深基坑开挖中桩锚支护研究

黄 睿

(厦门兴海湾监理咨询有限公司)

1 排桩—锚索支护结构的构成

拉锚式围护结构由挡土结构与外拉系统组成。其挡土结构与悬臂式围护结构相同,主要为地下连续墙和钢筋混凝土排桩,这些在拉锚式围护结构中统称作围护桩。拉锚式围护结构之所以具有上述优点主要是因为围护桩与外拉系统共同作用,并同时充分调动了地层的自稳能力,使得地层既是围护结构荷载来源,也成为了围护结构的组成部分,满足了“新奥法”施工设计的要求。由于外拉系统的存在,围护桩所承受的大部分荷载通过锚拉系统传递到处于稳定区域中的锚固体上,再由锚固体将传来的荷载分散到周围稳定的岩土层中,从而充分发挥地层的自承能力。一般大型较深的基坑,邻近有建(构)筑物而不允许有较大变形的基坑,以及不允许设内撑的基坑,均可考虑选用拉锚式围护结构。拉锚式围护结构的适用范围为:

(1)地层密实的砂土、粉土、硬塑至坚硬的粘性土,如果基坑临近具有更好的土层或岩层,可以更好的承受外拉系统传递来的外载。

(2)如果基坑临近范围内存在不允许损坏的设施或场地时应慎用。排桩一锚杆支护结构体系主要由排桩围护体系、锚杆锚固体系和挡水体系三部分组成。

1.1 排桩围护体系

沿深基坑边缘,通过机械钻孔、人工挖孔等施工方法灌注混凝土桩或通过锤打、挤压等施工方法挤入混凝上或钢制预制桩,一般呈单层排列。

1.2 锚固体系

锚固体系的组成己在前面章节中详细介绍过,这里需要强调的是腰梁必须有足够的高度以便将排桩所承受的土压力有效地传递到杆体并传到土层深处。在实际工程中为了施工方便和节约造价,通常采用双槽钢作为腰梁。

1.3 挡水体系

对于地下水位较高的深基坑,由于排桩之间存在间隙,因此单独使用排桩无法满足深基坑对降水的要求。通常采取深层搅拌水泥桩墙,高压旋喷、摆喷桩墙,深井降水等措施达到防渗、挡水的效果。

2 排桩—锚索支护的工作机理

在深基坑周围土压力、地下水压力及深基坑周围建筑物等附加荷载作用下,排桩体有向深基坑内侧倾倒的趋势并产生相对侧向位移,深基坑底面排桩嵌固深度范围内的土体由于受到桩体侧向位移的影响而产生被动土压力来抵抗桩体承受的部分主动土压力,另外作用在深基坑上部桩体上的锚杆由于预应力作用(对于无预应力锚杆由于桩体的侧向位移作用会产生抗力)也会为阻止桩体位移而抵抗部分主动土压力。因此支护桩体所受的主动土压力由被动土压力和锚杆锚固力共同承担。当主动土压力小于等于被动土压力和锚杆极限锚固力时,围护桩体无侧向位移,即支护体系有效;当主动土压力大于被动土压力和锚杆极限锚固力时围护桩体产生侧向位移,当位移超出允许位移时支护体系失效。另外,要保证桩体本身具有足够的强度,以免在最大剪力处出现剪切破坏,在最大弯矩处挠度过大。锚杆在正常工作状态下,由于涉及拉杆、注浆体、土体等各部分的相互作用,受力情况复杂,所涉及的各部分材料性能差异很大,所以对锚杆体系的工作机理一时还难以分析清楚。一般认为锚杆的锚固力通过非锚固段传到锚固段,当锚固段锚杆受力后,首先通过锚杆(通常为粗钢筋或钢绞线)与周边水泥砂浆之间的粘结力传到锚固体中,然后通过锚固体与周围土体的摩擦力传到土体深处。实践己表明:单根锚杆的承载力除锚杆必须具有足够的截面积以承受极限拉力外,主要受两个因素控制:一个是锚固段的胶结材料同孔壁的粘结力,另一个是胶结材料同钢丝或钢绞线的握裹力。由于钢材同水泥浆之间的握裹力比水泥浆同孔壁的粘结强度大近一倍,所以钢材同水泥浆的握裹力在锚杆设计中可不考虑。实际上,锚固体同土层的摩阻力并不是均匀分布的,许

多研究和试验成果表明,锚固段沿孔壁的剪应力呈倒三角形分布,其分布是不均匀的,它是沿锚固段长度迅速递减,并不是锚固段越长,其锚固力越大,当锚固段长到一定程度,锚固力提高并不显著,因此确定锚固段长度便是基坑开挖支护的首要技术问题。

3 以工程为背景进行有限元模型分析

3.1 工程地质水文条件

(1)地层条件(见表 1)

表 1 地层地质概况

(2)地下水

在第三层局部见上层滞水;第五层圆砾层为弱承压性地下水,稳定水位 63.45～65.85m,渗透系数 1.5～2.5m/d。

3.2 深基坑几何尺寸

本基坑为重庆地铁一号线石油路明挖车站基坑,宽为50m,长为 125m,深 20m。

3.3 有限元模型的建立及分析

本次采用 ANSYS有限元对锚桩支护结构进行模拟分析,采用BEAM 3梁单元模拟钢管灌注桩,采用 LINK1杆单元模拟锚索,采用 PLANE42实体单元模拟岩土,对锚索和钢管灌注桩的参数进行迭代计算,最终以表二参数为优化设计方案。

表 2 深基坑支护参数

从图 1可知,钢管灌注桩最大弯矩出现在基坑底部,最大值为 12 kNm,锚索受力情况分析如表 3所示:

表3 锚索轴力分析

4 监控量测及分析

由于地下工程的不可预知性,目前尚不能找到一种模型全面而准确地表达各种情况下围岩状态及其与支护系统的相互关系,有必要在施工开挖过程中及时对围岩应力应变变形进行监测,及时调整、确定支护参数。

锚索应力和钢管灌注桩均监测采用振弦式钢筋应变计,利用钢弦张紧力与谐振频率成单值函数关系设计而成的,采用与之配套的应力频率计联合使用。观测频率:从开始埋设检测仪器 1～7d内,每天 1～2次;第 7～14d内,每 2d 1次;15 d以后,每周 1～2次;一月后,每月 1～2次。当发现异常位移变化时,适当增加监测频率。根据监测换算后的数据,基坑周边围岩稳定后得到第一层锚索最大轴力为 337 kN,第二层锚索最大轴力为 459 kN,第三层锚索最大轴力为 576 kN;灌注桩底层最大换算弯矩为 11.912 kNm。由监测数据可知,每层锚索轴力与有限元模拟计算结果基本相符,钢管灌注桩弯矩值也基本与有限元模拟计算相符,由此可证明本基坑支护参数合理,进一步说明根据桩锚工作原理进行支护参数设计的可靠性,也充分证实了桩锚结构与围岩的力学行为的准确性。

5 小 结

根据工程实例,通过对锚索和钢管灌注桩的设计计算分析、在实际工程中的应用,以及在基础施工过程中对支护结构的现场检测,证明排桩一锚杆支护体系对于深基坑支护是有效的。桩—锚支护体系是对松软土层深基坑施工的一次改良及尝试。该方法不仅保证了该项目安全快速的施工,缩短了工期而且节约了费用,取得了较为明显的社会效益和经济效益。目前该工程项目已经竣工,它安全快速的运营足以证实设计的合理性。

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