鋼管樁與預應力錨索聯合支護體系在基坑工程中的應用

【摘要】本文結合具體的基坑工程分析了中直徑鋼管樁與無粘結預應力錨索在特定地質條件下在基坑工程中的應用及優勢對比分析，對相關基坑支護工程的設計及施工具有一定的參考作用。

【關鍵詞】勘察；工作重點

0 引言

近幾年隨著經濟的高速發展，大連地區城市內受規劃條件的影響地上空間受到一定程度的限制，地下空間的利用率越來越大，因此大連市內建筑基坑隨處可見。大連地區地處千山脈南延的丘陵區，區內多見丘陵地貌，基巖埋深相對較淺，因此建筑基坑以巖質基坑為主。巖質基坑失穩及破壞的形式主要有滑移型及崩塌型兩種。滑移型的破壞特征為沿外傾結構面或沿極軟巖、強風化巖中的最不利滑動面滑移；崩塌型的破壞特征為沿陡傾、臨空的結構面塌滑，由內、外傾結構不利組合面切割，塊體失穩傾倒，巖腔上巖體沿豎向結構面剪切破壞墜落。

預應力錨索是大連地區最常見的巖質基坑支護手段，多年來在建筑基坑支護、加固及治理方面得到廣泛應用。預應力錨索的加固機理通常有兩種理解 ，一種加固機理是把破碎松散巖體錨固在地層深部穩固的巖體上，通過施加預應力，使錨固范圍內的軟弱巖體擠壓緊密，提高巖層間的正壓力和摩阻力，阻止開裂松散巖體位移，從而達到加固邊坡的目的。通過對部分坡體施加預應力錨索，把坡體錨固于潛在滑移面后部穩定的中、微風化巖層中，保持坡面狀態深入坡體內部進行大范圍加固。預先主動對邊坡松散巖層施加正壓力，增大坡體對滑移面的正壓力，增大了抗滑力，使坡體趨于穩定。通過錨索孔的高壓注漿，漿液能充填坡體內裂隙和空隙，提高了坡體內破碎巖體的強度，由于水泥漿的凝固作用使破碎的巖體連成整體，增強了坡體的整體穩定性；在垂直開挖基坑中通常另一種加固機理可以理解為基坑開挖后形成水平向的巖石壓力，該部分水平巖石壓力由預應力錨索錨固在滑裂面以外穩定巖體內的錨固體提供相應的錨索錨固力來承擔。

傳統的拉力型錨索在桿體受荷時，荷載沿桿體由近端傳向遠端，此過程中常常不能將荷載均勻地分布于固定長度上，會產生嚴重的應力集中現象。由于粘結應力分布的不均勻性，隨著錨桿上荷載的增大，在荷載傳至固定長度最遠端之前，在桿體與灌漿體或灌漿體與地層界面上就會發生粘結效應逐步弱化或脫開現象。此外對于長度較長的錨索，施工過程中很難保證桿體居于鉆孔中心，因此錨索與水泥漿體之間的握裹力經常難以得到保證，從而導致錨索的承載能力遠遠達不到設計要求。相對于拉力型錨索，無粘結預應力錨索是靠錨索最底端的鋼質承載體來傳遞力的。錨索不會發生拉力型錨索中經常出現的粘結效應逐步弱化的現象，粘結應力一般均勻地分布在整個固定長度上，最大限度地調用整個錨桿固定長度范圍內的地層強度，錨桿承載力可隨固定長度的增長而成比例提高。當錨索固定段位于非均質地層中，可以合理調整單元錨桿的固定長度，使不同的地層強度都得到充分的利用。

