深基坑工程中锚桩支护结构的设计

2011-02-13武双林兰州石化职业技术学院甘肃兰州730060

中国建材科技 2011年5期

武双林（兰州石化职业技术学院，甘肃兰州730060）

1 绪论

深基坑工程是一项综合性很强的系统工程，包括深基坑围护体系设计、施工和土方开挖，涉及深基坑支护技术、深基坑止水与降水技术、深基坑工程监测等技术。由于高层建筑高度不断增加，基坑深度随之加深，对深基坑支护的要求不断提高，特别是在我国东南沿海等软土地区，由于土体强度较差，单纯利用桩身自重和嵌固深度以被动土压力来平衡基坑侧面所受的主动土压力、地面荷载等的自立式(悬臂)支护结构效果并不理想，容易在桩顶产生较大的侧向位移，甚至导致整个支护结构失效，造成严重后果。另外对于采用内支撑的排桩支护结构，由于内支撑结构占用基坑内面积较大因而对基础施工进度的影响较大。

良好的支护结构设计需要能够了解主体结构的设计要求，掌握其与基坑支护结构的相互关系，处理好临时支护结构与永久性主体结构的相互关系，以及支护结构和支撑体系作为永久性结构的技术问题。并能熟练应用钢筋混凝土结构和钢结构的设计理论和方法，设计各类支撑体系。本文首先简要介绍了锚桩支护结构的组成，接着分析了支护结构的常见破坏方式，最后在此基础上分析了此类结构在设计中的要点。

2 锚桩支护结构的组成

2.1 锚杆的组成

锚杆是一种将拉力传至稳定岩层或土层的结构体系，主要由锚头、自由端、和锚固端组成。

1）锚头:锚杆外端用于锚固或锁定锚杆拉力的部件，为了能够牢固的使来自结构物的力得到传递，一方面必须保证构件本身的材料有足够的强度，使构件能紧密的固定，另一方面又必须将锚杆收集到的集中力传给稳定地层。锚头由垫墩、垫板、锚具、保护帽和外端锚筋组成。

2）锚固端:锚杆远端将拉力传递给稳定地层的部分。锚固深度和长度应按照实际情况计算获取，要求能够承受最大设计拉力。由锚固体提供的锚固力能否保证支护结构的稳定是锚杆技术成败的关键。

3）自由端:将锚头拉力传至锚固端的中间区段，由锚拉筋、防腐构造和注浆体组成。

4）锚杆配件:为了保证锚杆受力合理、施工方便而设置的部件，如定位支架、导向帽、架线环、束线环、注浆塞等。

3.2 排桩支护体系

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土或钢制预制桩，一般呈单层排列。

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。

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。

2.3 预应力锚杆

预应力锚杆支护是用于深基坑开挖的一种新型的锚固技术，通过对锚杆(高强钢丝或钢绞线)的自由段进行预张拉，实现对深基坑侧壁的加固。其工作机理是，当对锚杆的自由段施加张拉力时钢丝或钢绞线将伸长，由于锚杆锚固段的锚固作用，如果将锚杆端部锁定，则锚杆的伸长量不能回缩，此时对锚固的土体产生压应力，从而达到加固的目的。预应力锚杆与传统锚杆比较，其主要优点为:

1）安全性好

在预应力施加过程中，对每一根锚杆均进行了张拉，这实际上也是对每一根锚杆的检验，发现有问题的锚杆可以及时进行补救，避免潜在的隐患。

2）造价低廉

由于采用预应力提高了锚杆的锚固力，可以相应缩短锚固段的锚固长度，因此可以减少钻孔深度并且节约锚杆材料和注浆的用量，缩短工期，降低成本。

3）基坑变形小

预应力锚杆支护由于施加了预应力，在土体中产生压应力，减少了土体剪切变形，同时锚固段内锚固体与岩土间的剪切变形，以及锚杆的弹性变形也随着预应力的施加而相继发生，因此，预应力锚杆支护的基坑变形较传统锚杆大大减小。

3 排桩一锚杆支护的工作机理和破坏模式

3.1 锚桩支护的工作机理

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。作用在深基坑上部桩体上的锚杆由于预应力作用也会为阻止桩体位移而抵抗部分主动土压力。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。实践表明，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1 倍，所以钢材同水泥浆的握裹力在锚杆设计中可不考虑。一般工程可不必进行锚杆同水泥浆握裹力的计算。对于重要工程，则应采用钢材同水泥浆的握裹力来对锚固长度进行校核。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，所以增加锚固段长度并不是提高设计张拉力的好办法，正因为如此，国际预应力混凝土协会实用规范(FIP)也特别规定锚固段长度不宜超过10m。如果10m 的锚固段长度尚不能满足工程需要，可采用改善锚固段结构的方法提高锚固力。

3.2 排桩一锚杆支护结构的破坏模式

3.2.1 支护结构的稳定性破坏

1）整体稳定性破坏

锚杆承载力虽己有安全系数，但是挡土桩、锚杆、土体组成的结构，有可能出现整体性破坏，支护结构整体稳定的破坏模式包括:①从桩脚向外推移，整个支护体系沿着一条假定的滑缝下滑，造成土体破坏。②桩和锚杆的共同作用超过土的安全范围，从桩脚处剪力面开始向墙拉结的方向形成一条深层滑缝，造成倾覆。

2）局部稳定性破坏

支护结构在水平荷载作用下，对于内支撑或锚杆支点体系，深基坑土体可能在支护结构产生踢脚破坏时失稳。对于单支点结构，踢脚破坏产生于以支点为转动点的失稳，对于多层支点结构，则可能绕最下层支点转动产生踢脚失稳。

