桩锚支护在深圳某软土地层基坑支护中的应用

龚锦钊

（广东省地质局第三地质大队，广东韶关512030）

1 概述

1.1 工程概况

该软土地层基坑支护工程位于深圳市宝安区，深圳宝安区为珠江三角洲深港穗黄金经济走廊的重要节点，位于深圳市的西北部，符合典型的软土分布区特征。本项目位于深圳市宝安区民治街道办，三面均毗邻市政路，北侧、西侧、东侧三面铺设有地下市政管道及设施及电子、电讯光缆等管线。基坑西北角位置有变电房。

本文所选工程的基坑开挖支护平均深度约为9m，为不规则形状基坑（呈倒V型），基坑支护全长约813m。本次选题取该项目GL段（呈倒V型，315°阳角段，应力最集中处）作为研究对象，分析软土地区基坑支护坑壁的受力变形特点，统计分析该段基坑变形监测数据。该段岩土层自上而下分布为：素填土，土层厚2～3m；淤泥，层厚6m；粗砂，层厚3m；砾质粘性土，层厚6m。其中淤泥质层对基坑支护的影响较大。

本文所选工程拟建场地上层滞水主要赋存于填土中，无稳定水位，具毛细水特征，孔隙潜水主要赋存于②层淤泥、粗砂、③层砾质粘性土层。补给来源于大气降水和地表径流水，排泄主要为沿地表蒸发，其水位动态变化主要受控于大气降水和地表径流水，且随气候的变化而变化，具自由水位特征。④层花岗岩中赋基岩裂隙水、裂隙发育较好、闭合性好、水量贫乏。地下水位呈下降趋势，下降原因除季节影响外，还和工业园区周边棚户区的地下水抽取及周边建筑基础施工开挖有关。

本文所选基坑支护安全等级为一级，本次重点研究的GL段为异形基坑的阳角段，基坑周边有民房，对基坑变形要求较高，是整个基坑受力最为复杂，最为危险的剖面段。基坑支护形式采用的是灌注桩+锚杆（索）的方式。

1.2 选题目的

通过监测分析，研究原基坑设计方案的合理性；同时通过有限元分析法分析软土地区基坑受力变形的机理，与实际变形情况进行对比分析。使用Midas/GTS软件对本项目设计方案进行优化。

1.3 选题意义

在珠三角地区，基坑深度越来越深，而软土分布又极为广泛，软土的复杂性、高压缩性对于基坑支护的影响极大，如何在软土地区中设计出既安全又经济深基坑支护方案是一个十分有意义的课题。同时，深基坑工程涉及了工程地质学、土力学、岩石力学、工程监测技术和地基处理等多学科交叉，综合性较强，加之深基坑工程具有较强的地域性差异以及事故不确定性，主要表现为随着基坑工程的开挖推进，基坑所处的复杂地层、不同的施工工序和工法以及特殊的极端环境因素均可以引发基坑变形、基底隆起和围护结构的破坏。统计表明，通常在基坑事故的诱因中，设计不当占40%、施工不当占18%、止水、降水和排水等处理失当占10%、勘察等因素约占5%，由此可见，设计不当是诱发深基坑事故的主要因素。因此，本文立足于深圳某软土地层基坑的桩锚支护结构，通过对基坑进行优化设计。为以后的基坑支护设计提供一定的参考和借鉴，特别是为同类型的异形深基坑的设计施工提供指导。

2 基坑工程设计

2.1 支护方案

华业玫瑰四季馨园基坑支护工程为异形深基坑，在综合考虑安全性和经济性的基础上，为缩短施工工期，本设计采取排桩+锚杆（索）的支护方式。止水帷幕采用双排深层搅拌桩，规格为Φ550@双向300。取典型剖面5-5剖面GL段，剖面图见图1。

2.2 设计计算依据

图1 5-5剖面GL段剖面图

（1）《华业深圳龙华项目大地块岩土工程详细勘察报告》，2012年4月，核工业衡阳第二地质工程勘察院深圳勘察院；

（2）建设单位提供的总平面图等相关图纸；

（3）《深圳市基坑支护工程技术规范》（SJG 05-2011）；

（4）《建筑基坑支护技术规程》（JGJ120-2012）。

本基坑安全等级为一级，在进行支护方案设计时，采用北京理正深基坑支护F-SPW V 6.5软件进行计算，重点针对基坑的具体情况取基坑开挖较深情况进行计算。

2.3 支护方案设计计算

本文将以阳角断面GL段5-5剖面为例进行说明。

（1）护坡桩设计。本文所采用的护坡桩设计参数如下：

①桩顶标高为-1.50m；地面设计标高0.00m，超载值为25.00kPa；含冠梁高度的桩全长为14.50m；桩中心距2.00m、直径1.00m、嵌固深度7.00m；

②桩身配筋：钢筋笼直径0.90m，均匀通长配筋，尺寸20Φ25；箍筋为Φ10@150；加强筋尺寸Φ18@2000，混凝土强度为C25；混凝土保护层厚度为50mm；

