深基坑工程樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及應(yīng)用研究

奚智聰 鄭慶超 湯偉濱 趙張航 中國(guó)建筑第五工程局有限公司

1 前言

現(xiàn)階段，很多工程施工地點(diǎn)在繁華的城市，周邊有著較多建筑及設(shè)施，在地質(zhì)環(huán)境較為復(fù)雜的工程中，支護(hù)結(jié)構(gòu)能夠起到很好的保障作用，使深基坑施工更加順利。樁支護(hù)結(jié)構(gòu)不僅僅可以體現(xiàn)在挖掘的穩(wěn)定性上，還可以提高施工人員施工的安全性，本文就對(duì)深基坑樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，并探討其應(yīng)用舉措[1]。

2 深基坑樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)及工作原理

2.1 樁錨支護(hù)體系的特點(diǎn)

目前，樁錨支護(hù)在深基坑工程的應(yīng)用中最為普遍，與其他支護(hù)形式相比，樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)有著較為特殊的優(yōu)點(diǎn)。這種支護(hù)結(jié)構(gòu)有效結(jié)合了護(hù)坡排樁和單錨，有著更好的支護(hù)效果。由于該結(jié)構(gòu)是一種超靜定結(jié)構(gòu)，因此有效提高了支護(hù)穩(wěn)定性及安全性能。其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性主要是依靠錨桿錨固段與土層間的摩擦力及嵌入土層所提供的支撐力，且還具有良好的適用性，不僅能應(yīng)用在深基坑及超深基坑中，還能在某些特殊的地形條件下，發(fā)揮其較高的價(jià)值[2]。

2.2 樁錨支護(hù)體系的工作原理

2.2.1 土拱效應(yīng)原理

在不平衡載荷的作用下，基坑壁內(nèi)的土體會(huì)產(chǎn)生移動(dòng)，加上錨桿錨固時(shí)土體受到一定程度的破壞，其受到的限制作用減弱，土體更容易產(chǎn)生側(cè)向位移。土體側(cè)向變形的程度也受到基坑挖掘深度的影響，隨著深度的增加變形程度也增加，造成側(cè)面樁體的脫離，甚至導(dǎo)致支護(hù)作用實(shí)效。在剪力作用下，錨桿內(nèi)部的應(yīng)力會(huì)有所偏移，并向變形方向小的一面偏移，開(kāi)挖深度越深，不平衡壓力也會(huì)不斷增加，剛度較大的位置會(huì)有應(yīng)力反應(yīng)，土拱一般立于支柱樁后，拱腳可通過(guò)土拱產(chǎn)生自我支持作用。土拱能夠?qū)ν馏w原來(lái)產(chǎn)生的受力作用做出改變，土拱上和土拱后所產(chǎn)生的壓力作用，被作用到了拱腳上，有效控制了側(cè)向變形。

2.2.2 支護(hù)樁工作原理

第一，支擋基坑周圍的土體。排樁的支擋作用可有效支撐基坑挖掘后松動(dòng)的土體。排樁材料要根據(jù)土體環(huán)境選擇，總體來(lái)說(shuō)，排樁材料一般剛度較大，因?yàn)榕艠锻ǔＰ枰裆睿瑒偠却蟮牟牧峡梢云鸬綋跬磷饔谩５诙c(diǎn)作用。排樁上錨桿的鑲嵌，使排樁自身的剛度發(fā)揮作用，增強(qiáng)對(duì)支護(hù)體的加固力，錨桿深入到土體中，并將排樁用為支護(hù)點(diǎn)，增強(qiáng)錨桿對(duì)土壤所產(chǎn)生的支護(hù)作用。第三，受力作用。土拱作用即將排樁作為拱腳，土拱現(xiàn)象會(huì)產(chǎn)生于基坑的周圍，可以在一定程度上降低錨桿變形。

2.2.3 錨索工作原理

錨索作用下，利用支護(hù)樁傳遞錨桿受力，使其傳遞到土基中，有效借用土層應(yīng)力潛能，使錨桿及土體一同承受外力載荷，降低錨桿受力，提高基坑的穩(wěn)定性（圖1）。錨索的主要作用機(jī)理有以下幾點(diǎn)。