大連等丘陵地區經常出現支護范圍內地質條件以風化強烈的全風化巖或者破碎的強風化巖為主，同時受到基坑周邊復雜環境條件的影響，基坑往往不具備放坡條件，需垂直開挖。當開挖深度較深（一般大于10米）時，基坑側壁風化巖所產生的側向壓力往往較大，預應力錨索在這種地層條件下錨固體與巖石側壁的粘結強度較低、提供的錨固力有限，僅僅依靠錨索一種支護形式很難保證基坑側壁的變形及穩定性要求。常規的支護形式通常采用大直徑鉆孔灌注樁（一般直徑大于800mm）與預應力錨索聯合支護體系確保基坑的穩定。但大直徑樁通常成孔速度較慢，特別是成孔深度范圍內如果遇到堅硬的中風化巖層時，成孔效率低，影響工期。而中直徑鋼管樁（直徑200-400mm）具備一定的剛度，可參與受力計算，能夠承受一定的水平力及彎矩。因此中直徑鋼管樁與無粘結預應力錨索聯合支護體系應運而生。

1 工程實例分析

1.1工程概況

某建筑基坑位于大連市中心內，平面布置為矩形基坑，周邊環境條件為城市交通主干道，并且存在地下管網，基坑總長度約400米，基坑開挖深度12-15米，基坑工程重要性等級為一級。

依據據本工程巖土工程勘察報告，基坑支護范圍內場地地層主要為素填土、全風化板巖、強風化板巖、中風化板巖。

表1 基坑支護地基土參數

土層號 厚度 摩阻力

c

m kPa kN·m-3 kPa ?

1 1.2 20.0 18.5 15.0 10.0

2 4.6 90.0 19.5 35.0 20.0

3 4.8 150.0 22.0 45.0 25.0

4 3 240 25.0 80.0 30.0

1.2支護方式

本工程基坑四周緊鄰道路，且存在地下管網，放坡條件有限，基坑基本需垂直開挖，為保證基坑開挖工程中基坑側壁的臨時穩定性，采用了中直徑鋼管樁+預應力錨索的聯合支護體系，鋼管樁直徑245mm鋼管直徑219mm，壁厚12mm。基坑支護典型剖面圖詳見圖1.

圖1 支護設計剖面圖

2 中直徑鋼管樁抗彎抗剪性能研究

中直徑鋼管樁作為水平受力和抗彎構件在基坑支護工程中有過成功的應用實例，但是設計計算方法不成熟，目前多是參考大直徑灌注樁的抗彎抗剪計算按照樁直徑進行鋼筋等效代換，但鋼管樁中的鋼管為有一定厚度的整體連續性構件，鋼管樁的實際抗彎抗剪性能要比按照前述等效代換的計算結果要高，因此可進行相應的試驗研究，同時可結合一些具體基坑支護工程總結一下不同壁厚、不同直徑鋼管樁的實際抗彎抗剪性能。

3 聯合支護體系的優勢分析

（1）微型鋼管樁在大連風化巖地區基坑支護工程中應用的較多，但它只起到開挖過程中預支護的作用，作為一種安全儲備。而中直徑鋼管樁具備一定的剛度，可參與受力計算，承受一定的水平力及彎矩，其與預應力錨索聯合支護，可有效減少錨索的數量，同時提高基坑側壁抵抗變形的能力。

（2）中直徑鋼管樁在風化巖中可采用潛孔錘高風壓氣動成孔的方式，成孔方法簡單、速度非常快，效率高，可有效節省支護工程的施工工期。

（3）相對于拉力型錨索，無粘結預應力錨索是靠錨索最底端的鋼質承載體來傳遞力的。錨索不會發生拉力型錨索中經常出現的粘結效應逐步弱化的現象，粘結應力一般均勻地分布在整個固定長度上，最大限度地調用整個錨桿固定長度范圍內的地層強度，錨桿承載力可隨固定長度的增長而成比例提高。錨索底部剛性承載體底錨可工廠化成批加工制作，實際工程中應用較為方便。

參考文獻：

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作者簡介：李敬峰，高級工程師，1979年生，大連理工大學碩土畢業，從事巖土工程勘察、設計等工作。