③ 冠梁为矩形截面（1000mm×800mm），配筋：2Φ12、6Φ22（箍筋Φ8@200）。

（2）锚索设计。本文所采用的锚杆（索）设计共布置6层锚杆（索），预应力锚索采用4×7Φ5锚索。锚索的参数如表1所示。

（3）止水帷幕设计。本基坑支护工采用深层水泥搅拌桩作为止水帷幕，相关技术参数如下：桩径D=550mm，间距为双向300mm。

2.4 计算结果分析

本文在计算过程中，所采用的基坑工程实际施工工序如表2所示。

表1 锚杆（索）参数表

表2 基坑开挖工序表

（1）弯矩分析。根据计算，本项目基坑的最大水平位移为15.59mm。基坑的最大负弯距约距基坑底部2.4m的位置处、为951.06kN·m。基坑的最大负剪力约距基坑底部2.7m左右处、约为382.89kN，最大正剪力约距基坑底部1.3m左右处、约为333.18kN。

（2）沉降分析。分别采用指数法、三角形法和抛物线法求得的基坑最大沉降量分别为24mm、15mm、9mm，实际工程中，我们通常取三者中的最大值作为基坑设计的依据。因此，本基坑工程满足基坑设计要求。

（3）应力分析。通过计算，本文所采用的锚杆内力设计值如表3所示。

（4）验算整体稳定性。基坑整体稳定安全系数Ks为1.746，满足规范要求。

（5）验算抗倾覆系数。本文采用公式（1）计算基坑的抗倾覆稳定性：

表3 锚杆内力值

根据计算，各种工况下，最小安全系数Ks为1.913≥1.250，符合规范要求。

（6）抗隆起验算：

普朗德尔法：

计算得：Ks=4.066≥1.800，抗隆起稳定性满足。

圆弧条分法：

计算得：Ks=2.058≥1.800，经计算所求的抗隆起安全系数为2.058，满足规范要求。

因此，通过以上分析可知，采用本文提出的桩锚支护方案可满足深基坑设计的安全性要求。

3 基坑桩锚支护的优化设计

为加强基坑阳角附近的结构支护作用和支护结构的安全稳定性，需对其进行针对性的优化设计。本文采用M idas/GTS软件对阳角处考虑不同的桩间距、支护桩嵌固深度以及锚杆的倾角等因素进行了试算，以基坑水平位移为评价标准进行设计方案的优化。

3.1 试算结果

（1）桩间距的优化设计。本文在进行前期对阳角附近的设计方案进行试算时，采用了1.6m、1.8m、2.0m（原方案）和2.2m的试算桩间距试算时其余参量保持不变。对比结果如图2所示。

图2 不同桩间距求得基坑位移对比结果

由图2可知，桩间距增加，会导致基坑位移呈逐渐增加的态势。但同样可以由图2可以发现在达到第五步时，不同桩间距的基坑水平位移基本保持一致，差别不大，因此，本次维持原设计方案不变，桩间距仍取2.0m。

（2）支护桩嵌固深度的优化设计。前期试算时，选择6.5m、7m（原方案）、7.5m的不同嵌固深度进行基坑开挖支护模拟，对比结果如图3所示。

由图3可知，3种嵌固深度对应的基坑位移相差较小，因此，本优化设计方案对阳角处的桩嵌固深度取6.5m。

（3）锚杆倾角的优化设计。研究表明，由于桩锚支护体系中，锚杆的主要作用在于依靠其轴力的水平分力平衡桩后土体的主动土压力的水平分力，因此，锚杆的倾角直接导致锚杆的水平内力和基坑水平位移的大小。本文对比分析了11°、13°、15°（原方案）和17°不同的锚杆倾角的模拟计算结果，计算结果如图4所示。

图3 支护桩不同桩间距求得基坑位移对比结果

图4 不同锚杆倾角求得基坑位移对比结果

可以看出，当锚杆的倾角越大，则其对基坑的支护作用越弱，主要表现为其轴力的水平分力将降低，基坑的位移将增大。故本次优化设计方案对阳角出的锚杆倾角取11°进行计算。

3.2 优化后的模型建立

本基坑工程分为7个工况进行开挖和支护，分别是：

工况1：开挖前的原始应力应变位移状态分析；工况2：开挖深度至-0.9m；

工况3：在-0.4m水平处布置第一道预应力锚杆锚索；

工况4：开挖深度至-2.1m；

工况5：在-1.6m水平处布置第二道预应力锚杆锚索；

工况6：开挖深度至-3.3m；

工况7：在-2.8m水平处布置第三道预应力锚杆锚索；

工况8：开挖深度至-4.7m；

工况9：在-4.2m水平处布置第四道预应力锚杆锚索；

工况10：开挖深度至-6.1m；

工况11：在-5.6m水平处布置第五道预应力锚杆锚索；

工况12：开挖深度至-9m；

工况13：在-7m水平处布置第六道预应力锚杆锚索。

3.3 优化前后对比分析

采用了本文的优化设计方案后，基坑的受力更加合理，位移值更小。其中水平位移由15.59mm减少至9.7mm，沉降则由24mm减少至17mm，同时锚杆轴力也有所下降。这主要是因为对桩间距、嵌固深度和锚杆倾角3个方面进行了优化调整，使得整个支护体系受力更加合理。因此，在基坑支护设计中根据现场实际的情况选择更为合理的桩间距、嵌固深度和锚杆倾角是工程设计应优先考虑的问题，它们对与基坑的安全性和经济性有很大的影响，一是合理的桩间距、嵌固深度和锚杆倾角能更好地分配结构所受的主动土压力，使桩和锚杆的受力更加合理，从而降低基坑的位移和沉降，提高基坑的安全性；二是能够降低工程造价，节约资源，提高工程经济性。

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