深基坑工程中錨樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計

武雙林（蘭州石化職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 蘭州730060）

1 緒論

深基坑工程是一項綜合性很強的系統(tǒng)工程，包括深基坑圍護(hù)體系設(shè)計、施工和土方開挖，涉及深基坑支護(hù)技術(shù)、深基坑止水與降水技術(shù)、深基坑工程監(jiān)測等技術(shù)。由于高層建筑高度不斷增加，基坑深度隨之加深，對深基坑支護(hù)的要求不斷提高，特別是在我國東南沿海等軟土地區(qū)，由于土體強度較差，單純利用樁身自重和嵌固深度以被動土壓力來平衡基坑側(cè)面所受的主動土壓力、地面荷載等的自立式(懸臂)支護(hù)結(jié)構(gòu)效果并不理想，容易在樁頂產(chǎn)生較大的側(cè)向位移，甚至導(dǎo)致整個支護(hù)結(jié)構(gòu)失效，造成嚴(yán)重后果。另外對于采用內(nèi)支撐的排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)，由于內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)占用基坑內(nèi)面積較大因而對基礎(chǔ)施工進(jìn)度的影響較大。

良好的支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計需要能夠了解主體結(jié)構(gòu)的設(shè)計要求，掌握其與基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的相互關(guān)系，處理好臨時支護(hù)結(jié)構(gòu)與永久性主體結(jié)構(gòu)的相互關(guān)系，以及支護(hù)結(jié)構(gòu)和支撐體系作為永久性結(jié)構(gòu)的技術(shù)問題。并能熟練應(yīng)用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計理論和方法，設(shè)計各類支撐體系。本文首先簡要介紹了錨樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的組成，接著分析了支護(hù)結(jié)構(gòu)的常見破壞方式，最后在此基礎(chǔ)上分析了此類結(jié)構(gòu)在設(shè)計中的要點。

2 錨樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的組成

2.1 錨桿的組成

錨桿是一種將拉力傳至穩(wěn)定巖層或土層的結(jié)構(gòu)體系，主要由錨頭、自由端、和錨固端組成。

1）錨頭:錨桿外端用于錨固或鎖定錨桿拉力的部件，為了能夠牢固的使來自結(jié)構(gòu)物的力得到傳遞，一方面必須保證構(gòu)件本身的材料有足夠的強度，使構(gòu)件能緊密的固定，另一方面又必須將錨桿收集到的集中力傳給穩(wěn)定地層。錨頭由墊墩、墊板、錨具、保護(hù)帽和外端錨筋組成。

2）錨固端:錨桿遠(yuǎn)端將拉力傳遞給穩(wěn)定地層的部分。錨固深度和長度應(yīng)按照實際情況計算獲取，要求能夠承受最大設(shè)計拉力。由錨固體提供的錨固力能否保證支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定是錨桿技術(shù)成敗的關(guān)鍵。

3）自由端:將錨頭拉力傳至錨固端的中間區(qū)段，由錨拉筋、防腐構(gòu)造和注漿體組成。

4）錨桿配件:為了保證錨桿受力合理、施工方便而設(shè)置的部件，如定位支架、導(dǎo)向帽、架線環(huán)、束線環(huán)、注漿塞等。

3.2 排樁支護(hù)體系

1）排樁圍護(hù)體系

沿深基坑邊緣，通過機械鉆孔、人工挖孔等施工方法灌注混凝土樁或通過錘打、擠壓等施工方法擠入混凝土或鋼制預(yù)制樁，一般呈單層排列。

2）錨固體系

錨固體系的組成己在前面章節(jié)中詳細(xì)介紹過，這里需要強調(diào)的是腰梁必須有足夠的高度以便將排樁所承受的土壓力有效地傳遞到桿體并傳到土層深處。在實際工程中為了施工方便和節(jié)約造價，通常采用雙槽鋼作為腰梁。

3）擋水體系

對于地下水位較高的深基坑，由于排樁之間存在間隙，因此單獨使用排樁無法滿足深基坑對降水的要求。通常采取深層攪拌水泥樁墻，高壓旋噴、擺噴樁墻，深井降水等措施達(dá)到防滲、擋水的效果。

