预加力对锚拉式抗滑桩影响分析

王子全 刘京安 万虹宇 王尉行 丁震

1.重庆赛迪工程咨询有限公司 400013

2.重庆科技学院 401331

引言

市政、建筑等行业的环境边坡及基坑工程大量采用抗滑桩支护。抗滑桩分为悬臂式和锚拉式，锚拉式抗滑桩根据锚拉力是否为预应力（预加力）分为普通锚杆抗滑桩和预应力锚索抗滑桩。当抗滑桩悬臂长度较大时，通过设置若干道普通锚杆，可以降低桩身最大弯矩，从而减小桩径及配筋。当对土层及被锚固结构有位移控制要求时，如坡顶有重要建（构）筑物或被保护建（构）筑物时，通常采用施加预应力的方式控制变形，即采用预应力锚拉抗滑桩。

实际工程中，边坡或基坑水平变形控制限值缺乏较明确的规定。部分工程控制过严甚至出现反向变形；部分工程则过于宽松，本应采用锚拉式抗滑桩而采用了悬臂式抗滑桩。本文对抗滑桩变形控制限值的有关规定进行梳理，对预加力与锁定值的概念进行比较，对预加力对锚拉桩的影响进行分析，同时对锚拉桩设计的注意事项进行讨论，为锚拉式抗滑桩尤其是预应力锚拉抗滑桩的设计提供建议。

1 变形限值的规定

当坡顶有重要建（构）筑物或被保护建（构）筑物时，须对土层及被锚固结构的位移进行严格控制，但现行国标规范还没有较明确的规定［1-5］。

《建筑边坡工程技术规范》（GB 50330—2013，以下简称《边坡规范》）13.2.9 条规定，桩基嵌固段顶端地面处的水平位移不宜大于10mm。地基系数k及水平抗力系数的比例系数m是根据地面处桩的水平位移得来的。桩基变形与地基抗力成非线性关系，变形愈大，地基系数愈小。《边坡规范》附录G给出的地基系数经验值，均要求嵌固段顶端地面处变形不超过10mm，且《边坡规范》未对桩顶变形限值进行规定。《建筑桩基技术规范》（JGJ 94—2008）给出的水平抗力系数的比例系数m的建议值也是要求变形不超过10mm。

《建筑基坑支护技术规程》（JGJ 120—2012，以下简称《基坑规范》）未对基坑变形限值作明确规定。部分地方标准对变形限值有规定，如北京地方标准《建筑基坑支护技术规程》（DB 11／489）规定，当无明确要求时，最大水平变形限值，一级基坑为0.002h，二级基坑为0.004h，三级基坑为0.006h（h 为基坑深度）。湖北省地方标准《基坑工程技术规程》（DB 42／159）规定，基坑监测项目的监控报警值，如设计有要求时，以设计要求为依据，如设计无具体要求，一级基坑为30mm，二级基坑为60mm。深圳市标准《深圳地区建筑深基坑支护技术规范》（SJG 05）规定，对锚拉式支护，一级基坑为0.003h 与40mm 的较小值，二级基坑为0.006h 与60mm 的较小值，三级基坑为0.01h与80mm的较小值。

《铁路路基支挡结构设计规范》（TB 10025—2019）14.2.9 条第3 款规定，桩顶水平总位移限定值可采用悬臂段长度的1／100 控制，且不宜大于100mm，高速铁路路肩桩板墙不宜大于60mm。

《建筑地基基础设计规范》（GB 50007—2011）第5.3.4 条对建筑物地基变形容许值进行了规定，强调地基变形容许值应根据上部结构对地基变形的适应能力和使用上的要求确定。

西南山地建筑，通常遵循“先治理，再建造”的原则。当建筑位于边坡塌滑区、土质边坡1 倍边坡高度和岩质边坡0.5 倍边坡高度时［1］，应先进行边坡支护，再施工主体结构，确保主体结构有明确的嵌固部位。边坡支护设计时，考虑主体结构对边坡支护的影响，严格控制边坡变形。主体结构设计时，可考虑在柱底施加一附加位移；主体结构应采用桩基，桩身位于破裂体范围内采取竖向隔离措施，确保竖向荷载直接传到破裂体以下稳定岩土体上。

