樁錨支護結構在基坑工程中的應用及穩(wěn)定性影響因素分析

賀炎九（中國建筑材料工業(yè)地質勘查中心安徽總隊，安徽 合肥 230088）

基坑工程作為重要的地下空間基礎設施建設形式，對于城市的發(fā)展起到了至關重要的作用。在基坑工程中，為了保證工程的安全和穩(wěn)定，支護結構的設計和選擇變得尤為重要[1]。其中，樁錨支護結構作為一種常見且有效的支護形式，通過使用錨桿將土體約束在樁體和錨桿形成的支護體系內，以保證基坑的穩(wěn)定和安全，因此，樁錨支護結構被廣泛應用于各類基坑工程中[2-3]。

本文依托龍泉廣場（老龍眼居住區(qū)B1組團）項目，運用彈性分析法對樁錨支護結構的受力和變形進行詳細計算，并基于灰色關聯法對基坑支護的穩(wěn)定性影響因素進行深入分析，研究成果可為基坑工程設計提供科學依據和技術支持，從而提高基坑工程的施工質量和安全性。

1 工程概況

該項目位于淮南市田家庵區(qū)，洞山路（現狀）以南，項目擬建3棟高層建筑，分別為3#樓（33層）、2#（33層）和1#（26層），基坑內擬建1層地下車庫，地表正負零高程為39m，基底高程為29.3m～34.4m，基坑用地紅線與基坑坡腳開挖線的距離為4.06m～11.76m，基坑東側為2 層低樓層建筑物，與基坑坡腳開挖線距離為6.27m～7.53m，西側分布有5～7 層民用多層建筑物，與基坑坡腳開挖線距離為5.53m～19.45m。基坑支護工程為臨時工程，基坑支護有效深度為4.6m～9.1m。如圖1 所示，1-1斷面、4-4斷面基坑側壁安全等級為一級，基坑側壁重要性安全系數為1.1；2-2斷面、3-3斷面、7-7斷面基坑側壁安全等級為二級，基坑側壁重要性安全系數為1.0；其他斷面基坑側壁安全等級為三級，基坑側壁重要性安全系數為0.9。

圖1 基坑平面布置圖

2 基坑支護設計分析

基坑支護范圍內巖土簡單，自上而下依次為①雜填土、②黏土、③強風化泥質粉砂巖、④中風化泥質粉砂巖，土層分布穩(wěn)定，支護范圍內主要為①雜填土中的上層滯水以及③層強風化泥質粉砂巖中的裂隙水。綜合分析工程特征和多方案經濟與技術比較，確定基坑1-1斷面～5-5斷面采用排樁+錨索支護，6-6斷面、7-7斷面采用土釘墻支護。支護樁采用干作業(yè)成孔旋挖樁施工工藝，其直徑為900mm，樁間距為1800mm，樁長范圍為9.5m～14.8m，樁身混凝土強度等級為C30。樁錨支護結構的設計以4-4 斷面為例，計算模型如圖2 所示，各層土的物理力學指標見表1。

表1 基坑開挖范圍內土層物理力學性質

圖2 4-4斷面樁錨支護設計計算模型

基坑開挖分為5 個步驟，分別為步驟①：從地面開挖至4.0m；步驟②：加第一道錨索支撐；步驟③：從4m開挖至7m；步驟④：加第二道錨索支撐；步驟⑤：從7m開挖至9.1m，基坑開挖完成，封閉坑底。基坑開挖過程中，共施作了2道預應力錨索支撐，錨桿的預加應力、幾何尺寸等計算參數見表2。錨索采用的鋼筋級別為HRB400，由7 根鋼絞線組成，錨索強度設計值為1220MPa，強度標準值為1720MPa，錨索彈性模量為2×105MPa，注漿體彈性模量為3×105MPa，錨桿抗拔安全系數為1.6，錨桿荷載分項系數為1.25。

圖3為基于彈性分析法的樁錨支護結構受力和變形計算結果。從圖3中可以出，隨著基坑開挖工作的不斷推進，支護樁的位移從最初的樁頂最大，變?yōu)榛娱_挖面下最大，最后在開挖至底部時，支護樁的位移最大值發(fā)生在基坑開挖面以上；基坑支護樁的彎矩受到預應力錨索的影響，由于錨索的支護、約束和荷載傳遞作用，支護樁的彎矩荷載轉化為預應力錨索的拉力，并傳遞給周圍土體，錨索對彎矩曲線具有削峰作用，支護樁的彎矩最大值也發(fā)生在基坑開挖面附近；基坑支護樁的剪力主要發(fā)生在基坑開挖面以下，預應力錨索對剪力具有直接的抵消作用，在加預應力錨索位置，樁身的剪力曲線出現反向突變。經過統計分析，基坑內側最大彎矩為286.79kN·m，外側最大彎矩為54.31kN·m，樁身最大剪力為137.13kN，第一道錨索軸力為125.61kN，第二道錨索軸力為127.71kN。

