钢管桩与预应力锚索联合支护体系在基坑工程中的应用

【摘要】本文结合具体的基坑工程分析了中直径钢管桩与无粘结预应力锚索在特定地质条件下在基坑工程中的应用及优势对比分析，对相关基坑支护工程的设计及施工具有一定的参考作用。

【关键词】勘察；工作重点

0 引言

近几年随着经济的高速发展，大连地区城市内受规划条件的影响地上空间受到一定程度的限制，地下空间的利用率越来越大，因此大连市内建筑基坑随处可见。大连地区地处千山脉南延的丘陵区，区内多见丘陵地貌，基岩埋深相对较浅，因此建筑基坑以岩质基坑为主。岩质基坑失稳及破坏的形式主要有滑移型及崩塌型两种。滑移型的破坏特征为沿外倾结构面或沿极软岩、强风化岩中的最不利滑动面滑移；崩塌型的破坏特征为沿陡倾、临空的结构面塌滑，由内、外倾结构不利组合面切割，块体失稳倾倒，岩腔上岩体沿竖向结构面剪切破坏坠落。

预应力锚索是大连地区最常见的岩质基坑支护手段，多年来在建筑基坑支护、加固及治理方面得到广泛应用。预应力锚索的加固机理通常有两种理解 ，一种加固机理是把破碎松散岩体锚固在地层深部稳固的岩体上，通过施加预应力，使锚固范围内的软弱岩体挤压紧密，提高岩层间的正压力和摩阻力，阻止开裂松散岩体位移，从而达到加固边坡的目的。通过对部分坡体施加预应力锚索，把坡体锚固于潜在滑移面后部稳定的中、微风化岩层中，保持坡面状态深入坡体内部进行大范围加固。预先主动对边坡松散岩层施加正压力，增大坡体对滑移面的正压力，增大了抗滑力，使坡体趋于稳定。通过锚索孔的高压注浆，浆液能充填坡体内裂隙和空隙，提高了坡体内破碎岩体的强度，由于水泥浆的凝固作用使破碎的岩体连成整体，增强了坡体的整体稳定性；在垂直开挖基坑中通常另一种加固机理可以理解为基坑开挖后形成水平向的岩石压力，该部分水平岩石压力由预应力锚索锚固在滑裂面以外稳定岩体内的锚固体提供相应的锚索锚固力来承担。

传统的拉力型锚索在杆体受荷时，荷载沿杆体由近端传向远端，此过程中常常不能将荷载均匀地分布于固定长度上，会产生严重的应力集中现象。由于粘结应力分布的不均匀性，随着锚杆上荷载的增大，在荷载传至固定长度最远端之前，在桿体与灌浆体或灌浆体与地层界面上就会发生粘结效应逐步弱化或脱开现象。此外对于长度较长的锚索，施工过程中很难保证杆体居于钻孔中心，因此锚索与水泥浆体之间的握裹力经常难以得到保证，从而导致锚索的承载能力远远达不到设计要求。相对于拉力型锚索，无粘结预应力锚索是靠锚索最底端的钢质承载体来传递力的。锚索不会发生拉力型锚索中经常出现的粘结效应逐步弱化的现象，粘结应力一般均匀地分布在整个固定长度上，最大限度地调用整个锚杆固定长度范围内的地层强度，锚杆承载力可随固定长度的增长而成比例提高。当锚索固定段位于非均质地层中，可以合理调整单元锚杆的固定长度，使不同的地层强度都得到充分的利用。

大连等丘陵地区经常出现支护范围内地质条件以风化强烈的全风化岩或者破碎的强风化岩为主，同时受到基坑周边复杂环境条件的影响，基坑往往不具备放坡条件，需垂直开挖。当开挖深度较深（一般大于10米）时，基坑侧壁风化岩所产生的侧向压力往往较大，预应力锚索在这种地层条件下锚固体与岩石侧壁的粘结强度较低、提供的锚固力有限，仅仅依靠锚索一种支护形式很难保证基坑侧壁的变形及稳定性要求。常规的支护形式通常采用大直径钻孔灌注桩（一般直径大于800mm）与预应力锚索联合支护体系确保基坑的稳定。但大直径桩通常成孔速度较慢，特别是成孔深度范围内如果遇到坚硬的中风化岩层时，成孔效率低，影响工期。而中直径钢管桩（直径200-400mm）具备一定的刚度，可参与受力计算，能够承受一定的水平力及弯矩。因此中直径钢管桩与无粘结预应力锚索联合支护体系应运而生。