2.3 預(yù)應(yīng)力錨桿

預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)是用于深基坑開挖的一種新型的錨固技術(shù)，通過對錨桿(高強鋼絲或鋼絞線)的自由段進(jìn)行預(yù)張拉，實現(xiàn)對深基坑側(cè)壁的加固。其工作機理是，當(dāng)對錨桿的自由段施加張拉力時鋼絲或鋼絞線將伸長，由于錨桿錨固段的錨固作用，如果將錨桿端部鎖定，則錨桿的伸長量不能回縮，此時對錨固的土體產(chǎn)生壓應(yīng)力，從而達(dá)到加固的目的。預(yù)應(yīng)力錨桿與傳統(tǒng)錨桿比較，其主要優(yōu)點為:

1）安全性好

在預(yù)應(yīng)力施加過程中，對每一根錨桿均進(jìn)行了張拉，這實際上也是對每一根錨桿的檢驗，發(fā)現(xiàn)有問題的錨桿可以及時進(jìn)行補救，避免潛在的隱患。

2）造價低廉

由于采用預(yù)應(yīng)力提高了錨桿的錨固力，可以相應(yīng)縮短錨固段的錨固長度，因此可以減少鉆孔深度并且節(jié)約錨桿材料和注漿的用量，縮短工期，降低成本。

3）基坑變形小

預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)由于施加了預(yù)應(yīng)力，在土體中產(chǎn)生壓應(yīng)力，減少了土體剪切變形，同時錨固段內(nèi)錨固體與巖土間的剪切變形，以及錨桿的彈性變形也隨著預(yù)應(yīng)力的施加而相繼發(fā)生，因此，預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)的基坑變形較傳統(tǒng)錨桿大大減小。

3 排樁一錨桿支護(hù)的工作機理和破壞模式

3.1 錨樁支護(hù)的工作機理

在深基坑周圍土壓力、地下水壓力及深基坑周圍建筑物等附加荷載作用下，排樁體有向深基坑內(nèi)側(cè)傾倒的趨勢并產(chǎn)生相對側(cè)向位移，深基坑底面排樁嵌固深度范圍內(nèi)的土體由于受到樁體側(cè)向位移的影響而產(chǎn)生被動土壓力來抵抗樁體承受的部分主動土壓力。作用在深基坑上部樁體上的錨桿由于預(yù)應(yīng)力作用也會為阻止樁體位移而抵抗部分主動土壓力。支護(hù)樁體所受的主動土壓力由被動土壓力和錨桿錨固力共同承擔(dān)。當(dāng)主動土壓力小于等于被動土壓力和錨桿極限錨固力時，圍護(hù)樁體無側(cè)向位移，即支護(hù)體系有效;當(dāng)主動土壓力大于被動土壓力和錨桿極限錨固力時圍護(hù)樁體產(chǎn)生側(cè)向位移，當(dāng)位移超出允許位移時支護(hù)體系失效。實踐表明，單根錨桿的承載力除錨桿必須具有足夠的截面積以承受極限拉力外，主要受兩個因素控制:一個是錨固段的膠結(jié)材料同孔壁的粘結(jié)力，另一個是膠結(jié)材料同鋼絲或鋼絞線的握裹力。

由于鋼材同水泥漿之間的握裹力比水泥漿同孔壁的粘結(jié)強度大近1 倍，所以鋼材同水泥漿的握裹力在錨桿設(shè)計中可不考慮。一般工程可不必進(jìn)行錨桿同水泥漿握裹力的計算。對于重要工程，則應(yīng)采用鋼材同水泥漿的握裹力來對錨固長度進(jìn)行校核。實際上，錨固體同土層的摩阻力并不是均勻分布的，許多研究和試驗成果表明，錨固段沿孔壁的剪應(yīng)力呈倒三角形分布，其分布是不均勻的，它是沿錨固段長度迅速遞減，并不是錨固段越長，其錨固力越大，當(dāng)錨固段長到一定程度，錨固力提高并不顯著，所以增加錨固段長度并不是提高設(shè)計張拉力的好辦法，正因為如此，國際預(yù)應(yīng)力混凝土協(xié)會實用規(guī)范(FIP)也特別規(guī)定錨固段長度不宜超過10m。如果10m 的錨固段長度尚不能滿足工程需要，可采用改善錨固段結(jié)構(gòu)的方法提高錨固力。