圖3 樁錨支護結構的受力和變形計算結果

3 基于灰色關聯法的基坑支護穩(wěn)定性影響因素分析

基坑工程具有復雜多變性、時空變異性，樁錨支護結構的內力、變形和穩(wěn)定性的影響因數眾多，因此，在確定樁錨支護結構設計參數時，應對不同的影響因素進行敏感性分析[4]。灰色關聯理論的本質為單因素敏感分析方法，它能夠在有限資料、數據量較少、信息不完全、結構不復雜的情況下，通過改變一個因素變量而其余變量保持不變，定量分析多個敏感因素中某個指標變量的影響程度，并運用關聯系數指標來判斷各個影響因數與參變因數之間的強弱關聯程度，關聯度越大，表明比較變量因數（比較列）與參考變量因素（參考列）之間的相關程度越高，反之則越小[5-6]。具體而言，關聯系數是兩個變量之間的關系及相關方向，取值范圍在-1～1之間。當關聯系數為-1時，表示兩個變量呈現負相關；關聯系數為0時，表示兩個變量沒有相關性；關聯系數為1時，表示兩個變量呈現正相關。在樁錨支護結構中，對基坑支護穩(wěn)定性的影響因素眾多，包括支護樁結構、錨索結構、土體強度等。在灰色關聯法理論中，比較變量和參考變量的矩陣表達形式如式（1）和式（2）所示[7]。

式中A為比較列矩陣；aij為比較因變量因素；B為參列矩陣；bij為參考因變量因素。

對式（1）和式（2）進行無量綱化后，得到兩者的關聯系數，如式（3）所示[8-9]。

式中λ為分辨系數，可取值為0.5。

對式（3）中計算的各項關聯系數進行求平均，得到關聯度ζi，如式（4）所示。

基于龍泉廣場（老龍眼居住區(qū)B1 組團）項目基坑工程樁錨支護設計結果，可以通過改變樁直徑、樁間距、樁嵌固深度、錨索預應力、錨索長度和錨索傾角，研究這些變量對基坑穩(wěn)定性的影響程度。每個影響因素的取值見表3。

表3 基坑穩(wěn)定性影響因素取值

按照式（1）～式（2）可以得到比較列矩陣和參考列矩陣如式（5）和式（6）所示。

由此可以按照式（4）得到樁直徑、樁間距、樁嵌固深度、錨索預應力、錨索長度和錨索傾角的灰色關聯度，依照關聯度大小對各因素進行排序，關聯度越大表示該因素與參考因素的關系越緊密，結果見表4。

表4 基坑穩(wěn)定性影響因素灰色關聯度計算結果

通過式（3）可以得到關聯系數，如式（7）所示。

由此表明，關聯度由大到小排序為樁直徑、樁間距、樁嵌固深度、錨索長度、錨索預應力、錨索傾角。其中，樁直徑、樁間距、樁嵌固深度的關聯度均大于0.7，表明基坑穩(wěn)定性對這三個影響因素較為敏感，在實際工程可以通過調整樁直徑、優(yōu)化樁間距和增加樁嵌固深度的方法改善基坑的穩(wěn)定性。

4 結語

以龍泉廣場（老龍眼居住區(qū)B1 組團）項目基坑工程設計為研究對象，運用彈性分析法對樁錨支護結構的受力和變形進行計算，并基于灰色關聯法對基坑支護穩(wěn)定性影響因素進行分析，得到以下結論：

（1）隨著基坑開挖工作的不斷推進，支護樁的位移從最初的樁頂最大，變?yōu)榛娱_挖面下最大，最后在開挖至底部時，支護樁的位移最大值發(fā)生在基坑開挖面以上；錨索對彎矩曲線具有削峰作用，預應力錨索對剪力具有直接的抵消作用。

（2）基于彈性分析法表明，樁錨支護結構基坑內側最大彎矩為286.79kN·m，基坑外側最大彎矩為54.31kN·m，樁身最大剪力為137.13kN，第一道錨索的軸力為125.61kN，第二道錨索的軸力為127.71kN。

（3）基于灰色關聯度法計算結果表明，影響因素關聯度由大到小排序為樁直徑、樁間距、樁嵌固深度、錨索長度、錨索預應力、錨索傾角。其中，樁直徑、樁間距、樁嵌固深度的關聯度均大于0.7，表明基坑穩(wěn)定性對這3個影響因素較為敏感，在實際工程可以通過調整樁直徑、優(yōu)化樁間距和增加樁嵌固深度的方法改善基坑的穩(wěn)定性。