圖1 錨索作用機(jī)理圖

（1）深層錨固作用。在土基內(nèi)部固定錨桿的一端，對(duì)另一端的錨桿施加外力，使外力產(chǎn)生傳力作用傳遞到土基的內(nèi)部，發(fā)揮土基深處土層潛能的效果。（2）內(nèi)部懸吊作用。懸吊重物的原理與內(nèi)部懸吊的作用有相似之處，錨桿將即將脫離土層的土體，用錨緊緊的固定住，緊密聯(lián)系起堅(jiān)實(shí)的土層和在錨固作用下松散的土體。（3）灌漿約束作用。若要松散的土壤與原有的土層相粘結(jié)，可使用灌漿手段，不僅能改善錨桿周圍的土壤性，還能夠利用漿體灌注土體中的縫隙，整體提高土體的穩(wěn)定性。（4）提高摩阻作用。在錨桿附近，土體性能會(huì)有明顯的改善，使土體對(duì)錨桿產(chǎn)生的握裹作用有所增強(qiáng)，當(dāng)錨桿一端與重物產(chǎn)生作用時(shí)，會(huì)增加土體之間的摩擦力，也會(huì)增加錨桿與土體的摩擦力，使單位錨桿荷載承受的能力有所提高。

2.3 支護(hù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度破壞

當(dāng)錨樁支護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞時(shí)，會(huì)有多種破壞形式及其原因，以下就介紹幾種主要結(jié)構(gòu)強(qiáng)度破壞形式。（1）當(dāng)過(guò)大的剪力作用到支柱樁時(shí)，支柱樁會(huì)產(chǎn)生變形，使結(jié)構(gòu)的安全性受到影響。在工程實(shí)際開(kāi)展過(guò)程中，土載荷通過(guò)基坑開(kāi)挖增加，如果土層壓力在計(jì)算過(guò)程中出現(xiàn)不準(zhǔn)確的情況，支護(hù)樁結(jié)構(gòu)極易產(chǎn)生變形，嚴(yán)重情況下使支護(hù)樁發(fā)生斷裂，基坑周圍土壤塌陷，給周邊建筑物、道路及設(shè)施帶來(lái)一系列安全性問(wèn)題。（2）支護(hù)樁的受彎遭到破壞。深基坑各支護(hù)樁在應(yīng)用過(guò)程中，應(yīng)保證支護(hù)樁間隔滿足相應(yīng)條件，支護(hù)樁之間的距離如果游離于安全范圍外，會(huì)導(dǎo)致基坑中土體出現(xiàn)滑坡問(wèn)題，還有可能增加單個(gè)樁所承受的土體壓力，在增加基坑挖掘深度之后，樁體承受的土壓力可能會(huì)在支柱樁承受的安全范圍之外，使得支柱樁產(chǎn)生受彎破壞的現(xiàn)象。（3）拉錨結(jié)構(gòu)破壞。地下土壤的自然環(huán)境復(fù)雜、多樣且有變化，深基坑在開(kāi)挖過(guò)程中，若梁計(jì)算含有偏差，拉錨嵌在土壤時(shí)，土壤結(jié)構(gòu)層會(huì)受到破壞，導(dǎo)致周圍土體強(qiáng)度與錨固體周圍土體剪切強(qiáng)度有落差，使前者較高于后者，當(dāng)錨桿對(duì)土體所產(chǎn)生的作用強(qiáng)度被土體強(qiáng)度所超過(guò)，會(huì)導(dǎo)致錨桿出現(xiàn)斷裂的情況。在深基坑支護(hù)時(shí)有效應(yīng)用樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)，需充分考慮支護(hù)樁埋設(shè)的深度、水泥混凝土的等級(jí)、支護(hù)樁之間的距離及其鋼筋的布設(shè)數(shù)量等。在施工和使用錨樁支護(hù)結(jié)構(gòu)過(guò)程中，應(yīng)關(guān)注多方面的需求，保證深基坑開(kāi)挖和使用過(guò)程中結(jié)構(gòu)的安全性，還要保障基坑周圍建筑物、測(cè)試的結(jié)構(gòu)安全。

