锚杆排桩基坑支护效果及其对周围环境的影响

陈文玲，王振刚，魏美蓉

1.长安大学地质工程与测绘学院，西安 7100542.长安大学西部地质资源与地质工程教育部重点实验室，西安 7100543.长安大学国土资源部岩土工程开放研究实验室，西安 7100544.中煤科工集团西安研究院有限公司，西安 7100775.新疆金达鑫工程建设有限公司，新疆 库尔勒 841000

锚杆排桩基坑支护效果及其对周围环境的影响

陈文玲1，2，3，王振刚4，魏美蓉5

1.长安大学地质工程与测绘学院，西安 710054
2.长安大学西部地质资源与地质工程教育部重点实验室，西安 710054
3.长安大学国土资源部岩土工程开放研究实验室，西安 710054
4.中煤科工集团西安研究院有限公司，西安 710077
5.新疆金达鑫工程建设有限公司，新疆 库尔勒 841000

利用理正深基坑软件，以具体工程的一侧基坑支护为例，分别改变锚杆预应力大小、锚杆排数和土压力调整系数，通过分析计算结果中位移、锚杆锚固段长度和钢筋用量的变化来研究其对锚杆排桩基坑支护效果及其对周围环境的影响。结果表明：对1排锚杆排桩，当预应力增加到一定值后，继续增加预应力值，对减小基坑位移的作用不大，但钢筋用量却会显著增加；用2排锚杆排桩对变形控制的效果明显，并且钢筋用量和对周围环境的影响均小；随着土压力调整系数的增加，基坑的位移、钢筋用量都在增加。因此，选择合适的土压力调整系数，让基坑发生适当的位移，才能使计算中采用的主动土压力和实际的土压力接近，使设计的基坑支护稳定可靠。

理正深基坑软件；锚杆排桩；预应力；基坑位移；钢筋用量；土压力调整系数

0 引言

随着大量高层建筑的兴建和地下空间的开发，基坑开挖深度越来越深，平面尺寸越来越大，并且与周围已有建（构）筑物的距离越来越近，对基坑进行有效的支护才能保证地下结构施工及基坑周边建（构）筑物、地下管线、道路的安全与正常使用周围环境的安全。基坑工程事故多发，不仅造成严重的经济损失，而且影响城市人民正常生活。多数基坑工程事故的原因来自不合理的设计和施工，特别是来自不合理设计［1－2］。

在实践中已发展排桩、地下连续墙、水泥土墙和土钉墙等多种基坑支护方式。阮永芬等［3］和张商根等［4］分别用灰色系统理论、模糊数学理论对深基坑支护方案的优选进行了研究。左秉旭等［5］、陈小惠［6］、刘秋芳［7］结合工程实际介绍了锚杆排桩在基坑支护中的应用和施工质量控制。基坑支护结构设计计算的理论主要有等值梁法、弹性支点法以及有限元法。其中弹性支点法考虑了支点刚度及土体应力与变形，能较好地预估支护结构的变形，并考虑变形计算结构内力，其计算结果更接近实际测试结果，因而得到了更为广泛的应用。《建筑基坑支护技术规程》（JGJ120-2012）［8］规定挡土结构宜采用平面杆系结构弹性支点法进行分析。理正深基坑软件就是基于平面杆系结构弹性支点法，利用有限元法编制的弹性杆系有限元法软件。经验证明，其计算结果可靠，且简单易学，操作方便，因而得到了相关专业人士的认可，在基坑支护的设计计算中得到了广泛的应用。屠毓敏［9］、杨治国等［10］对理正软件在土钉墙支护设计中的应用进行了研究。

笔者以理正深基坑软件为试验平台，以锚杆排桩基坑支护方式为研究对象，通过改变锚杆排桩的设计参数，进行一系列的数值试验，来研究影响锚杆排桩基坑支护效果的主要影响因素及其影响规律，以期对类似工程的基坑支护设计和施工有一定的参考和指导作用。

1 弹性杆系有限元法

将作用桩墙上的支锚点简化为弹簧，将基坑开挖面以下被动侧土体简化成水平向的弹簧，将主动侧（全桩、全墙）的土压力施加到桩墙之上。利用有限元即可得到其内力及位移。弹性杆系有限元法计算原理简图见图1。

图1 弹性杆系有限元法计算原理简图Fig.1 Calculation theory of FEM for elastic bar system

弹性杆系有限元法分析支护结构可按以下步骤［10］进行：

1）结构理想化。把支挡结构的各个组成部分根据其结构受力特性理想化为弹性地基梁单元。

2）结构离散化。把支护结构沿竖向划分成有限个单元，将各单元边界上的节点相连接。

3）支护结构的节点应满足变形协调条件，即节点的位移和联结在同一节点的每个单元的位移是相互协调的，并取节点的位移为基本未知量。

4）单元所受荷载和单元节点位移之间的关系用单元刚度矩阵来确定，作用在结构节点上的荷载和结构节点位移之间的关系以结构的总刚度矩阵来联系，结构的总刚度矩阵由各个单元的刚度矩阵变换得到。