综上，关于边坡及基坑变形的限值，现行的国家规范还没有明确统一的规定。实际工程中，应结合当地工程经验，加强包络设计。

2 预加力与锁定值

预应力锚索抗滑桩设计时，通常须注明预应力张拉方式、张拉控制应力、锁定值。《边坡规范》8.5.6 条第5 款规定，对地层及被锚固结构位移控制要求较高的工程，预应力锚杆的锁定值宜为锚杆轴向拉力特征值，对容许地层及被锚固结构产生一定变形的工程，预应力锚杆的锁定值宜为锚杆设计预应力值的0.75 倍～0.90 倍。以上关于锁定值的概念描述不太清楚，锚杆轴向拉力特征值与设计预应力值易产生混淆，概念不够清晰。《基坑规范》4.7.7 条规定，锚杆锁定值宜取锚杆轴向拉力标准值的（0.75 ～0.9）倍，且应与4.1.8 条中的锚杆预加轴向拉力值一致。《基坑规范》4.1.8 条为挡土结构计算宽度内的弹性支点水平反力计算公式，即锚索轴向拉力的水平分力计算公式，如下：

式中：P 为锚杆的预加轴向拉力值，宜取P ＝（0.75 ～0.90）Nk；α为锚杆倾角；ba为挡土结构计算宽度；s为锚杆水平间距。

预加力是预应力锚索抗滑桩计算简图中所施加的荷载，是计算分析过程中的概念，是计算简图中荷载边界条件之一；而锁定值则是锚索设计说明或设计图纸中须注明的设计参数。实际工程中，经过迭代计算最终选定的水平预加力值即为水平锁定值。

综上，《基坑规范》关于预加力锁定值取值的规定简单清晰，即锚索轴向拉力标准值的（0.75 ～0.9）倍。

3 预加力影响分析

实际工程中，锚索预加力锁定值取值范围跨度较大，有工程取值在轴向拉力标准值的0.3 倍以内，也有部分工程在0.9 倍以上。文献［6］结合北京市通州区某深基坑工程，建议锚索预加力取0.5 ～0.8 倍轴力标准值。本文以西南某岩质基坑为例，研究预加力取值对锚拉抗滑桩的影响，在此基础上给出设计建议。

该基坑深度h 为12.4m，抗滑桩桩径1.8m，间距4m，嵌固深度ld为6m，嵌固段为中风化岩体，水平基床系数120kN／m3，采用2 道锚索，第1 道距桩顶4m，水平线刚度为16.38MN／m，第2 道距桩顶7m，水平线刚度为22.20MN／m，侧向水平岩土压力按矩形分布考虑，q ＝178.96kN／m，桩底约束条件为约束竖向自由度，计算简图如图1 所示。分别取水平预加力Ph＝200kN、400kN、600kN、700kN、800kN、900kN进行比较分析。

图1 锚拉式抗滑桩计算简图Fig.1 Calculation of anti-slide piles with prestressed anchor cables

需要说明的是，文中给出的各级预加力作用下抗滑桩变形、内力及土反力系开挖至坑底，即基坑开挖最后工况下的计算结果。另外，本文主要研究预加力对锚拉式抗滑桩性能的影响，实际工程中，通常是先假定锚索水平刚度，经过多次迭代计算后，根据锚索实际设计参数计算其水平刚度，再从新输入验算。

3.1 预加力对变形的影响

不同预加力作用下桩顶、坑底变形、水平锚固力、水平预加力与水平锚固力比值汇总后见表1，桩顶、坑底变形曲线如图2 所示，预加力与锚固力的比值曲线如图3 所示。

图3 水平预加力与水平锚固力比值曲线Fig.3 Ratio curve of horizontal preload and horizontal anchoring force

表1 不同预加力桩变形及预加力与锚固力比值Tab.1 Different pile deformation according to the ratio of preload and anchorage force

从表1 及图2 可以得出，随着预加力的增大，桩顶及坑底位置桩水平变形逐渐减小，基本成线性变化。通过施加预加力，可以有效地控制边坡或基坑变形。

图2 不同预加力桩顶及坑底变形曲线Fig.2 Deformation curves of pile top and pit bottom with different preloads

从表1 及图3 可以看出，随着预加力的逐渐增大，锚索锚固力也随之增大。预加力与锚索锚固力的比值，即预加力在锚索锚固力中的占比逐渐增大，从0.29 逐渐增加至0.92，增大的速率随着预加力的增加逐渐减小，即当预加力与锚固力比值超过0.9 时，锚索锚固力的增加值接近预加力的增加值，再增大预加力已不太经济合理。

3.2 预加力对桩身内力的影响

不同预加力桩身弯矩分布如图4a 所示。从图中可以看出，随着预加力的增大，桩身弯矩逐渐减小，其中桩嵌固段弯矩变化更明显。当预加力与锚固力比值小于0.7 时，桩身最大弯矩位于桩嵌固段；当预加力与锚固力比值约为0.75 时，嵌固段最大弯矩与外露段最大弯矩接近；当预加力与锚固力比值大于0.80 时，桩身最大弯矩位置由桩嵌固段转移至锚拉点位置；随着预加力的继续增加，嵌固段最大弯矩小于锚拉点位置弯矩。当预加力与锚固力比值在0.75 ～0.80 之间时，嵌固段与外露段最大弯矩接近，桩配筋最为经济。