3 錨桿支護(hù)與設(shè)計(jì)

3.1 錨桿支護(hù)

錨桿支護(hù)一端由通孔插入，另一端與支護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)成有機(jī)的整體，開(kāi)展養(yǎng)護(hù)、灌漿工作。在錨桿孔的使用過(guò)程中，使另一端錨固定在穩(wěn)定土中。結(jié)合之前相關(guān)工程案例，鉆孔灌漿通常要先施加預(yù)應(yīng)力，再進(jìn)行混凝土噴射。要想提高支護(hù)的平穩(wěn)性，錨桿支護(hù)的平穩(wěn)性要強(qiáng)于土釘支護(hù)。但從經(jīng)濟(jì)性方面考慮，錨桿支護(hù)的成本更高，花費(fèi)成本增加，整個(gè)支護(hù)體系的一部分包括錨桿支護(hù)，錨桿支護(hù)與土釘墻、排樁等有著一定的聯(lián)系，產(chǎn)生共同作用，有效保護(hù)和支撐土體[3]。

錨桿支護(hù)再實(shí)際應(yīng)用中具有諸多優(yōu)點(diǎn)，其平穩(wěn)性能好、安全系數(shù)高，因此錨桿和土釘?shù)戎ёo(hù)方式的組合，可達(dá)到更加顯著的支護(hù)效果，不僅克服了單一支護(hù)方式的不足，也能有效改善支護(hù)整體的平穩(wěn)和安全性能。

比如，將排樁和錨桿組合使用，能有效提升土體的整體性，還能夠影響排樁支護(hù)作用下的土體橫向壓力，且有一定程度的降低。深基坑中產(chǎn)生支護(hù)作用的部分為錨桿支護(hù)，支護(hù)的深度在深基坑中被不斷的增加，在錨桿支護(hù)的作用下，錨桿支護(hù)背面的主動(dòng)土壓力有所減少，減少深基坑側(cè)向位移的情況，同時(shí)基坑中土基變形的情況能夠被毛莊支護(hù)排樁的變形所抵消。基坑土對(duì)排樁的主動(dòng)土壓力可以被錨桿對(duì)支護(hù)樁的拉力、深坑坑底的被動(dòng)土壓力所抵消，當(dāng)主動(dòng)土的壓力被抵消時(shí)，能有效保證深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全性，主動(dòng)土的壓力要強(qiáng)于大于力時(shí)，變形等問(wèn)題極易發(fā)生在基坑支護(hù)當(dāng)中，導(dǎo)致基坑出現(xiàn)坍塌現(xiàn)象。

3.2 錨桿設(shè)計(jì)原則及設(shè)計(jì)要素

（1）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、錨桿類型的選擇，應(yīng)對(duì)基坑周圍的情況進(jìn)行實(shí)地勘察，保障工程的安全性，使工程價(jià)格更加合理，工程開(kāi)展也更加可靠，并保證挖掘基坑四周的建筑物設(shè)施、埋置物的安全性；（2）在選擇錨桿類型時(shí)，需要充分考慮錨桿使用后期，道路路堤在重載的交通工具影響下產(chǎn)生形變的可能性；（3）選擇錨桿類型時(shí)，還應(yīng)考慮到基坑所在的環(huán)境，預(yù)防實(shí)際開(kāi)展過(guò)程中因考慮不全面導(dǎo)致支護(hù)極限過(guò)大或過(guò)小的情況。錨桿設(shè)計(jì)的主要要素為：基坑周圍環(huán)境中的建筑物、錨桿的錨固力、錨桿的總長(zhǎng)、錨桿的斜角以及各個(gè)錨桿之間的間距等，這些要素都要在計(jì)算和試驗(yàn)過(guò)程中得到相應(yīng)的數(shù)據(jù)。

