按设计要求补张至1.15Nt（千斤顶读数换算成轴力大概为700kN）时，轴力计测得读数为279.40kN，千斤顶放张至设计锁定值时，轴力计测得读数为217.47kN，补张锁定1h后，继续测得轴力计读数为217.37kN。

为进一步验证基坑锚索监测轴力值与设计锁定值的关系，项目部选取了二层锚索M2-6、M2-8及M2-9进行了现场补张，现场补张数据如下：

根据上表数据反馈，锚索在补偿过程中，轴力计监测数据与张拉力存在一定差异，复核张拉过程千斤顶伸长量并无异常变化，张拉至1.1Nt时，伸长量均在4~5cm左右。

8、锚索监测轴力值与设计轴力值相差较大的原因分析

轴力计与千斤顶油压表属于两套系统，系统误差是导致锚索张拉值与监测值出现差异的主要原因，锚索监测值是通过监测人员在现场分别测轴力计三个线的频率后代入轴力计出厂报告上的公式求得，现场在测数时难免出现频率跳动、个别数据传导线失灵的情况，数值本身具有较大的主观性，其次现场张拉过程中千斤顶与轴力计未同轴，也会导致数据存在一定偏差。

9、预应力锚索张拉应力损失分析处理总结

根据当前基坑监测资料，桩顶水平位移、土体测斜以及锚索轴力等监测值均位于设计控制值以内，经专家综合判定，基坑支护结构处于相对安全稳定状态，大部分锚索轴力监测值小于设计锁定值为正常现象，不影响对基坑稳定性判断。

针对锚索监测轴力值与设计轴力存在较大差异的情况，建议以桩顶位移、桩体测斜、地表沉降、土体测斜等能够直观反映基坑变形的监测项目作为评价基坑安全状况的主要指标，对于锚索轴力方面，通过轴力变化值复核基坑变形情况。

预应力锚索有一定的适用条件，使用时应力损失是锚索自身的特点。只有避免一些注意事项才能使锚索预应力体系达到最优效果，在施工工程中要釆取多种综合控制手段，降低预应力损失。