预应力锚杆在大型体育场基础中的应用

 
时间日期:2008-7-4        已被阅读次:[2684]
 
广东工程建设监理有限企业 肖文远

  [摘 要] 某大型体育场造型新颖,主体为钢筋砼结构,屋盖为大跨度钢结构和索膜结
       构, 40个大斜柱沿圆周均匀分布,支撑屋盖系统传来的各种荷载,为抵抗
       屋盖传来的荷载,基础采用了14桩大承台,承台中采用了预应力抗拔锚杆。
  [关键词] 大型体育场、预应力锚杆分析、施工质量控制要点、预应力张拉、封锚。

  1、工程概述
  佛山世纪莲体育中心体育场工程建筑面积78193m2,主体建筑地上3层,地下2层,为钢
筋砼框架结构,屋盖为大跨度钢结构和索膜结构。钢结构索膜系统由40个大斜柱支撑,传递
屋盖系统的各种荷载,基础采用了14桩大承台(14T500),承台尺寸为11250×4000×3200
,每个大承台设4根预应力抗拔锚杆,直径200mm,单根的抗拔力特征值1000kN,预应力锁定
值800kN。锚杆钢筋采用9Φs15.2(7Φ5,fptk=1860Mpa)的高强低松驰钢绞线。锚固段入
中风化岩7.5米,锚孔灌注M30的水泥砂浆,并保证有一定的自由段长度。承台浇筑砼后用千
斤顶张拉并最后锁定于承台面。
  2、预应力锚杆分析
  根据设计参数进行分析,抗拔锚杆能否达到预期的效果,关键在于其所能提供的锚固力
大小,以满足建筑物的抗拔荷载要求,锚固力的计算简图可按下图1,计算公式:
   Tu=πDLmψτ
  式中 : Lm-锚杆的锚固段长度; D-锚固体直径; ψ-锚固长度有效因子; τ-灌
浆体与抗拔筋的握裹力或灌浆体与岩层间的粘结强度。