3.2 排樁一錨桿支護(hù)結(jié)構(gòu)的破壞模式

3.2.1 支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性破壞

1）整體穩(wěn)定性破壞

錨桿承載力雖己有安全系數(shù)，但是擋土樁、錨桿、土體組成的結(jié)構(gòu)，有可能出現(xiàn)整體性破壞，支護(hù)結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定的破壞模式包括:①從樁腳向外推移，整個支護(hù)體系沿著一條假定的滑縫下滑，造成土體破壞。②樁和錨桿的共同作用超過土的安全范圍，從樁腳處剪力面開始向墻拉結(jié)的方向形成一條深層滑縫，造成傾覆。

2）局部穩(wěn)定性破壞

支護(hù)結(jié)構(gòu)在水平荷載作用下，對于內(nèi)支撐或錨桿支點體系，深基坑土體可能在支護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生踢腳破壞時失穩(wěn)。對于單支點結(jié)構(gòu)，踢腳破壞產(chǎn)生于以支點為轉(zhuǎn)動點的失穩(wěn)，對于多層支點結(jié)構(gòu)，則可能繞最下層支點轉(zhuǎn)動產(chǎn)生踢腳失穩(wěn)。

3）深基坑底隆起失穩(wěn)

在開挖軟土基坑時，如果支護(hù)樁外側(cè)的周圍土體重量超過深基坑底面的地基承載力時，地基平衡狀態(tài)受到破壞，就會發(fā)生深基坑外側(cè)土體流動，深基坑周圍地面下陷、坑底土體隆起的現(xiàn)象，即發(fā)生深基坑底隆起失穩(wěn)。坑底隆起量的大小是判斷深基坑穩(wěn)定性的重要指標(biāo)。在深基坑失穩(wěn)之前必然產(chǎn)生一定量的隆起。但是當(dāng)隆起量不大時，未必造成深基坑失穩(wěn)。基坑的保護(hù)等級越高，即周圍環(huán)境要求越嚴(yán)格，則允許隆起量越小。

4）管涌和流砂

當(dāng)深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)兩側(cè)有較大水頭差使?jié)B流水頭梯度到達(dá)臨界梯度時，即可發(fā)生管涌。

5）深基坑側(cè)壁滲流

在地下水位較高的土體中開挖深基坑，若采用排樁式圍護(hù)(加設(shè)止水帷幕)的封閉式支護(hù)，在圍護(hù)墻周圍流網(wǎng)的流線和等勢線非常集中，可能會造成深基坑側(cè)壁和底部的滲流破壞。

3.2.2 支護(hù)結(jié)構(gòu)的強度破壞

1）支護(hù)樁體剪切破壞

根據(jù)靜力平衡法，當(dāng)考慮土側(cè)壓力對支護(hù)樁體的作用時可將其簡化為梁進(jìn)行內(nèi)力分析。當(dāng)支護(hù)樁體截面配筋不足或配筋不當(dāng)時，通常會在支撐點處(即剪力最大處)發(fā)生局部剪切破壞。

2）支護(hù)樁體受彎破壞

當(dāng)支護(hù)樁的間距過大時，作用在單個樁體上的土側(cè)壓力增大，當(dāng)土側(cè)壓力大于樁體本身的受彎承載力時將會導(dǎo)致支護(hù)樁體的受彎破壞。

3）錨桿受拉破壞

對于錨桿，由于土層的剪切強度一般低于錨固體的砂漿剪切強度，如果能夠保證施工灌漿的質(zhì)量，則土層錨桿的極限承載力取決于錨固體所處土層的剪切強度。當(dāng)錨桿所受的荷載達(dá)到錨固體與土體的極限摩阻力時，將會在沿著錨固體與土體的結(jié)合處破壞。

4）支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形破壞

此種情況一般指支護(hù)結(jié)構(gòu)本身并未發(fā)生破壞，但因其變形己經(jīng)引起周圍臨近建筑物或地下市政設(shè)施發(fā)生破壞的現(xiàn)象。

4 排樁錨桿支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計要點

4.1 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件

深基坑的工程地質(zhì)條件及水文地質(zhì)條件主要指土層或巖層的物理力學(xué)參數(shù)和地下水的存在狀況及土層的分布。深基坑范圍內(nèi)的工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件是直接影響深基坑支護(hù)方案的關(guān)鍵因素之一。對于圍護(hù)樁，土體條件決定樁體所受主動土壓力和被動土壓力的大小，在土體條件較差的軟土地區(qū)必須通過加大支護(hù)樁的嵌固深度或增加側(cè)向支撐點來保證支護(hù)結(jié)構(gòu)的有效性;對于錨桿，如上節(jié)所述，土層錨桿的極限承載力取決于錨固體所處土層的剪切強度。

