深基坑锚杆支护结构的设计计算及检测

张浩然

0 引言

基坑工程具有工程量大，技术难度大等多种特点，其安全可靠性不仅影响基坑工程本身，而且往往会影响周边已有建筑的稳定性，所以基坑支护显得尤为重要。在各种场地和环境条件限制下，深基坑支护设计与施工都存在着经济和技术上的难度问题。

锚杆支护作为一种有效且经济的支护措施，在很多深基坑工程中均有所应用。同时运用锚杆及其他支护方式，现已成为深基坑支护工程的主要方式。该工程大量运用锚杆支护，对基坑稳定性发挥了重要作用。

1 锚杆的设计计算及检测

1.1 锚杆设计

锚杆是一种受拉杆件，一端与工程结构或挡土桩墙联结，另一端锚固于地基的土层或岩层中，以承受结构物的上托力、拉拔力、倾侧力或挡土墙的土压力。

在进行土锚杆设计前，应先进行场地调查及工程地质勘查，通过分析确定锚杆层数、间距、倾角等，在此基础上计算锚杆轴力、锚杆锚固段和自由段长度，计算锚杆锚索的断面尺寸。

一般在基坑施工中，先挖到锚杆标高处，然后进行锚杆施工，待锚杆预应力张拉后，方可挖下一层土，进行下一道锚杆的施工。锚杆上下排间距不宜小于2.0m;锚杆水平方向间距不宜小于1.5m。锚杆锚固体上覆土层厚度不应小于 4.0m;锚固段长度不应小于4.0m。倾角是锚杆与水平线的倾角，它和施工机械性能及地层土质有关，锚杆倾角一般以 15°～35°为宜。

锚杆承载力可按下式计算:

其中，Td为锚杆水平拉力设计值;Nu为锚杆轴向受拉承载力设计值;θ为锚杆与水平面的夹角。

锚杆的锚固长度La按下式计算:

其中，dm为锚杆段直径，可取钻孔直径的 1.2倍;Km为锚固安全系数，取Km=1.5;Nt为锚固设计轴向拉力;τ为锚固体与土层之间的剪切强度。

锚杆自由段长度Lf可按下式计算(如图1所示，Lf即锚杆的自由段):

其中，LAO为锚杆锚头中点至基坑底面以下土压力为零点处的距离;φk为土体各土层厚度加权内摩擦角标准值;α为锚杆倾角。

锚杆总长度:

其中，Lm为土层锚杆总长度;La为锚固段长度;Lf为自由变形段长度，应取超过滑裂面0.5m～1.0m的长度，即按式(4)确定的长度再加0.5m～1.0m。

锚杆杆体的截面面积按下列公式确定:

普通钢筋:

预应力钢筋:

其中，As，Ap分别为普通钢筋、预应力钢筋杆体截面面积;fy，fpy分别为普通钢筋、预应力钢筋抗拉强度设计值;Kmj为安全系数。

1.2 锚杆检测

锚杆设置后，连续观测超过 24 h就可称为锚杆的长期观测，根据《土层锚杆设计与施工规范》要求，对永久性锚杆及重要工程的临时性锚杆，应对锚杆预应力变化进行长期观测，观测的数量不应少于锚杆总数的5%～10%，监测时间不宜少于 12个月，监测的目的是掌握锚杆预应力或位移变化规律，为锚杆的短期试验提供重要补充资料，确认锚杆长期工作性能，必要时，可根据观测结果采取二次张拉锚杆或增设锚杆等措施，以确保锚固的可靠性。

在工程检测中，每一测试项目都应根据实际情况的客观环境和设计任务书，事先确定相应的警戒值，以判断位移或受力状况是否会超过允许的范围，判断工程施工是否安全可靠，是否需要调整施工工序或优化设计方案，因此，测试项目警戒值的确定至关重要，一般情况下，每个警戒值应由两部分控制，即总允许变化量和单位时间内允许变化量。

2 锚杆支护的工程应用

2.1 场地工程地质条件

本工程位于北京市海淀区，拟建场地地形基本平坦，地面下41.00m深度范围内的土层岩性以粘性土、粉土与砂土、碎石土交互沉积为主。于钻孔中测得地下水三层，分别位于地面以下 3m～6m，10m～13m及 15m～19m之间。根据勘察报告，拟建场地第 1层地下水水质对混凝土结构无腐蚀性，但在干湿交替作用条件下对钢筋混凝土结构中的钢筋具有弱腐蚀性，第 2，3层地下水水质对混凝土结构及钢筋混凝土结构中的钢筋均无腐蚀性。本工程建设场地内及附近无全新世纪以来的活动断裂通过，抗震设防烈度为 8度，场地类别为Ⅲ类。场区内天然沉积的地基土不会产生地震液化。

2.2 锚杆计算

此工程的基坑为超大超深基坑，总用地78 113.3m2，总建筑面积 240 058m2，故在此以基坑的某一剖面为例。该基坑实际支护深度为16.1m，自地表向下 5m高的边坡采用土钉墙的支护方案。根据实际土层情况，拟设置两道锚杆支护，锚杆水平距离为1.5m。

通过计算，第一道锚杆轴向力Nu=516.8 kN，取锚杆倾角为15°，钻孔直径为150mm，可得锚固段长度为La=17.86m，取18m;自由段长度Lf=5.78m，取6 m;锚杆总长度Lm=18+6=24m。本工程所有锚杆均采用低松弛钢绞线(fptk=1 860MPa)，因此A= 2.0×555.70mm2。

同样，经过计算，第二道锚杆轴向力Nu=489.12 kN，锚固段长度为La=17.32m，取18m;自由段长度Lf=5.23m，取6m;锚杆总长度Lm=18+6=24m。锚杆截面面积A=492.6mm2。

2.3 锚杆检测试验

通过等级循环张拉试验，测得每一等级加载及卸载时的锚头位移，然后经过整理可得出锚头与荷载的关系，经分析可得荷载—位移曲线(所记录的锚杆命名为T1和T3)，见图2，图3。

经分析得出:加载过程中，锚头位移均匀变化，后一级荷载产生的位移量都未达到或超过前一级荷载产生的位移量的 2倍。当荷载达到最大张拉荷载630 kN时，锚杆T1，T3锚头位移都稳定在某一个数值，而没有无休止的增加下去，试验锚杆都没有发生破坏现象，说明所设计的锚杆都满足设计要求。

上述试验分析情况是循环加卸荷载而产生的一些变化，而分级加荷后，锚头位移变化情况如图 4所示。

从图4中可以看出:T1，T3锚杆在等级加荷张拉时，随着荷载变大，位移呈现缓缓增大的趋势，没有出现突然上升或下降的情况，最终当荷载加大到最大张拉荷载630 kN时，没有发生破坏现象，说明这两个锚杆都达到了设计要求，为后续试验和施工打下了很好的基础。

3 结语

锚杆作为一种有效且经济的基坑支护方式，对基坑支护的安全性及施工的时效都有好处，是基坑支护方案选择中不可忽视的一种。文章以锚杆支护设计为主要内容，针对深基坑工程的支护方案，进行了锚杆设计计算，对基坑位移进行了测量，保证了基坑支护的顺利性和安全性。锚杆支护作为一种理论和实践都相对成熟的支护方式，在实际施工中需要具体分析，要重视锚杆的试验环节，对锚杆参数的调整及工程的安全施工有很大的关系。

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