关于桩锚体系在深基坑支护设计中的几点探讨—以长沙某深基坑支护工程为例

2022-07-21刘运刚刘金华黄明艳谭海林肖豪

化工矿产地质 2022年2期

刘运刚刘金华黄明艳谭海林肖豪

1 中化地质矿山总局湖南地质勘查院，湖南长沙 410083

2 湖南化工地质工程勘察院有限责任公司，湖南长沙 410004

随着城镇化进程的增长，对地下空间的利用也提出了更高的要求，国内外专家学者和工程人员对不同基坑支护结构的理论和实际应用做了大量研究并取得了丰硕的研究成果[1-6]。

本文主要以长沙某基坑工程为例，探讨桩锚支护体系对基坑变形的影响。由于基坑支护工程具有区域性和差异性，基坑支护设计的精准变形量是难以精准确定的问题，目前在全国或行业内很难有统一、定量的标准，需要设计人员根据项目区岩土地质条件、周边环境条件、工程自身特点及邻近建筑物对变形的适应能力等因素合理确定变形量控制标准[4-7]。同时，在基坑支护设计中，地基土的水平反力系数的比例系数m值的合理取值是影响计算结果的关键影响因素之一。现行《建筑基坑支护技术规程》（JGJ120-2012）[8-12]对 m值的取值提出了三种方法：一是按桩的水平载荷试验取值，二是按经验公式取值，三是按经验值取值。其中，按桩的水平载荷试验取值最为准确，但试验成本高，费时耗力，在勘察中通过此法得到m值的比较少，现阶段主要是采用经验公式取值或经验值取值。故笔者以长沙某深基坑为工程背景，采用理正深基坑 7.0设计软件进行设计，探讨了设计阶段影响计算变形量的因素，并结合工程实际确定了允许的变形量，最后对实际监测数据与设计计算变形值进行对比验证，所得结论以期为相关工程提供参考。

1 工程概况及设计参数确定

1.1 工程概况

本基坑位于湖南省长沙市天心区，基坑开挖深度在7.8～12.60m，本文重点研究西侧的DE段。该段坑顶为小区出入道路和五层老旧住宅，基坑顶距离小区老旧建筑的距离约10m，基坑安全等级为一级，重要性系数 γ0取值为 1.1，设计使用年限为一年，采用桩锚支护，桩径1.0m，支护高度12.6m，嵌固深度7.7m，桩间距2.0m，采用3道预应力锚索锚拉，锚索成孔直径150mm，具体的支护剖面如图1所示。

图1 DE段支护剖面图Fig.1 Support section of DE part

根据岩土工程勘察报告，各土层厚度如图1地质柱状图 JK24所示，地层主要有坚硬状态的粉质黏土，中密-密实状的粗砂，中密状的圆砾及强风化泥质粉砂岩，各岩土层的设计参数如表1所示。场地地下水类型主要为埋藏在杂填土中的上层滞水及赋存于粗砂及圆砾中的潜水，上层滞水稳定水位埋深5.9～6.9m，相当于标高84.33～85.77m，潜水稳定水位埋深9.0～12.4m，相当于标高79.9～82.45m。

表1 各地层设计参数Table 1 Design parameter of rocks and soil layers

1.2 设计参数确定

1.2.1 荷载取值

其中道路荷载按 30kPa，住宅按 15kPa/层考虑，本设计的荷载距坑顶 10m范围内荷载取30kPa，距坑顶10～50m范围内荷载取75kPa。地下水位按不利原则考虑，外侧水位深度取 0，粉质黏土按水土合算，粗砂和圆砾按水土分算，采用二次压力注浆。

1.2.2 m值确定

根据《建筑基坑支护技术规程》[8]（JGJ 120-2012），土的水平反力系数的比例系数 m 值的经验公式是根据大量实际工程的单桩水平载荷试验确定，并根据统计原理建立了与土抗剪强度的联系，具体如下：

式中：m-水平反力系数的比例系数；φ-土的内摩擦角（°）；c-土的粘聚力（kpa）；υb-桩在坑底处的水平位移量（mm）。

值得一提的是，各个地方的岩土体物理力学性质既有共性也有异性，纯按经验公式计算取值离散性较大，若有桩的水平荷载试验及地区经验时，宜优先按照桩的水平荷载试验及地区经验取值。本文采用强桩弱锚支护方案，根据勘察报告（地区经验）结合《建筑边坡工程技术规范》[11]（GB50330-2013）中的m值进行试算对比，表2中第1行中的值为根据勘察报告所给参数而得到的值，第2行中的值为根据文献[11]而得到的值（表2）。