在選擇錨桿的類型時(shí)，需選擇錨桿應(yīng)用的材料，試驗(yàn)不同材料的錨桿性質(zhì)，通過(guò)驗(yàn)證挑選最合適的錨桿材料。除此之外，在項(xiàng)目工程正式完工后，還需驗(yàn)證錨桿的耐拔力，保證其承受力在設(shè)計(jì)要求范圍內(nèi)。同時(shí)，還要篩選錨桿的類型，包括荷載大小、工程特性、基坑土壤特性、施工時(shí)采用機(jī)械設(shè)備的情況以及錨桿總長(zhǎng)度等。

4 工程概況

4.1 工程情況簡(jiǎn)介

本文將以某一住宅樓項(xiàng)目為基礎(chǔ)，預(yù)計(jì)施工建設(shè)一棟具備26層樓高的建筑，基坑的長(zhǎng)和寬分別是93m及76m，基坑的最深位置為13m，該工程項(xiàng)目周邊建筑較多，環(huán)境較為復(fù)雜，距離基坑最近處為11m，因此，該住宅樓項(xiàng)目工程基坑的安全等級(jí)為Ⅰ級(jí)。

4.2 工程地基特征

勘察該住宅樓工程項(xiàng)目的地基土，可以發(fā)現(xiàn)地基土按照巖性可以劃分成13層，本文只簡(jiǎn)單介紹支護(hù)范圍內(nèi)的土層。①人工填土：根據(jù)土層的構(gòu)成可將人工填土分為雜填土以及素填土，雜填土中含有很多結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)較為松散，其厚度大約在1.8m，素填土主要包括磚及根系等，其厚度大致在3.1m；②細(xì)砂：細(xì)砂主要包含石英等成分，厚度大致為1.2m；③粉質(zhì)黏土：含氧化物等物質(zhì)，厚度約在5.9m；④細(xì)砂：結(jié)構(gòu)比較密實(shí)，厚度約在2.16m左右；⑤粉土：韌性較差，厚度約在7.9m左右；⑥細(xì)中砂：結(jié)構(gòu)較為密實(shí)，厚度約在11.5m左右。

5 深基坑樁錨支護(hù)方案及施工工藝

在工程地基的勘察工作開(kāi)展過(guò)程中能夠發(fā)現(xiàn)，在開(kāi)挖的范圍中主要是一些填土、細(xì)砂等，樁錨支護(hù)方案不僅要考慮降水處理，也要涉及攪拌樁止水。

5.1 降水處理

在場(chǎng)地中，地下水的位置在基底上方，所以選擇管井法作為基坑降水的方案。管井法要注意以下幾點(diǎn)：第一，水井的布置通常考慮設(shè)置在基坑邊大約6m的范圍，同時(shí)也要避免與上部結(jié)構(gòu)發(fā)生干涉，注意避讓。第二，降水井的尺寸設(shè)計(jì)，孔徑的設(shè)置一般為0.7m，其內(nèi)部濾水管的直徑要控制在0.4m左右，不僅如此，在其內(nèi)部也要放置濾料以及礫砂，濾料的不均勻系數(shù)要不大于2，礫砂也要保證其潔凈。此外，沉砂管要選擇不透水的，一般放置在降水井最底部3m的位置，降水井布置如果設(shè)置在電梯井附近，要注意進(jìn)一步加深降水井，加深深度大約為4m。第三，在進(jìn)行挖土工作之前，需要做好降水工程，讓地下水位至少在挖土面0.8m以下，以保障挖土工作的高效開(kāi)展。

5.2 基坑支護(hù)

