深基坑工程桩锚支护结构设计及应用研究

奚智聪 郑庆超 汤伟滨 赵张航 中国建筑第五工程局有限公司

1 前言

现阶段，很多工程施工地点在繁华的城市，周边有着较多建筑及设施，在地质环境较为复杂的工程中，支护结构能够起到很好的保障作用，使深基坑施工更加顺利。桩支护结构不仅仅可以体现在挖掘的稳定性上，还可以提高施工人员施工的安全性，本文就对深基坑桩锚支护结构的设计进行分析，并探讨其应用举措[1]。

2 深基坑桩锚支护结构的特点及工作原理

2.1 桩锚支护体系的特点

目前，桩锚支护在深基坑工程的应用中最为普遍，与其他支护形式相比，桩锚支护结构有着较为特殊的优点。这种支护结构有效结合了护坡排桩和单锚，有着更好的支护效果。由于该结构是一种超静定结构，因此有效提高了支护稳定性及安全性能。其结构稳定性主要是依靠锚杆锚固段与土层间的摩擦力及嵌入土层所提供的支撑力，且还具有良好的适用性，不仅能应用在深基坑及超深基坑中，还能在某些特殊的地形条件下，发挥其较高的价值[2]。

2.2 桩锚支护体系的工作原理

2.2.1 土拱效应原理

在不平衡载荷的作用下，基坑壁内的土体会产生移动，加上锚杆锚固时土体受到一定程度的破坏，其受到的限制作用减弱，土体更容易产生侧向位移。土体侧向变形的程度也受到基坑挖掘深度的影响，随着深度的增加变形程度也增加，造成侧面桩体的脱离，甚至导致支护作用实效。在剪力作用下，锚杆内部的应力会有所偏移，并向变形方向小的一面偏移，开挖深度越深，不平衡压力也会不断增加，刚度较大的位置会有应力反应，土拱一般立于支柱桩后，拱脚可通过土拱产生自我支持作用。土拱能够对土体原来产生的受力作用做出改变，土拱上和土拱后所产生的压力作用，被作用到了拱脚上，有效控制了侧向变形。

2.2.2 支护桩工作原理

第一，支挡基坑周围的土体。排桩的支挡作用可有效支撑基坑挖掘后松动的土体。排桩材料要根据土体环境选择，总体来说，排桩材料一般刚度较大，因为排桩通常需要埋深，刚度大的材料可以起到挡土作用。第二，支点作用。排桩上锚杆的镶嵌，使排桩自身的刚度发挥作用，增强对支护体的加固力，锚杆深入到土体中，并将排桩用为支护点，增强锚杆对土壤所产生的支护作用。第三，受力作用。土拱作用即将排桩作为拱脚，土拱现象会产生于基坑的周围，可以在一定程度上降低锚杆变形。

2.2.3 锚索工作原理

锚索作用下，利用支护桩传递锚杆受力，使其传递到土基中，有效借用土层应力潜能，使锚杆及土体一同承受外力载荷，降低锚杆受力，提高基坑的稳定性（图1）。锚索的主要作用机理有以下几点。

图1 锚索作用机理图

（1）深层锚固作用。在土基内部固定锚杆的一端，对另一端的锚杆施加外力，使外力产生传力作用传递到土基的内部，发挥土基深处土层潜能的效果。（2）内部悬吊作用。悬吊重物的原理与内部悬吊的作用有相似之处，锚杆将即将脱离土层的土体，用锚紧紧的固定住，紧密联系起坚实的土层和在锚固作用下松散的土体。（3）灌浆约束作用。若要松散的土壤与原有的土层相粘结，可使用灌浆手段，不仅能改善锚杆周围的土壤性，还能够利用浆体灌注土体中的缝隙，整体提高土体的稳定性。（4）提高摩阻作用。在锚杆附近，土体性能会有明显的改善，使土体对锚杆产生的握裹作用有所增强，当锚杆一端与重物产生作用时，会增加土体之间的摩擦力，也会增加锚杆与土体的摩擦力，使单位锚杆荷载承受的能力有所提高。