5）根据静力平衡条件，作用在结构节点的外荷载必须与单元内荷载相平衡，单元内荷载由未知节点位移和单元刚度矩阵得到。外荷载给定，可以求解未知的结构节点位移，进而得到单元内力。竖向弹性长桩的水平抗力为结构位移与水平抗力系数之积。

2 工程概况及基坑周边环境

拟建场地规划建一栋33层高层住宅楼，高层住宅楼下及拟建场地北部为地下室停车库。采用钢筋混凝土灌注桩基础。基坑开挖深度约为6.9m。地下潜水位埋深于基坑底面以下约6.0m深度，方案中未考虑地下潜水的影响。基坑支护侧壁安全等级为一级。

建设场地所处位置的周边建筑物分布复杂，且周边建筑物建筑时间比较久远，建筑物地基处理简单，基础埋深较浅。经过现场调查与走访，场地周边建筑物地基处理时均采用灰土换填的方式，灰土换填深度为1.0m左右，建筑物基础位于灰土垫层之上，建筑物均未设置混凝土圈梁，建筑结构为砖混框架结构。

基坑东临2层村民房，该村民房墙体紧贴附近场地围墙，基坑底面开挖线距场地围墙仅1.95m。基坑周围环境略图见图2。以这一侧基坑为例，笔者对不同设计参数下锚杆排桩的支护效果进行了研究。

3 试验设计

对拟采用的锚杆排桩基坑支护方式，排桩的设计参数主要有排桩桩距和桩径；预应力锚杆的设计参数主要有锚杆水平间距、锚杆竖向间距、锚固段长度、锚杆倾角、预加应力值。锚杆的这些设计参数中，锚杆水平间距、锚杆竖向间距和锚杆倾角是各自独立的。

图2 基坑周围环境略图Fig.2 Sketch of the foundation pit surroundings

本侧基坑当仅加1排锚杆时，通过计算发现，支护结构的水平位移和竖向位移均超过规范允许的范围。为了减小水平位移和竖向位移，使其满足基坑的变形控制，一般通过给锚杆施加适当的预应力，但施加预应力后，锚杆的锚固段长度会明显增加；还可通过增加锚杆的排数来减小水平位移和竖向位移，此时由于多排锚杆来受拉，每排锚杆的锚固段长度都不长。下面的研究中将选择不同的预应力值和不同的锚杆排数，对其支护效果、钢筋用量、施工难易程度进行对比。

支护结构的水平位移减小，排桩后的土压力状态就会随着发生变化。土压力理论中墙身位移和土压力关系见图3，根据文献［11］绘出。只有当排桩水平位移－Δ达到一定值时，排桩后土体才达到主动极限平衡状态，此时作用在排桩上的土压力最小，为主动土压力。土体达到主动极限平衡状态时所需的位移量见表1［10］。当支挡结构的水平位移减小时，土压力值会比主动土压力大。而弹性杆系有限元法中假定作用在支护结构上的土压力为主动土压力。为了使墙后土体的压力值接近实际土压力值，理正深基坑软件中有一个土压力调整系数。土压力调整系数的取值主要靠设计人员的综合判断能力和当地区工程经验的积累。笔者将选择不同的土压力调整系数，研究其对支护效果、钢筋用量、施工难易程度造成的影响。

图3 墙身位移和土压力关系Fig.3 Relation of wall displacement and soil pressure

表1 土达到主动极限平衡状态时所需的位移量Table 1 Displacemnt needed for active ultimate balance state

4 结果分析

4.1 预应力值改变的影响

加一排预应力锚杆，支锚点位置在桩顶下2.0 m处。保持预应力锚杆的水平间距2.4m不变，改变所施加的预应力值，其对支护效果和钢筋用量（表中为横截面积，下同）的影响见表2。设计中采用的基坑场地岩土物理力学性质指标见表3。

从表2可知，加50kN预应力就可使水平位移和竖向位移显著减少。但此时锚杆锚固段长度由6.0m增加到10.5m；锚杆钢筋横截面面积计算值由335mm2增加到666mm2；单根锚杆钢筋体积计算值由4 020mm3增加到10 989mm3，增加了1.73倍；桩身纵筋计算值由1 829mm3增加到2 000 mm3。因此，施加预应力后，随着钢筋用量明显增加，锚杆工程造价也在提高；并且给每根钢筋施加预应力，也会增加施工时间。预应力由50kN增加到80kN、100kN，水平位移和竖向位移并没有明显的减少，而锚固段长度和锚杆钢筋计算值在不断增加，故单根锚杆钢筋体积计算值增加显著。可见，当预应力达到一定值后，继续增加预应力对变形控制意义不大。4种预应力值时，桩身纵筋计算值相差不大。

