毕元领

（中铁十六局集团城市建设发展有限公司，北京 100018）

0 引言

近年来随着我国建筑工程技术领域的不停的进步与发展，在满足功能性要求的同时，超高层建筑的应用也越来越多。由于超高层建筑对地下空间的需求，使得带动了深基坑工程的不断发展。基坑支护是对基坑边坡采取的支撑与加固的方法，以保证地下工程施工过程中的安全以及基坑周边环境的稳固。地下结构及外墙防水工程施工完成并进行土方回填后，支护结构即完成任务，因此基坑支护属于临时性结构。由此可见，深基坑支护工程基本上是依据临时结构的使用寿命来设计的，一般为一年。但在工程实际施工过程中，会出现较多的深基坑工程因业主支护方案不断更改、工程建设资金供给不足、设计深化变更频繁等一系列原因造成深基坑工程不同程度的停工，而再次开工时深基坑支护结构可能超过原有基坑设计使用年限，处于超期使用状态，对工程周边的构筑物、建筑物、道路、管线等存在非常大的安全隐患。

预应力锚索技术自应用于基坑支护工程以来,大大改进了以往传统支护结构的受力条件,减轻了支护结构自重,节约了物资材料，降低了施工成本。预应力锚索与基坑侧壁岩体锚固在一起构成统一的复合体，在维持基坑稳定性方面起着较多作用:①对滑动破坏体部分有拉力作用,起到抗滑作用;②锚固作用,可以改善岩土体自身的物理力学性质和潜在破坏面的强度指标。

由于潜在破坏的岩(土)体可以通过预应力锚索的拉力作用,牢固地依附在稳定地层上，一旦锚索的预应力达到一定损失量,就可能导致岩土抗剪强度下降到稳定值以下,锚索就有可能与锚固体一起被拔出,造成基坑坍塌。尤其对于超期服役基坑，其支护结构的使用时间已经超过了原设计期限，锚索的预应力随着时间的推移，肯定也已经有了很大的损失量。锚索预应力的损失直接关系到基坑工程的安全性，需要对其进行长时间的监测,分析造成预应力损失的原因,并提出有效的解决方案以确保基坑工程的安全。

本文以湖南文化广场（二期）为例，本工程于2015年10月停工，2017年2月28日复工，停工1年零4个月，支护结构为桩锚支护。由于本基坑支护工程设计使用年限为1年，现已经超过设计使用年限，故基坑再开挖需考虑基坑超期服役带来的工作性能下降，则需对该基坑支护结构的支护性能进行有效的评估分析，特别是对锚索预应力的损失进行分析。

1 影响锚索预应力损失的原因

锚索预应力的损失主要由短期阶段因素和长期阶段因素构成。短期阶段因素主要存在于锚索前期的张拉、锁定，温度变化、张拉顺序等。长期因素主要有岩体的变形、钢绞线的应力松弛、雨水渗入岩体等。

1.1 短期阶段内引起预应力损失的原因

1）锚索张拉、锁定时造成的预应力损失。锚索与孔壁的摩擦以及张拉千斤顶的摩擦阻力的大小主要决定了锚索张拉过程的预应力损失程度。张拉千斤顶的摩擦造成的预应力损失约为1%，能够通过超张拉来进行补偿。但依据相关资料显示，张拉系统的摩阻损失为1%～3%，即张拉千斤顶的压力值要比锚索测力计的显示值大1%～3%。本人在基坑支护施工现场咨询过锚索张拉、锁定人员，发现他们对施工过程的预应力损失没有高度重视，大多数预应力张拉值都是以油表上的显示值作为最后施加的预应力值。因此，张拉系统以及施工人员原因引起的预应力损失是我们关注的重点。

2）锚索锁定完成后锚具回缩造成的预应力损失。预应力锚索的锚固大多采用自锚体系，在张拉千斤顶回油的一刹那,钢绞线都会不同程度的向锚索孔内回缩,并带动夹片收缩,使锚具、夹片和钢绞线之间相互卡牢而达到锁紧的。钢绞线的回缩也不同程度降低了部分锚索的预应力，因而,研究回缩过程中锚索预应力的损失量,可对确定预应力锚索张拉值的大小有着重要的参考意义。

3）温度的变化影响。温度的变化体现在岩体的变形引起的锚索锚固力的变化上。岩石是一种具有热膨胀的热导体。随着温度的上升，组成岩石的颗粒体积增大，引起岩石中应力状态的变化，从而导致变形特征发生变化。因此，温度的升高将会造成锚力的增大，冷却将造成岩体的收缩和锚力的减小。由于岩体体膨胀系数小，温度变化引起的锚固力变化值不大，在工程中能够不考虑温度变化对预应力损失的影响。