  锚杆主要有几种破坏形态:①锚杆断裂;②沿锚杆体与注浆体界而破坏;③沿注浆体与
地层界而的破坏;④埋入稳定地层深度不够使地层呈锥体拔出;⑤注浆体被地压压碎丧失锚
固能力;⑥群锚失效。
  锚杆锚固力的大小,除了锚杆体之外,主要是取决于岩层受锚杆拉力时所能提供的抗力
,这种抗力只有在大于锚杆锚固力时才能保证稳定。
  依据上述分析可知,决定锚杆的极限抗拔力的主要因素有:锚固体直径、锚固体长度(
主要为入岩深度)、锚固体与周围岩体的抗剪强度和锚固体本身的强度。另外,根据设计要
求,锚杆体的上端还要求有7米的自由长度,以满足张拉时的自由伸缩。因此,在施工中,
有针对性对关涉这几个因素的条件加以控制。对于锚固体与周围岩体的抗剪强度的因素,在
施工前,通过土工试验确定各锚固体土层抗剪强度,通过砂浆试验确定砂浆强度,通过钢绞
线试验确定砂浆的握裹力,通过上述的参数复核了锚杆体的抗拔承载力。
  根据地质勘探报告反映,该工程建设场地的土层差别较大,具体的土层分布如下:
  ①粉砂:分布广泛,局部孔缺失,饱和,松散,层厚0~11.5m;
  ②淤泥质土:分布广,饱和,软塑,层厚0~13.3m;
  ③粉质粘土:可塑,局部软塑,层厚0~9.1m;
  ④中粗砂:局部分布,松散~稍密,层厚0~6.7m;
  ⑤粉质粘土:硬塑,局部可塑,土质均匀,分布较广,层厚0~6.5m;
  ⑥全风化岩带:局部分布,坚硬土状,局部夹有强风化岩块,层厚0~11.3m;
  ⑦强风化岩带:分布广,半岩半土状,粗砂岩与砂岩风化而成,层厚0.4~21.7m,岩面
至孔口深0~27.1m;
  ⑧中风化岩带:分布广,有中风化泥质粉砂岩、泥岩、细砂岩多种成分,岩质坚硬,层
厚0.4~10.6m,岩面至孔口深0~45.5m。
  从上述亦可看出,7米长的自由段长度完全可满足要求。因此,在抗拔锚杆的施工上,
主要针对锚固体直径、锚固体长度、锚固体强度这三个因素采取相应的质量控制措施。
  3.施工质量控制要点
  3.1、保证锚固体直径
  该工程的钻孔设备采用XY-1地质钻机,采用水冲循环全面钻进工艺,土层部分用三翼
合金钻头,岩石部分用合金或金刚石环形钻头,岩石钻孔方法为抽芯取样法施工。
  该工程设计孔径都为Φ200mm,为保证钻孔孔径,环形钻头对角线不得小于200mm,在钻
成孔过程中会有一定程度的磨损,尤其在岩层中或钻孔时碰到地下坚硬障碍物磨损更大,应
定期检查测量钻头对角线,在该工程中,大家对磨损超过10%便更换钻头。
  在钻孔前了解施工范围内的地层情况,以便更准确的控制钻孔进度和深度。钻孔采用湿
作业施工,预先挖好排水沟、沉淀池和集水坑,将多余的泥浆随时抽出基坑内,做到场地清
洁,文明施工。在开始钻孔的1~3天内,需对施工段地层情况有个初步了解的过程,以便掌
握地质情况及确定施工工艺,进行设备调配等,因此,钻孔初期进度会慢一些,在掌握情况
并施工正常后,进度会加快。
  该工程锚杆钻孔所遇土层有很厚的粉砂层和淤泥层,该土层易造成孔壁坍塌、径缩、卡
钻杆等现象,不易成孔,为了避免钻孔时出现塌孔缩孔现象,采取的措施:①采用BW150型
泥浆泵循环,必要时添加膨润土护壁,控制泥浆比重在1.06~1.15之间;②边钻孔边上下抽
动扫孔,使孔壁形成一层泥皮,钻成孔过程中一般不得停顿,取岩芯或下放钢绞线必要停顿
时也要不断返浆,以保持泥浆一定的比重;③对特别难以成孔的地段,则采用钢套筒钻进护
壁的方法。
  3.2、保证锚固体长度
  本工程的预应力锚杆,钻孔过程中辨别岩层和控制入岩深度是达到设计800kN抗拔力的
关键。钻孔进入中风化岩层其天然抗压强度5.4MPa以上开始计,平均值大于7.5MPa同时必须
保证进入中微化岩层7.5m以上。对中风化岩层厚度的识别,由有丰富现场地质识别经验的工
程师常驻现场,通过钻机进深变化,记录进入中风化层标高,并开始用环形钻头进行抽岩芯
,以复核岩层的具体情况。
  锚杆的定位和钻杆的垂直度控制也是施工质量的控制要点,若垂直度控制不好,不仅容
易造塌孔使成孔困难,而且增加钻孔深度及入岩时容易损坏钻头。在该工程施工中,锚杆孔
位误差≤50mm,倾角误差≤±3°,孔径误差≤50mm,孔深≥设计另加30cm,钻孔过程中随
时检查钻杆的垂直度,不使锚孔倾斜。
  在钻孔达到设计总深度及满足入岩深度时,一般应适当再钻多30-50cm深。该深度填以
碎石料并作为沉渣厚度,并在一定程度上起到防止锚杆体锈蚀。同时,锚杆体制作前清除钢
绞线表面油污及锈蚀,按孔径大小焊接导向筋,严格控制保护层的均匀性和厚度。
  锚杆下料长度由成孔深度确定,成孔深度(+)承台厚(+)预留长度。下放锚杆体时
采用对中支架,即采用Φ75钢管(每个长100mm)或塑料成品支架,对中支架间距为2.0m,
注浆管捆绑在锚杆和对中支架上,下锚时随锚杆一同下入孔中,距孔底0.5m,便于进行孔底
反压注浆,锚固段头部用Φ75钢管制成尖锥型。
  3.3、保证锚固体强度
  锚杆体所用水泥、钢筋、钢绞线与锚具等材料应有出厂合格证,进场要见证取样,按规
定抽样送检合格后才能投入使用,不得使用超过允许存放时间的拌合料,严格遵守设计配合
比,进场材料由专人负责验收。
  清孔标准是影响锚固体强度的主要因素,如清孔马虎达不到要求标准,将影响水泥浆的
凝固和凝固后的强度,在该工程中要求清孔后的泥浆比重小于1.06,含砂率小于4%。清孔
方法是,将加工好的锚杆及注浆管缓慢下入孔内,遇阻力活动锚杆且转动锚杆方向,锚杆下
到孔底后,用水泵通过注浆管向孔底注入清水,清洗孔壁泥皮,使锚孔内泥浆比重减小。如
孔内泥浆较多,则用高压洗孔,即“气水排渣法”,在孔内放满清水,用高压风吹出,清洗
孔内沉渣和泥浆,使孔内通畅,孔壁光滑,提高注浆质量。
  该工程注浆设备采用BW150-15型水泥浆泵,最大工作压力1.2MPa。使用前经过标定,
以确定压力表读数与实际压力之间的关系,以便控制。注浆为一次常压(0.7-0.8MPa)孔
底注浆,浆满并在孔口冒出原浆后,以0.8MPa稳压至少2min为止。
  注浆过程中要有一定的压力(一般0.7-0.8MPa),否则容易会由于压浆困难造成拔管
过快,使锚固体断浆夹泥,影响质量。同时一定的注浆压力还可以消除注浆过程中水泥浆的
泌水和干缩所造成的摩擦力降低的问题。因浆体的收缩性较大,为保证灌浆的质量,采用二
次注浆的方法,两次压力相同,相隔90~120min。
  对于锚固体上端的自由段,在安装时在锚杆表面涂润滑油(黄油)并套上塑料胶管,以
完全封堵并达到防腐的目的。
  4、预应力锚杆张拉和后处理
  预应力锚杆施工后,将进行大承台钢筋绑扎和砼的浇筑。在此期间,应注意保护好预应
力锚杆,以防其上端自由段防腐涂层被破坏,且应保证锚杆自由段的垂直不弯曲,以防张拉
时不能自由的伸缩。待砼浇筑并达到设计强度80%后张拉,张拉时,首先清理周围的碎砼,
并安装好锚具。
  张拉程序:0→0.2δcon(初读数)→0.5δcon(中间读数)→1.05δcon(最后读数)-4min
→0.5δcon→锁定。在预应力张拉过程中,未发生任何质量与安全事故。在张拉时的1.05δ
con阶段,单根锚杆的拉力已经达到1688KN,并持续了4min,说明这些锚杆的抗拔力符合要
求,按设计的要求,无须作静力抗拔试验。
  张拉后,用手提砂轮切割机切除多余的预应力筋,切割后端头留出30mm钢绞线。在这时
,必须注意的时,预应力钢绞线,一般含碳量较高,又经过多次张拉,因而对锈蚀破坏特别
敏感,故切割结束后应及时进行封锚及防腐处理,以保证锚头不腐蚀及受到其它的损坏。根
据设计要求,及时用C50微膨胀细石砼进行封锚。
     
 
 
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