4.2 锚杆排数改变的影响

增加锚杆数量，对应加2道腰梁可以更好地协调支护结构的变形。锚杆水平间距和锚杆倾角与加预应力时一样。因为基坑深度为6.9m，为避免群锚效应，最多可加2排锚杆。2排锚杆均不施加预应力。第1排锚杆的支锚点位置在桩顶下2.0m处；第2排锚杆和第1排锚杆的竖向距离为2.5m。锚杆排数改变对支护效果和钢筋用量的影响见表4。

表2 预应力值改变对支护结构的影响Table 2 Effect of value for pre-stress on the supporting construction

表3 基坑场地岩土物理力学性质指标Table 3 Physical and mechanical properties indexes of soil in the foundation pit siteconstruction

计算得知2排锚杆锚固段长度仅为4.0m，根据《建筑基坑支护技术规程》（JGJ120-2012）［8］规定，土层中的锚杆锚固段长度不宜小于6.0m，故取第2排锚杆的锚固段长度为6.0m。锚固段取6.0m时的单根锚杆钢筋体积计算值见表4括号里的值。2排锚杆加在一起的单根钢筋总体积6 312mm3，远小于加50kN预应力时的单根锚杆钢筋体积计算值（10 989mm3）。虽然加2排锚杆需要多加1圈腰梁，且增加钢筋用量和施工时间，但当采用型钢组合腰梁时，腰梁可以回收再利用。预应力为50kN时，锚杆的长度达到16.5m，有很长一段伸入周围的土体中，当周围的建（构）筑物距离较近或受周围的基础形式限制时，均不能采用；同时还影响周围建（构）筑物再建时的基坑开挖和基础施工；并且锚杆越长，其施工难度越大，且施工质量越难保证，因而影响到实际的支护效果。当使用2排锚杆时：桩身纵筋计算值为1 696mm2，小于加50kN预应力时的桩身纵筋计算值（2 000mm2）；并且加2排锚杆时桩的嵌固深度可显著减小为1.38m。1排锚杆时桩的嵌固深度为6.00m。从对变形控制的效果来看，加2排锚杆后水平位移和竖向位移比1排锚杆时显著减小。因此，从安全、造价、施工和对周围环境影响的角度综合考虑，建议采用2排锚杆的排桩。

4.3 土压力调整系数改变的影响

分别对50、80kN预应力的1排锚杆方案，改变土压力调整系数，其对支护效果和钢筋用量的影响见表5和表6。

从表5和表6可以看出，随着土压力调整系数的增加，除了自由段长度不变，表中的其他值基本上随着土压力调整系数的增加而增加。但是，根据图3随着排桩朝基坑内侧水平位移－Δ的增加，土压力应该越来越小，逐渐逼近理论的主动土压力值。造成这种差异的原因在于，在弹性杆系有限元法的计算模型中，土压力和水平位移并不是像图中那样直接建立联系，而是间接建立联系，即：首先，根据文克尔地基模型，排桩在基坑地面以下的水平抗力和排桩挠度成正比；然后，根据变形协调体条件，排桩的挠度就等于排桩对应点的土体水平位移。当主动土压力增大时，排桩的挠度增加，所以土体水平位移增加。表5和表6中的计算结果表明，随着土压力调整系数的增加水平位移在不断增加。

表4 锚杆排数改变对支护结构的影响Table 4 Effect of number for anchor line on the supporting construction

表5 土压力影响系数改变对支护结构的影响（50kN预应力）Table 5 Effect of adjustment parameter of soil pressure on the supporting construction（50kN pre-stress）

表6 土压力影响系数改变对支护结构的影响（80kN预应力）Table 6 Effect of adjustment parameter of soil pressure on the supporting construction（80kN pre-stress）

施加预应力后，排桩的水平位移会减小，为了增加排桩水平位移，使发生的水平位移量和模型假定的主动土压力状态所需水平位移值更加接近，就需把土压力调整系数增大。由于无法直接调整水平位移值，所以间接地通过土压力体调整系数来调水平位移。调整土压力的目的是使支挡结构发生的水平位移达到支挡结构后土体产生主动土压力的水平位移量。调整时，对基坑以上土体达到主动极限状态的水平位移量估计得越准确，土压力调整系数的取值就越合理。但当土压力调整系数取得较大时，作用在支护结构上的荷载就增加了，对支护结构和锚杆的计算都会产生影响，从而影响工程造价。在实际应用中，选择合适的土压力调整系数，既要考虑基坑的强度控制要求，又要考虑基坑的变形控制要求。对变形有严格要求的基坑，即变形控制的基坑，宜取较小的土压力调整系数；对变形没有严格要求的基坑，宜取较大的土压力调整系数。

