深基坑预应力锚杆复合土钉支护设计稳定性分析

郑歆毅 曹延龙 王晓冬 王新宇

摘    要：预应力锚杆复合土钉墙支护，以机动灵活、支护能力强、工期短、造价低等特点被广泛运用，但是对此支护设计理论的研究，却一直落后于工程实践。本文在介绍几种典型的预应力锚杆复合土钉支护形式的基础上，结合工程实例，通过探究复合支护形式下土钉和锚杆以及二者之间的协同受力机理，进行了土钉和预应力锚杆协同作用下的支护设计和稳定性分析，该分析可为深基坑预应力锚杆复合土钉支护提供一定的指导。

关键词：深基坑工程;复合土钉墙;支护设计;稳定性分析

1   引言

预应力锚杆复合土钉墙支护技术，是几种常见的复合土钉墙基坑支护形式之一。相对于锚杆支护和土钉支护，预应力锚杆复合土钉墙支护具有支护能力强、机动灵活、工期短、适用范围广等特点，在粘性土、粉砂土、卵石土等基坑工程中被广泛应用。

虽然预应力锚杆复合土钉支护结构在各大工程中运用广泛，但实际施工仍以工程经验为主，对预应力锚杆复合土钉墙支护结构受力机理、破坏模式等相关的理论及试验研究还相当少且不够深入，存在着理论明显滞后于工程实践的现象，很大程度地限制了这项技术的发展。为了解决这一矛盾，本文将结合中建三局乐陵棚户区改造项目实际施工情况，深入研究和探讨预应力锚杆复合土钉墙支护结构的力学性能及其破坏模式，并在此基础上对预应力锚杆复合土钉墙结构进行支护设计和稳定性分析。

2  工程概况

中建三局集团有限公司乐陵市城北片区、井家三期棚户区改造项目（三標段）位于山东省乐陵市，建设安置房约2786套，建筑总面积约466685.59m?，共43栋主楼，建筑高度：7.80m～50.70m，基坑深度5.8m。

3  预应力锚杆复合土钉支护作用机理

3.1  土钉作用机理分析

土钉支护技术是在新奥法的原理上逐步发展起来的，由被加固土体、土钉筋体、喷射混凝土面层共同组成，是一种土体柔性支护技术。潜在滑移面内主动区土体由于土钉的存在，其刚度增大，强度和自稳能力得到提升。土钉通过注浆作用与土体结合成为有机的整体，共同作用阻止基坑变形。土钉的作用主要有应力分担作用、骨架箍束作用、应力扩散与传递作用等方面。

3.2 锚杆作用机理分析

预应力锚杆是主动支护方式，通过对锚杆施加预应力，能有效的将基坑主动区不稳定土体的应力传递到后方稳定的土层中，主动地将滑裂面外稳定土体的潜能调动起来，共同承受荷载。预应力的存在一方面改善了主动区土体的应力状态，另一方面也使土体的自承能力得以充分发挥，因而对控制基坑变形、维持基坑稳定起到决定性作用。锚杆的作用机理可以概括总结为深层锚固作用、深部悬吊作用、注浆约束作用等几个方面。

4   预应力锚杆复合土钉支护设计分析

由于土钉和锚杆各自作用机理不同，在基坑开挖的不同阶段，土钉和锚杆发挥的作用也显示出很大差别。根据乐陵市棚户区改造项目现场实际施工情况表明，开挖初期，基坑挖深较小，土钉钉体大部分仍位于潜在滑裂面以外，土钉发挥其应力传递与分散作用。随着开挖的不断进行，土钉钉体在潜在滑裂面以内的长度增大，此时为保证基坑稳定，应将锚杆置入土体中，此时锚杆作为主要受力构件，将主动区土体的水土压力传递到深部稳定土体中，并通过预应力对基坑进行主动支护，限制土体的变形，维持基坑稳定性。

锚杆在整个开挖阶段作用显著，由于锚杆预应力的作用，使锚杆对基坑得以主动支护，不仅使基坑主动区土体因受到挤压而加固，还增加了潜在滑动面上的正应力和抗剪阻力，提供抵抗主动区土体滑动的抗滑力，减少基坑滑动破坏的发生。同时，锚杆预应力对基坑变形起到很关键的控制作用，能有效改善由基坑下层土体开挖引起的应力释放。

目前，对预应力锚杆复合土钉支护结构的设计计算方面的研究还很欠缺。本文结合乐陵棚户区改造项目现场实际施工，根据规范对预应力锚杆复合土钉支护结构的设计计算方法进行总结，包括土钉和预应力锚杆这两种主要受力构件的设计和对锚杆复合土钉支护基坑的稳定性进行验算分析。

4.1  土钉支护结构设计

（1）土钉长度确定

图土钉长度计算。

单根土钉长度[li]可按下列公式初步确定：

（2）土钉杆体截面面积确定。

（3）土钉锚固力。在轴向拉力作用下，土钉可能有三种破坏方式：①沿锚固体与土体的界面拔出，即达到其极限锚固力;②拉力达到土钉的抗拉强度而被拉断;③土钉从灌浆体中拔出，即拉力达到其极限粘结力。一般不会发生土钉被拉断的情况，通常土钉破坏为拔出破坏。第j排其中一个土钉所提供的锚固力标准值[Tk，j]：

5  结论

本文结合实际工程实例，介绍了几种典型的预应力锚杆复合土钉支护形式，进一步揭示了复合支护形式下土钉和锚杆以及二者之间的协同受力机理，并进行了土钉和预应力锚杆协同作用下的支护设计分析和稳定性分析，该设计理论可为深基坑预应力锚杆复合土钉支护提供一定的理论指导。

参考文献：

[1] 杨光华.土钉支护技术的应用与研究进展[J].岩土工程学报，2010（S）：9～16.

[2] 范宇洁，郑七振，魏林.预应力锚索锚固体的破坏机理和极限承载能力研究阴[J].岩石力学与工程学报2005（15）：2765～2769.