第一，放坡的位置一般距離帷幕樁頂3.5m，并且需對(duì)其開(kāi)展加固處理，一般用土釘加固，土釘?shù)倪x擇大多采用長(zhǎng)度為6m的螺紋鋼，并且土釘?shù)拈g距要保持在1.2m。加工處理之后，還要對(duì)土坡予以噴面處理，噴面的厚度以10cm為宜。第二，開(kāi)挖深度到3.5m時(shí)，要開(kāi)展水泥土攪拌樁作業(yè)。一般情況下，攪拌樁選用樁徑為850mm，標(biāo)高3.5m，長(zhǎng)度20m的規(guī)格，并且攪拌樁的間距要保持在6m左右。在本次的分析探討中，采用較為常見(jiàn)的普通硅酸鹽水泥作為水泥用料，要注意水泥參入量在土重的20%。此外，支護(hù)灌注樁和攪拌樁也需合理設(shè)置土釘，土釘?shù)牟贾梦恢门c上述相同。第三，當(dāng)挖掘深度達(dá)到6m時(shí)，要開(kāi)展樁錨支護(hù)工作，注漿材料為水泥，灌注樁的主筋等部分采用鋼筋材料，通過(guò)焊接的方式將需要連接的部位連接。

5.3 相關(guān)施工工藝

灌注樁的施工工藝有以下幾個(gè)問(wèn)題需要注意：第一，灌注樁樁內(nèi)主筋以焊接的方式連接，螺旋箍筋以綁扎的方式連接，箍筋和主筋的連接尤為重要，二者通過(guò)點(diǎn)焊的形式并且要保障點(diǎn)焊率在50%以上，確保連接的穩(wěn)定性。第二，主筋的布置要注意鋼筋接頭以及布置形式。鋼筋接頭不宜過(guò)多，主筋要均勻并且沿著樁身展開(kāi)布置。第三，間距的合理控制。合理布置主筋以及箍筋位置，保證其間距的合理性，鋼筋籠的直徑以及長(zhǎng)度偏差也要得到合理設(shè)置。第四，二次注漿可以提高錨索穩(wěn)定性，當(dāng)強(qiáng)度到達(dá)15MPa時(shí)要及時(shí)鎖定。第五，嚴(yán)格控制樁位間的誤差，在搭接位置正確的情況下，保證樁位誤差在2cm內(nèi)。第六，在開(kāi)挖之前，合理設(shè)定土開(kāi)挖方案，并且以分層開(kāi)挖的施工方式為宜[4]。

6 深基坑樁錨支護(hù)施工的監(jiān)測(cè)

基坑支護(hù)在施工之前，監(jiān)測(cè)項(xiàng)目至少要測(cè)得兩次以上的穩(wěn)定初始值，基坑監(jiān)測(cè)的完成時(shí)間一般按照回填到標(biāo)高執(zhí)行[5]。基坑從開(kāi)始挖掘到挖至底部的時(shí)間，以及基坑監(jiān)測(cè)完成所需時(shí)間，在這段時(shí)間內(nèi)，觀測(cè)間隔時(shí)間通常控制在7d～15d，假如在這段時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)突發(fā)事件，可以減少監(jiān)測(cè)間隔的時(shí)間，提高監(jiān)測(cè)工作頻率。布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)的時(shí)候，監(jiān)測(cè)點(diǎn)一般沿著基坑的周邊進(jìn)行布置，尤其是在一些建筑物附近，監(jiān)測(cè)點(diǎn)的距離要控制在20m范圍內(nèi)。基坑監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)量通常在三個(gè)以上，保證角點(diǎn)以及中心點(diǎn)都有監(jiān)測(cè)點(diǎn)，提高基坑監(jiān)測(cè)的有效性，遇到問(wèn)題時(shí)能夠快速反應(yīng)。

7 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，在深基坑工程中應(yīng)用樁錨支護(hù)技術(shù)，不僅可以提高工程的施工質(zhì)量，也可以實(shí)現(xiàn)理想的施工效果。在具體的基坑項(xiàng)目中，基坑設(shè)計(jì)方案需得到有效的優(yōu)化升級(jí)，并且根據(jù)工程項(xiàng)目的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，展開(kāi)實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)工作。在施工開(kāi)展的過(guò)程中，需要嚴(yán)格把握施工質(zhì)量，增強(qiáng)施工管理的力度，充分發(fā)揮樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)的價(jià)值，避免深基坑工程施工過(guò)程中給周圍造成的不良影響。在研究錨樁支護(hù)設(shè)計(jì)和應(yīng)用時(shí)，工程項(xiàng)目實(shí)踐將會(huì)有著更加廣闊的發(fā)展空間。