引言
前一阵子研究锚杆的群锚效应时,大白曾专门请教了规程主要编写人,期间大佬说过这么一段话:
“岩体工程还是要眼见为实,就拿检测来说,一些项目检测效果很好,但到现场看会有很多问题……对保证锚杆工程质量的关键性因素,有些技术人员并没有意识到。”
1 耐久的重要性
上世纪60年代以来,我国各类型工程项目中大量使用了锚索、锚杆和土钉支护技术,其总数当以亿万计。这些锚杆、锚索、土钉工法的先进性和经济性无人怀疑。需要指出的是,在用作永久支护的无数工程中,它们的使用寿命究竟有多长,会否有一天寿终正寝,成为工程中的“定时炸弹”,使工程毁于一旦?这是重庆大学郭映忠教授在2000年5月中国香港“边坡灾害及其防治研讨会”上提出的一个语惊四座的问题。
细想一下,房屋建筑地下室的抗浮锚杆似乎也面临着同样的拷问。
抗浮锚杆是房屋结构体系的组成部分,故原则上其设计使用年限不应低于主体结构的设计使用年限。
因锚杆的使用寿命由其耐久性所决定,若材料性能劣化(如防腐或防水失效),将难以保证主体结构的正常使用。
因此,JGJ476-2019《建筑工程抗浮技术标准》(以下简称抗浮标准)规定,锚杆的耐久性年限应与主体结构设计使用年限保持一致。
《建筑结构可靠性设计统一标准》GB50068-2018 规定,结构极限状态分为承载能力极限状态、正常使用极限状态以及耐久性极限状态。
《抗浮标准》将后两者进行合并,要求按两类极限状态进行设计,同时在正常使用极限状态中包含了耐久性极限状态的要求。
2022年1月1日开始实施的GB55001-2021《工程结构通用规范》规定,结构的耐久性是保证结构在设计工作年限内,能够正常使用的必要条件。
属于强制性条文!!
2 关于腐蚀
影响锚杆耐久性的最大威胁来自于金属锚筋的腐蚀。
而局部腐蚀是普通锚杆失效的主要原因。
实际项目中因锚杆耐久性不足导致工程失效的案例时有发生。
例如,美国世贸大厦基础内有几根实心钢筋锚杆仅仅服役两年左右就因锈蚀而发生断裂,原因是煤渣形成的酸性腐蚀性环境中地下水具有腐蚀性;
1986 年,国际预应力 (FIP)曾对35起因腐蚀造成锚索体断裂的事故进行调查,发现其中永久锚索占 69%,临时锚索占 31%。
锚杆在地层中的腐蚀以电化学腐蚀和散乱电流腐蚀为主,地层中的腐蚀介质通过地下水和空气共同作用在锚杆外表面,引起砂浆和锚杆的腐蚀,从而导致锚固失效[2]。
鉴于腐蚀机理的复杂性,《抗浮标准》对锚杆工作环境类别进行了区分。
工程上广泛使用的普通锚杆属于单一注浆体包裹锚杆,注浆体为其唯一的防腐保护层。
由于注浆体的水泥浆层中总是存在毛细孔道,况且锚杆的工作条件较恶劣 ,锚杆安装时的注浆不饱满、注浆体受岩层错动变形应力的影响产生开裂、锚杆体在钻孔中的偏置等,都容易导致水和空气对锚杆体的侵蚀而使锚杆腐蚀。[3]
△ 锚杆易受水和空气侵蚀的几种情况[3]
总参工程兵科研三所的初步研究证实:优质砂浆锚杆的使用寿命高达 75~169年;而施工质量不良者的寿命降低到约 50年;质量不良且环境恶劣时其寿命仅剩下 20~25年[4]。
从现有资料来看,锚筋的腐蚀状态主要为坑蚀,其特点为蚀坑深浅不一,分布状态各不相同[5]。
△ 锚杆结构破坏示意图[6]
因此,不能用平均腐蚀速率,而应该用最大蚀坑深度对应的腐蚀速率对锚杆腐蚀程度进行描述!!