4.2 深基坑的幾何尺寸

深基坑的幾何尺寸是指基坑場地形狀，基坑開挖深度和開挖范圍等。由于深基坑具有時空效應(yīng)，深基坑的幾何形狀對基坑開挖過程以及基礎(chǔ)施工階段基坑的支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力和位移的影響是不可忽視的。例如，對圓形、直線型或其他形狀的深基坑而言，由于幾何邊界的不同，深基坑及其支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力和位移不同，而且土壓力的分布也具有空間效應(yīng)。

4.3 排樁設(shè)計方案

排樁的設(shè)計方案包括樁體截面形式和面積的選取、配筋情況的確定、排樁布置形式的確定。排樁的設(shè)計方案直接影響支護(hù)樁體本身的受力情況。

由于樁體在深基坑底面以上承受單向土側(cè)壓力，這必定使樁體有向深基坑內(nèi)側(cè)彎曲的趨勢，從而產(chǎn)生側(cè)向位移。為了滿足深基坑工程及周圍環(huán)境對支護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向位移的要求，必須保證支護(hù)樁體有足夠的剛度，樁體截面形式和面積的選取直接決定了樁體的側(cè)向剛度。

配筋情況的確定決定了樁體極限抗彎承載力的大小;排樁間距的大小決定了每個樁體分擔(dān)的土側(cè)壓力的大小。

4.4 錨桿設(shè)計方案

錨桿的設(shè)計方案包括錨桿布設(shè)位置的確定、錨桿的傾角、錨桿的長度的確定以及施工工藝。錨桿的設(shè)計方案決定了支護(hù)樁體的應(yīng)力分布以及錨桿本身軸向應(yīng)力的大小:

1）錨桿的水平間距很大程度上決定了錨桿本身荷載的大小，豎向間距的選取將影響支護(hù)樁本身應(yīng)力的分布，當(dāng)豎向間距及位置選取恰當(dāng)時支護(hù)樁體所受應(yīng)力分布更加均勻;

2）錨桿的角度影響錨桿所受的荷載大小同時也決定了錨桿長度的確定，通常情況錨桿的傾角為10°～20°;

3）錨桿的自由段長度必須保證穿過土體的滑裂面以免桿體剪切破壞，錨固段的長度決定了錨桿的極限承載力;

4）錨桿形式對承載力的影響，錨桿底部形成擴(kuò)大頭，或以機械擴(kuò)成幾個擴(kuò)大頭圓柱體，提高錨桿的承載能力;

5）壓力灌漿對錨桿的承載力提高起很大作用，灌漿壓力使水泥漿顆粒滲入到周圍土層中去，增加了錨固體與土層的摩擦力，從而增加了錨桿的承載力。經(jīng)試驗證明錨桿的承載力隨灌漿壓力增大而增大，但并不是無限的，當(dāng)注漿壓力超過4MPa 時抗拔力增大就很小了。由于地質(zhì)勘察技術(shù)的限制，地質(zhì)條件的勘察結(jié)果往往與實際相差較大，另外，深基坑周圍建筑物(包括構(gòu)筑物，地下管網(wǎng)、交通要道等)的分布狀況以及基礎(chǔ)施工過程等因素都會使支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力情況更加復(fù)雜。對支護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的影響因素進(jìn)行分析將有助于設(shè)計者對支護(hù)結(jié)構(gòu)受力情況的了解，從而提高支護(hù)結(jié)構(gòu)的有效性。

5 結(jié)論

本文在綜合討論傳統(tǒng)的支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計方法的基礎(chǔ)上，對錨樁支護(hù)體系進(jìn)行了深入分析，在此基礎(chǔ)上分析了錨樁支護(hù)體系的破壞方式和設(shè)計要點。深基坑支護(hù)工程是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程，所涉及到的知識領(lǐng)域非常廣泛。本文初步探討了排樁一錨桿支護(hù)結(jié)構(gòu)的工作機理和設(shè)計方法，尚存在一些不足之處，有待深入探討。

[1]吳恒深基坑工程現(xiàn)狀及優(yōu)化設(shè)計的若干問題工程力學(xué)，1997(增刊)

[2]李紅霞，黨玲博，樁一錨聯(lián)合在深基坑支護(hù)中的應(yīng)用和優(yōu)化設(shè)計，山西建筑，第32 卷第20 期.