表2 不同m取值对变形的影响Table 2 Comparison of deformation with different m value

从表2可知，根据地区经验的m值进行试算，其竖向沉降值为20mm，水平位移值为13.73mm，都较《建筑边坡工程技术规范》[11]（GB50330-2013）的值小，m值与计算变形或位移也呈负相关性，m越大计算变形或位移越小。由此可见，m值对最大沉降和水平位移的计算较为敏感，在进行基坑支护设计中，应根据岩土层性质，结合地区工程经验，审慎确定m值，必要时可要求勘察单位进行补充说明。

2 方案选择

2.1 变形对比分析

桩锚支护体系属于超静定结构，其桩-土-锚是相互作用的，从力的平衡看，护壁桩与锚索共同承担水土压力；也正因为桩锚体系结构受力合理、施工简单灵活、变形控制有力、对土方施工影响较小等优点，在深基坑工程中应用较为广泛[4-7]。但现阶段的基坑设计理论尚不完善，计算出的变形量误差较大，工程设计人员更需要重视积累地区经验和概念设计。本文结合场地工程地质、水位地质及周边实际情况，对比分析了在不改变锚索的长度和倾角及其它设计参数，只改变锚索的排数时强桩弱锚、强锚弱桩两种不同桩锚刚度开挖至最低标高时的计算变形量（表3）。由表3可知，在本工程中，强桩弱锚方案的最大沉降和水平位移小于强锚弱桩方案。

表3 不同桩锚刚度搭配的计算变形对比Table 3 Comparison of calculated deformation under the different stiffness of pile and anchor

2.2 造价对比分析

本段支护长度为 52.7m。强桩弱锚支护方案桩径为1m、桩间距2m、桩长20.3m、锚索长21m、锚索竖向间距 3m（3排锚索，4Φ15.2），即该段采用强桩弱锚支护方案共需要26根桩、78根锚索，桩径为1.0m的钻孔灌注桩综合单价为1600元/m，其中综合单价包括材料费、机械费、人工费、综合费，4Φ15.2综合单价为160元/m，故其总造价约为875856万元。

强锚弱桩支护方案桩径为0.8m、桩间距1.6m、桩长20.3m、锚索长21m、锚索竖向间距2.5m（4排锚索，4Φ15.2），即该段采用强桩弱锚支护方案共需要33根桩、132根锚索，桩径为0.8m的钻孔灌注桩综合单价为1380元/m，其中综合单价包括材料费、机械费、人工费、综合费，4Φ15.2综合单价为160元/m，故其总造价约为824809万元。

由此可知，强锚弱桩支护方案较强桩弱锚支护方案节约了约5.8%的成本，但造价总体区别不大，且在工程实际中，锚索容易失效，强桩弱锚方案会更安全。

3 变形监测数据预警值的确立与对比

3.1 设计时变形量监测控制标准

基坑工程监测为基坑周边环境中的建筑和各种设施的保护提供了依据，监测时应根据工程的特点选择合理的变形监测预警值就显得十分重要，本段坑顶为小区道路和老旧住宅，其基础型式为天然地基浅基础、砌体承重的砖混结构。根据《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2011）[13]第 5.3.4条，砌体承重结构基础允许的局部倾斜为0.002～0.003，考虑到小区道路和老旧住宅对差异沉降敏感，稍有不慎可能导致房屋和道路开裂，局部倾斜的限值取 0.002，由文献[13]可知，倾斜是指基础倾斜方向两端点的沉降差与其距离的比值，选定了局部倾斜的限值，则可以根据公式（2）得出地表最大承降量的限值δlim，公式（3）可得出地表沉降计算范围x0。

式中：x0-地表沉降计算范围（m）；δlim-地表最大承降量的限值（mm）；H-基坑开挖深度（m）；D-基坑嵌固深度（m）；φ-支护结构范围内土层的加权平均内摩擦角（°）。

本项目的基坑支护高度为12.6m，基坑嵌固深度为 7.7m，土层的加权平均内摩擦角为26.74°，故地表沉降计算范围值x0=12.50m。地表最大沉降量的限值δlim=x0×局部倾斜限值=12.50m×0.002=0.025m=25mm，参考《建筑基坑工程监测技术标准》（GB50497-2019）[14]，累计的桩顶竖向位移的监测预警值为 20～30mm，与表2中的计算结果基本吻合，故本工程累计的桩顶竖向位移的监测预警值取25mm。本设计采用理正深基坑软件中弹性法计算的最大水平位移为 13.73mm，累计水平位移限制取上述规范的预警值 20～30mm较为合理，而根据本工程的实际情况，本工程累计水平位移的监测预警值取20mm。