△ 锚杆表面腐蚀形态[7]
△ 锚杆表面腐蚀穿孔和坑蚀剖面[7]
3 《抗浮标准》7.5.8条
关于《抗浮标准》的7.5.8条,工程界存在很大争议。
争议的焦点在于,若严格执行该条文,对于绝大数抗浮锚杆设计项目,由于锚固体拉应力的相关限制,实际上仅有一种技术选择:
压力型预应力锚杆
△ 压力型锚杆结构简图[8]
《抗浮标准》编制组在一份释义文件中[8],对上述限制要求作出了如下解答:
1、近两年内更新的相关规程,对普通锚杆的使用限制趋于严格:虽然仍可以用,只是对地基土的性状有所要求。《抗浮锚杆技术规程》 YB/T 4659-2018和GB50086-2015通过扣除锚固段长度来限制非预应力锚杆的应用;
2、近年抗浮锚杆工程事故调查结果显示,抗浮失效除抗浮设防水位确定过低外,主要原因是普遍使用的全粘结拉力型抗浮锚杆(即普通锚杆)注浆/灌浆施工质量缺陷造成,就目前的施工工艺很难保证其能满足抗浮功能要求,因此,通过裂缝控制的方式倡导使用压力型锚杆、预应力锚杆,即可规避工艺形成的隐患,又能满足承载性能,一定程度上也规避目前抗浮锚杆检测条件(水位下降前后的不同)和方法(单锚、群锚及其反力点位)的缺陷。——本意想提高对抗浮锚杆的要求,增加一道检验控制,某种层面上不推荐使用普通抗浮锚杆。
△ 某项目地下室抗浮失效实例[8]
3、鉴于目前普通全粘结预应力锚杆施工质量控制较难保证,通过施加预应力增加一道检验关口,故引导大家选择预应力锚杆;
4、鉴于对全长粘结锚杆施工质量的担忧,倾向通过预应力的施加对锚杆进行全数检验。
5、该条款(第7.5.8条)针对压力型预应力抗浮锚杆最为合适。因为,压力型预应力抗浮锚杆在施加预应力后,抗浮锚杆变为主动型受力杆件,且锚杆注浆体全生命周期均处于受压动态,没有注浆体开裂而导致杆体锈蚀的顾虑。由该条款相关规定可知,压力型预应力抗浮锚杆所施加的预应力越接近抗浮锚杆抗拔承载力特征值,基础底板(防水板)上浮挠曲越小,且其抗裂和耐久性也越好。
从编制组的解释来看,担忧的重点在于现场的施工质量。
4 施工质量缺陷
盲目追求施工进度、施工管控不良以及偷工减料导致锚杆的施工质量经常存在较大隐患,大白调查到的常见施工质量问题主要有:
一是砂浆锚杆中的砂浆水灰比过高。水灰比高的好处显而易见,施工方便同时还能节约水泥。但弊端也很明显,锚固体存在过多孔隙,腐蚀介质容易侵入引起锚筋腐蚀。
二是水泥浆或水泥砂浆本身凝结硬化时自收缩明显,产生大量微细裂缝增大锚筋腐蚀几率。
三是灌浆不密实,砂浆与锚筋粘结不均匀,锚筋握裹层薄甚至无握裹层,缺少锚固体碱性保护作用,锚筋极易被锈蚀。
四是锚杆对中不良,重力作用下锚筋与孔壁接触,其握裹层几乎为零,也容易产生锚筋锈蚀。
△ 某锚杆施工质量实例[9]
施工质量控制直接关系到锚杆的耐久性,目前业界对锚杆承载力检测最为重视,对锚固体的完整性检测要求不严。
以大家最为熟悉的桩基工程为例,其质量检测主要包括承载力检测和桩身完整性检测,两者均合格后方可进行验收。
普通锚杆杆径小,地质环境及养护条件复杂,成品质量主要取决于施工现场把控。
当前主流验收方案主要进行承载力验证,进行拉拔试验,以随机抽检为主,抽检比例不超过5%,确实难以预先揭示其施工质量全貌。