因此，作为设计人员需要不断积累工程经验和提高综合判断能力。在基坑开挖过程中，当发现基坑位移量和设计时相差很大时，施工方和设计方要及时沟通，修改设计，保证基坑工程安全。

5 结论与建议

1）当预应力达到一定值后，继续增加预应力对变形控制意义不大，但钢筋用量会明显增加。

2）在预应力锚杆排桩支护方案设计时，应合理确定土压力调整系数。施加预应力后，支护结构的水平位移量减小，作用在支护结构上的实际土压力比计算所取的主动土压力值大。为了增加排桩水平位移，使发生的水平位移量和模型假定的主动土压力状态所需水平位移值更加接近，就需把土压力调整系数增大。土压力调整系数的合理确定依赖于当地工程经验的积累和设计人员的综合判断能力。

3）加2排锚杆排桩和加50kN预应力的1排锚杆排桩的变形控制效果相差不大，但是2排锚杆排桩的锚固段长度和钢筋用量显著减小。从安全、经济、对周围环境的影响和施工质量四方面综合考虑，应选择2排锚杆排桩方案。

4）设计、施工和监测三方面密切配合，及时发现问题，解决问题，保证基坑工程安全。计算中假定支护结构后面的土压力为主动土压力，为了使实际土压力接近主动土压力，需对支护结构的水平位移进行估计。当施工、监测中发现支护结构的水平位移和估计不符时，施工方和设计方要及时沟通，分析原因，找出解决办法。

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Xiong Zhibiao.Retaining and Protection of Building Foundation Excavations ［M ］. Beijing： China Architecture and Building Press，2008.

Effects of Anchor-Pile to Foundation Pit Support and Its Influences on the Surroundings

Chen Wenling1，2，3，Wang Zhengang4，Wei Meirong5

1.SchoolofGeologyEngineeringandGeomatics，Chang’anUniversity，Xi’an710054，China
2.KeyLaboratoryofWesternMineralResourcesandGeologicalEngineering，MinistryofEducation，Chang’anUniversity，Xi’an710054，China
3.OpenResearchLaboratoryofGeotechnicalEngineering，MinistryofLandandResources，Chang’anUniversity，Xi’an710054，China
4.Xi’anResearchInstitute，ChinaCoalTechnologyandEngineeringGroupCorp，Xi’an710077，China
5.XinjiangJindaxinEngineeringConstructionCo.Ltd，Korla841000，Xinjiang，China

Lizheng software for deep foundation pit was used to analyze one side of a real project.By changing the value of pre-stress，number of anchor line and adjusting the parameter of soil pressure，the change of displacement，lengthen of anchored part and steel consumption were calculated and analyzed to study the effects of anchor-pile in foundation pit support and its influences on the surroundings.Study results showed that for one line anchor-pile，when the pre-stress increases to a certain value，pre-stress increasing was no longer useful to decrease foundation displacement，but steel consumption would be increased obviously.Two lines of anchors without pre-stress had an obvious effect on foundation deformation control，and it led to less steel consumption and slight surroundings influence.Only by selecting aproper adjustment parameter of soil pressure，letting the foundation pit to form proper displacement，the active soil pressure adopted in calculation can be closed to the practical one and the design of foundation pit support can be stable and reliable.

Lizheng software for deep foundation pit；anchor-pile；pre-stress；displacement of foundation pit；steel consumption；adjustment parameter of soil pressure

10.13278/j.cnki.jjuese.201404204

P642.3

A

陈文玲，王振刚，魏美蓉.锚杆排桩基坑支护效果及其对周围环境的影响.吉林大学学报：地球科学版，2014，44（4）：1269-1275.

10.13278/j.cnki.jjuese.201404204.

Chen Wenling，Wang Zhengang，Wei Meirong.Effects of Anchor-Pile to Foundation Pit Support and Its Influences on the Surroundings.Journal of Jilin University：Earth Science Edition，2014，44（4）：1269-1275.doi：10.13278/j.cnki.jjuese.201404204.

2013-11-07

国家自然科学基金项目（41102176）；中央高校基本科研业务费项目（2013G1261056）

陈文玲（1974—，女，讲师，博士，主要从事地质工程教学与研究工作，E-mail：dcdgx22＠chd.edu.cn。