图4 桩身内力分布Fig.4 Stress distribution of pile

不同预加力桩身剪力分布如图4b 所示。从图中可以看出，随着预加力的增大，桩身剪力逐渐减小。当预加力与锚固力比值小于0.7 时，桩身最大剪力位于桩嵌固段中部；当预加力与锚固力比值约为0.75 时，嵌固段最大剪力与外露段最大剪力接近；当预加力与锚固力比值大于0.80时，桩身最大剪力位置由桩嵌固段转移至锚拉点位置。随着预加力的继续增加，嵌固段剪力小于外露段锚拉点位置剪力。

3.3 预加力对土反力的影响

不同预加力桩嵌固段土反力如图5 所示。土反力较大值分别位于嵌固段顶部和底部约0.5m处。随着预加力的增大，土反力逐渐减小。桩底约束条件对土反力的大小及分布影响较大，不少文献对此有研究，本文不再做描述。实际工程中，土反力须满足嵌固段岩土水平承载力的要求，同时须注意对地基竖向承载力进行验算。

图5 桩嵌固段土反力分布Fig.5 Distribution of soil reaction force in pile embedded section

综上，锚索锁定值取锚索轴拉力标准值的（0.75 ～0.90）倍是合理的，实际工程中可参考该范围选取相对合理的比值，使桩嵌固端最大弯矩与外露段最大弯矩接近，桩身配筋更为经济。不同的地质条件，锚杆（索）轴拉承载力差异较大，应结合项目所在地工程地质条件、岩土参数及工程经验综合确定锁定值。

实际工程中，准确把握侧向岩土压力的大小及分布至关重要，文献［7 -9］对作用在支护结构上侧向土压力计算方法及分布进行了研究。当边坡高度较大或基坑深度较深时，除根据相关规范计算外，建议通过现场试验确定侧向岩土压力大小及分布。除预加力外，锚拉式抗滑桩的设计还需把握桩底约束条件、嵌固深度、锚杆（索）线刚度、嵌固段岩土体刚度等因素的影响。

4 锚拉式抗滑桩设计流程

锚拉式抗滑桩设计流程主要如下：

（1）根据项目所在地工程经验，选取锚固体直径，通常为150mm。

（2）根据容许锚固长度，结合当地经验，综合考虑锚固体抗拔承载力、锚杆（索）杆体抗拔承载力、锚杆（索）杆体抗拉承载力，初步选定锚杆（索）杆体截面，计算锚杆（索）轴拉承载力（估算值）及线刚度。

（3）输入预加力值，计算桩变形、内力和锚索锚固力。

（4）调整预加力值，重新计算，直至变形满足要求且桩嵌固端最大弯矩与外露段最大弯矩接近。

（5）锚固头设计。锚固头设计时，容易忽略锚垫板的设计——锚垫板平面尺寸、开孔大小、厚度。锚垫板平面尺寸根据局部受压计算确定；开孔大小须结合锚杆（索）杆体、锚固体孔径、锚具尺寸综合确定，锚垫板厚度可按下式计算确定［10］：

式中：t为锚垫板厚度；M为锚垫板弯矩设计值；f为锚垫板抗拉强度设计值。

锚拉抗滑桩在市政、建筑等行业广泛应用，但也对城市的自然生态形象有影响。当前，往往是先进行支护工程建设，后期再进行生态修复，对生产生活造成一定不利影响，两次作业经济性也较差。在进行支护结构设计时，宜综合考虑景观及生态修复问题，将支护结构和生态修复有机结合。

5 结论及建议

本文对抗滑桩变形控制限值的有关规定进行梳理，对预加力与锁定值的概念进行比较，对预加力取值对锚拉桩的影响进行了研究，并总结了锚拉式抗滑桩设计流程，得出以下结论：

1.现行国标对变形限值没有统一规定，部分地区的地标有规定。对未做相关规定的地区，建议参考《建筑地基基础设计规范》（GB 50007—2011）第5.3.4 条进行控制，结合当地经验，加强包络设计。

2.预应力锚索设计及选定是通过迭代计算确定的，迭代计算最终选定的预加力值即为锁定值。另外，锁定值还应结合项目所在地工程经验选取。

3.预加力可以有效减小变形，随着预加力的增加，桩身弯矩和剪力减小，嵌固段土反力逐渐减小。当预加力等于（0.75 ～0.80）锚拉力时，桩嵌固段最大弯矩、剪力与外露段最大弯矩、剪力接近，此时桩身配筋最经济。