3）深基坑底隆起失稳

在开挖软土基坑时，如果支护桩外侧的周围土体重量超过深基坑底面的地基承载力时，地基平衡状态受到破坏，就会发生深基坑外侧土体流动，深基坑周围地面下陷、坑底土体隆起的现象，即发生深基坑底隆起失稳。坑底隆起量的大小是判断深基坑稳定性的重要指标。在深基坑失稳之前必然产生一定量的隆起。但是当隆起量不大时，未必造成深基坑失稳。基坑的保护等级越高，即周围环境要求越严格，则允许隆起量越小。

4）管涌和流砂

当深基坑支护结构两侧有较大水头差使渗流水头梯度到达临界梯度时，即可发生管涌。

5）深基坑侧壁渗流

在地下水位较高的土体中开挖深基坑，若采用排桩式围护(加设止水帷幕)的封闭式支护，在围护墙周围流网的流线和等势线非常集中，可能会造成深基坑侧壁和底部的渗流破坏。

3.2.2 支护结构的强度破坏

1）支护桩体剪切破坏

根据静力平衡法，当考虑土侧压力对支护桩体的作用时可将其简化为梁进行内力分析。当支护桩体截面配筋不足或配筋不当时，通常会在支撑点处(即剪力最大处)发生局部剪切破坏。

2）支护桩体受弯破坏

当支护桩的间距过大时，作用在单个桩体上的土侧压力增大，当土侧压力大于桩体本身的受弯承载力时将会导致支护桩体的受弯破坏。

3）锚杆受拉破坏

对于锚杆，由于土层的剪切强度一般低于锚固体的砂浆剪切强度，如果能够保证施工灌浆的质量，则土层锚杆的极限承载力取决于锚固体所处土层的剪切强度。当锚杆所受的荷载达到锚固体与土体的极限摩阻力时，将会在沿着锚固体与土体的结合处破坏。

4）支护结构的变形破坏

此种情况一般指支护结构本身并未发生破坏，但因其变形己经引起周围临近建筑物或地下市政设施发生破坏的现象。

4 排桩锚杆支护结构设计要点

4.1 工程地质及水文地质条件

深基坑的工程地质条件及水文地质条件主要指土层或岩层的物理力学参数和地下水的存在状况及土层的分布。深基坑范围内的工程地质及水文地质条件是直接影响深基坑支护方案的关键因素之一。对于围护桩，土体条件决定桩体所受主动土压力和被动土压力的大小，在土体条件较差的软土地区必须通过加大支护桩的嵌固深度或增加侧向支撑点来保证支护结构的有效性;对于锚杆，如上节所述，土层锚杆的极限承载力取决于锚固体所处土层的剪切强度。

4.2 深基坑的几何尺寸

深基坑的几何尺寸是指基坑场地形状，基坑开挖深度和开挖范围等。由于深基坑具有时空效应，深基坑的几何形状对基坑开挖过程以及基础施工阶段基坑的支护结构的受力和位移的影响是不可忽视的。例如，对圆形、直线型或其他形状的深基坑而言，由于几何边界的不同，深基坑及其支护结构的受力和位移不同，而且土压力的分布也具有空间效应。

4.3 排桩设计方案

排桩的设计方案包括桩体截面形式和面积的选取、配筋情况的确定、排桩布置形式的确定。排桩的设计方案直接影响支护桩体本身的受力情况。

由于桩体在深基坑底面以上承受单向土侧压力，这必定使桩体有向深基坑内侧弯曲的趋势，从而产生侧向位移。为了满足深基坑工程及周围环境对支护结构侧向位移的要求，必须保证支护桩体有足够的刚度，桩体截面形式和面积的选取直接决定了桩体的侧向刚度。

配筋情况的确定决定了桩体极限抗弯承载力的大小;排桩间距的大小决定了每个桩体分担的土侧压力的大小。

4.4 锚杆设计方案

锚杆的设计方案包括锚杆布设位置的确定、锚杆的倾角、锚杆的长度的确定以及施工工艺。锚杆的设计方案决定了支护桩体的应力分布以及锚杆本身轴向应力的大小:

1）锚杆的水平间距很大程度上决定了锚杆本身荷载的大小，竖向间距的选取将影响支护桩本身应力的分布，当竖向间距及位置选取恰当时支护桩体所受应力分布更加均匀;

2）锚杆的角度影响锚杆所受的荷载大小同时也决定了锚杆长度的确定，通常情况锚杆的倾角为10°～20°;

3）锚杆的自由段长度必须保证穿过土体的滑裂面以免杆体剪切破坏，锚固段的长度决定了锚杆的极限承载力;

4）锚杆形式对承载力的影响，锚杆底部形成扩大头，或以机械扩成几个扩大头圆柱体，提高锚杆的承载能力;

5）压力灌浆对锚杆的承载力提高起很大作用，灌浆压力使水泥浆颗粒渗入到周围土层中去，增加了锚固体与土层的摩擦力，从而增加了锚杆的承载力。经试验证明锚杆的承载力随灌浆压力增大而增大，但并不是无限的，当注浆压力超过4MPa 时抗拔力增大就很小了。由于地质勘察技术的限制，地质条件的勘察结果往往与实际相差较大，另外，深基坑周围建筑物(包括构筑物，地下管网、交通要道等)的分布状况以及基础施工过程等因素都会使支护结构的受力情况更加复杂。对支护结构力学性能的影响因素进行分析将有助于设计者对支护结构受力情况的了解，从而提高支护结构的有效性。