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预应力锚杆在大型体育场基础中的应用 |
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时间日期：2008-7-4 已被阅读次：[7821] |
广东工程建设监理有限公司 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、工程概况
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，我们对磨损超过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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