4）张拉顺序和群锚效应造成的预应力损失。在群锚施工过程中，锚索张拉施工对临近已施工完成的锚索有着一定影响，造成已施工完成的锚索预应力不同程度的损失。分析其原因为锚索张拉引起周围土体的变形，从而使锚索影响范围内已施工完成的锚索的预应力发生变化。故锚索孔位置以及张拉顺序必须严格按照设计图纸说明施工以免造成严重应力损失。

造成应力损失还有其他一些影响因素，例如混凝土的徐变，锚索的施工工艺等。

1.2 长期阶段内引起预应力损失的原因

1）钢绞线应力松弛对锚索应力损失的影响。钢绞线在长时间应力作用下会产生应力松弛，应力松弛量一般与锚索张拉后的预应力值以及经受荷载作用的时间有着直接关系。钢绞线的应力松弛试验显示:钢绞线长期受荷的预应力损失量大约为5%至10%，在同样应力作用下，100小时受荷状态下造成的应力松弛损失约为1小时受荷状态下造成的应力松弛损失的2倍。

2）岩体的变形。岩体在外力作用下发生流变现象可导致锚索预应力的损失，导致预应力值降低。在土方开挖阶段，随着土方开挖卸荷，土体内部的应力得到释放，导致支护锚索预应力值增大，并带有较为明显的时间效应。随着土方、支护施工完成，锚索预应力趋于稳定变化。另外，由于锚索预应力对土体的物理力学性能的影响，使土体产生压缩变形，特别是在预应力施加初期，锚索预应力明显降低。相关工程实践及资料验证完整岩体在长时间应力作用下的蠕变量很小，对锚索预应力的影响很小，但是土体中锚索预应力一般在锚固后5天内显著降低，并在未来几年甚至几十年内继续降低。该规律与岩体蠕变的趋势大致相同，说明土体蠕变是引起预应力损失的主要烟瘾之一，这种因素造成的预应力损失量基本在15%以内。

3）雨水渗入对锚索预应力的影响。降雨时间及总体降雨量对锚索锚固力有较大的影响，特别是在土体强度较低、渗透系数较大的部位。随着裂隙水的持续渗入，土体抗剪能力下降，抵抗下滑的能力也随之降低，锚固力会有所增加。但随着土体的压缩变形和锚索应力松弛以及裂隙水的逐步消散，锚固力又会回复到降雨前的水平。所以在降雨后，由于雨水的渗入锚索会受到循环荷载的作用，对基坑和边坡的安全性是极为有害的。因而，必须加强基坑周边的排水措施，防止雨水渗入岩体，以保证锚固力的稳定。

2 锚索预应力的损失变化规律及过程

根据监测得出锚索预应力变化的三个阶段（详见图1）：①是自张拉完成开始，锚索预应力下降阶段；②是锚索预应力上升阶段；③是锚索预应力稳定变化阶段。

2.1 预应力快速下降阶段

预应力快速下主要受土体压密、孔道摩阻力、张拉系统、预应力大小等因素的影响。该阶段时间相对较短，但会造成较大的预应力损失，占总预应力损失量的45%左右。

图1 锚索预应力-时间变化曲线图

2.2 预应力上升阶段

这个阶段主要是由于岩体变形引起的预应力增加量大于钢绞线松弛引起的预应力损失，使预应力荷载增加。

2.3 预应力稳定变化阶段

这一阶段，由于土体的变形模量的变化较小，使锚索预应力值稍有增长，当土体变形慢慢稳定时，锚索预应力值也趋于稳定状态。

3 预应力损失速率

图2 锚索预应力变化速率-时间变化图

由监应力监测结果研究、分析可以得出锚索自张拉完成后其预应力损失速率变化情况,见下图。在t1时刻预应力变化速率到达最低,在t2时刻预应力变化速率到达最大值,在t3时刻预应力变化率达到基本稳定。因此当锚索处于t2时刻后,预应力变化速率出现突然变化可以作为分析基坑支护稳定性的主要指标。

4 结论

分析和总结了影响基坑支护施工中锚索预应力损失的主要原因，其中短期阶段内影响锚索预应力的因素具体包括张拉系统摩阻、锁定后锚具回缩、温度的变化、群锚效应和张拉顺序、混凝土徐变、锚索的施工工艺等；长期阶段内影响锚索预应力的因素主要包括钢脚线应力松弛、岩体的变形、降雨入渗等。

总结了锚索预应力损失随时间变化的几个阶段，包括前期预应力快速下降阶段、预应力上升阶段，以及预应力稳定变化阶段，并分析了预应力损失速率的变化。得出超期服役基坑的锚索预应力损失在后期趋于稳定，损失量在40%左右。