如编制组所说,可能我们只有等到项目投入使用并出现状况后,才能得知真实施工质量,这难免代价过大。
虽然现有推荐性规范JGJ/T 182-2009 《锚杆锚固质量无损检测技术规程》中给出了锚杆锚固体质量检测的具体方法,但由于种种原因,并未在工程界广泛应用。
而预应力锚杆,施工过程中必须对锚筋进行全数张拉和锁定。
编制组希望通过施加预应力来增加一道检测关口,对施工质量进行全数检测,可以说是当前工程现状下一种较为可行的折中方案。
考虑到这层目的,设计图纸中预应力锚杆的锁定值不适合定的太低。
YB/T 4659-2018《抗浮锚杆技术规程》主编在“ 《抗浮锚杆技术规程》若干规定解读”一文中,给出了具体设计建议。
深圳市工程建设标准SJG73—2020《岩土锚固技术标准》则给出了锁定值的取值原则。
锁定值不应小于锚杆抗拔承载力特征
综上可见,为了实现锚杆质量全数预检测的目标,盲目降低预应力锚杆张拉锁定荷载的方法并不可取。
5 限制普通锚杆
前文中《抗浮标准》编制组认为,近几年编制的相关规程,对普通锚杆的使用限制趋于严格,大白认为这个情况确实属实。
不过有一点编制组没说准确,2016年实施的国家标准GB50086-2015《岩土锚杆与喷射混凝土支护工程技术规范》中,并未通过扣除锚固段长度来限制普通锚杆的应用。反倒是,
直接限制普通锚杆应用于地下室抗浮工程
总则中规定,该规范适用于地下室结构抗浮工程。
具体条文中,仅有预应力锚杆可以用来进行结构抗浮,而普通锚杆不适用。
条文说明中直接要求,地下室结构抗浮工程均应采用预应力锚杆。
这本规范在实际工程中使用的人并不多,故上述限制要求虽早已有之,但并未引起大家的重视。
大白在以前文章中多次提到的YB/T 4659-2018《抗浮锚杆技术规程》(以下简称《锚杆规程》)中,虽未限制普通锚杆的使用,但对其极限抗拔承载力作出一定限制:
土层锚杆不应计入顶部4m锚固段的侧阻
《抗浮标准》延续了限制普通锚杆的编制思路,这是7.5.8条诞生的背景条件之一。
当然,还有其他重要原因,标准编制组并未在《抗浮标准》中写明。
6 其他重要原因
这里面的一个重要原因是:
普通锚杆设计时普遍采用“裂缝验算控制法”或“预留腐蚀裕量法”作为防腐手段,已不被近些年的规范规程所接受。
《锚杆规程》4.3.4条条文说明中,对这两种方法进行了限制:
设计过普通预应力螺纹钢锚杆的朋友们肯定清楚,由于钢筋强度高应力大,采用传统裂缝计算方法根本无法满足裂缝宽度限值不超过0.2mm的要求。
若想使用普通预应力螺纹钢锚杆,又想同时规避裂缝控制问题,有的朋友想到借鉴钢管桩的“预留腐蚀裕量法”进行设计。
想通过提前考虑并牺牲部分锚筋厚度来保证普通锚杆的耐久性。
针对这种设计方法,《锚杆规程》也给出了针对性的限制:
前文提到,锚筋上的腐蚀以点腐蚀为主,分布不均匀、开展迅速且优先在局部凹穴或表面不规则处展开。
锚杆属于“一点溃而全局崩”的构件,考虑到存在这类点蚀时腐蚀裕量提供不了太大作用,故规程中不推荐其为有效防腐蚀措施。
此外,大白认为另一个重要原因是,现有规范标准中锚杆的防护措施要与国际标准相接轨。
根据规范组编制组调查,欧洲、英国、美国及日本与锚杆相关的技术标准主要有:
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