1 工程实例分析

1.1工程概况

某建筑基坑位于大连市中心内，平面布置为矩形基坑，周边环境条件为城市交通主干道，并且存在地下管网，基坑总长度约400米，基坑开挖深度12-15米，基坑工程重要性等级为一级。

依据据本工程岩土工程勘察报告，基坑支护范围内场地地层主要为素填土、全风化板岩、强风化板岩、中风化板岩。

表1 基坑支护地基土参数

土层号 厚度 摩阻力

c

m kPa kN·m-3 kPa ?

1 1.2 20.0 18.5 15.0 10.0

2 4.6 90.0 19.5 35.0 20.0

3 4.8 150.0 22.0 45.0 25.0

4 3 240 25.0 80.0 30.0

1.2支护方式

本工程基坑四周紧邻道路，且存在地下管网，放坡条件有限，基坑基本需垂直开挖，为保证基坑开挖工程中基坑侧壁的临时稳定性，采用了中直径钢管桩+预应力锚索的联合支护体系，钢管桩直径245mm钢管直径219mm，壁厚12mm。基坑支护典型剖面图详见图1.

图1 支护设计剖面图

2 中直径钢管桩抗弯抗剪性能研究

中直径钢管桩作为水平受力和抗弯构件在基坑支护工程中有过成功的应用实例，但是设计计算方法不成熟，目前多是参考大直径灌注桩的抗弯抗剪计算按照桩直径进行钢筋等效代换，但钢管桩中的钢管为有一定厚度的整体连续性构件，钢管桩的实际抗弯抗剪性能要比按照前述等效代换的计算结果要高，因此可进行相应的试验研究，同时可结合一些具体基坑支护工程总结一下不同壁厚、不同直径钢管桩的实际抗弯抗剪性能。

3 联合支护体系的优势分析

（1）微型钢管桩在大连风化岩地区基坑支护工程中应用的较多，但它只起到开挖过程中预支护的作用，作为一种安全储备。而中直径钢管桩具备一定的刚度，可参与受力计算，承受一定的水平力及弯矩，其与预应力锚索联合支护，可有效减少锚索的数量，同时提高基坑侧壁抵抗变形的能力。

（2）中直径钢管桩在风化岩中可采用潜孔锤高风压气动成孔的方式，成孔方法简单、速度非常快，效率高，可有效节省支护工程的施工工期。

（3）相对于拉力型锚索，无粘结预应力锚索是靠锚索最底端的钢质承载体来传递力的。锚索不会发生拉力型锚索中经常出现的粘结效应逐步弱化的现象，粘结应力一般均匀地分布在整个固定长度上，最大限度地调用整个锚杆固定长度范围内的地层强度，锚杆承载力可随固定长度的增长而成比例提高。锚索底部刚性承载体底锚可工厂化成批加工制作，实际工程中应用较为方便。

参考文献：

[1] 《建筑基坑支护技术规程》（JGJ120—2012）

[2] 吴永忠 吴鸣. 预应力锚索在高边坡加固中的应用[J]. 山西建筑， 2008， （8）：34-24.

[3] 高鹏， 胡毅夫， 范伟.预应力锚索地梁荷载传递规律的弹性理论分析[J].山西建筑，2007，33（11）：121-122.

[4] 郑启强，饶法强. 压力分散型锚索在高边坡加固中的施工控制[J]. 四川建材， （ 2007）04-0188-03.

作者简介：李敬峰，高级工程师，1979年生，大连理工大学硕土毕业，从事岩土工程勘察、设计等工作。