2.3 支护结构强度破坏

当锚桩支护结构产生破坏时，会有多种破坏形式及其原因，以下就介绍几种主要结构强度破坏形式。（1）当过大的剪力作用到支柱桩时，支柱桩会产生变形，使结构的安全性受到影响。在工程实际开展过程中，土载荷通过基坑开挖增加，如果土层压力在计算过程中出现不准确的情况，支护桩结构极易产生变形，严重情况下使支护桩发生断裂，基坑周围土壤塌陷，给周边建筑物、道路及设施带来一系列安全性问题。（2）支护桩的受弯遭到破坏。深基坑各支护桩在应用过程中，应保证支护桩间隔满足相应条件，支护桩之间的距离如果游离于安全范围外，会导致基坑中土体出现滑坡问题，还有可能增加单个桩所承受的土体压力，在增加基坑挖掘深度之后，桩体承受的土压力可能会在支柱桩承受的安全范围之外，使得支柱桩产生受弯破坏的现象。（3）拉锚结构破坏。地下土壤的自然环境复杂、多样且有变化，深基坑在开挖过程中，若梁计算含有偏差，拉锚嵌在土壤时，土壤结构层会受到破坏，导致周围土体强度与锚固体周围土体剪切强度有落差，使前者较高于后者，当锚杆对土体所产生的作用强度被土体强度所超过，会导致锚杆出现断裂的情况。在深基坑支护时有效应用桩锚支护结构，需充分考虑支护桩埋设的深度、水泥混凝土的等级、支护桩之间的距离及其钢筋的布设数量等。在施工和使用锚桩支护结构过程中，应关注多方面的需求，保证深基坑开挖和使用过程中结构的安全性，还要保障基坑周围建筑物、测试的结构安全。

3 锚杆支护与设计

3.1 锚杆支护

锚杆支护一端由通孔插入，另一端与支护结构构成有机的整体，开展养护、灌浆工作。在锚杆孔的使用过程中，使另一端锚固定在稳定土中。结合之前相关工程案例，钻孔灌浆通常要先施加预应力，再进行混凝土喷射。要想提高支护的平稳性，锚杆支护的平稳性要强于土钉支护。但从经济性方面考虑，锚杆支护的成本更高，花费成本增加，整个支护体系的一部分包括锚杆支护，锚杆支护与土钉墙、排桩等有着一定的联系，产生共同作用，有效保护和支撑土体[3]。

锚杆支护再实际应用中具有诸多优点，其平稳性能好、安全系数高，因此锚杆和土钉等支护方式的组合，可达到更加显著的支护效果，不仅克服了单一支护方式的不足，也能有效改善支护整体的平稳和安全性能。

比如，将排桩和锚杆组合使用，能有效提升土体的整体性，还能够影响排桩支护作用下的土体横向压力，且有一定程度的降低。深基坑中产生支护作用的部分为锚杆支护，支护的深度在深基坑中被不断的增加，在锚杆支护的作用下，锚杆支护背面的主动土压力有所减少，减少深基坑侧向位移的情况，同时基坑中土基变形的情况能够被毛庄支护排桩的变形所抵消。基坑土对排桩的主动土压力可以被锚杆对支护桩的拉力、深坑坑底的被动土压力所抵消，当主动土的压力被抵消时，能有效保证深基坑支护结构的安全性，主动土的压力要强于大于力时，变形等问题极易发生在基坑支护当中，导致基坑出现坍塌现象。

3.2 锚杆设计原则及设计要素

（1）结构设计、锚杆类型的选择，应对基坑周围的情况进行实地勘察，保障工程的安全性，使工程价格更加合理，工程开展也更加可靠，并保证挖掘基坑四周的建筑物设施、埋置物的安全性；（2）在选择锚杆类型时，需要充分考虑锚杆使用后期，道路路堤在重载的交通工具影响下产生形变的可能性；（3）选择锚杆类型时，还应考虑到基坑所在的环境，预防实际开展过程中因考虑不全面导致支护极限过大或过小的情况。锚杆设计的主要要素为：基坑周围环境中的建筑物、锚杆的锚固力、锚杆的总长、锚杆的斜角以及各个锚杆之间的间距等，这些要素都要在计算和试验过程中得到相应的数据。

在选择锚杆的类型时，需选择锚杆应用的材料，试验不同材料的锚杆性质，通过验证挑选最合适的锚杆材料。除此之外，在项目工程正式完工后，还需验证锚杆的耐拔力，保证其承受力在设计要求范围内。同时，还要筛选锚杆的类型，包括荷载大小、工程特性、基坑土壤特性、施工时采用机械设备的情况以及锚杆总长度等。

4 工程概况

4.1 工程情况简介

本文将以某一住宅楼项目为基础，预计施工建设一栋具备26层楼高的建筑，基坑的长和宽分别是93m及76m，基坑的最深位置为13m，该工程项目周边建筑较多，环境较为复杂，距离基坑最近处为11m，因此，该住宅楼项目工程基坑的安全等级为Ⅰ级。

4.2 工程地基特征

勘察该住宅楼工程项目的地基土，可以发现地基土按照岩性可以划分成13层，本文只简单介绍支护范围内的土层。①人工填土：根据土层的构成可将人工填土分为杂填土以及素填土，杂填土中含有很多结构，结构较为松散，其厚度大约在1.8m，素填土主要包括砖及根系等，其厚度大致在3.1m；②细砂：细砂主要包含石英等成分，厚度大致为1.2m；③粉质黏土：含氧化物等物质，厚度约在5.9m；④细砂：结构比较密实，厚度约在2.16m左右；⑤粉土：韧性较差，厚度约在7.9m左右；⑥细中砂：结构较为密实，厚度约在11.5m左右。

5 深基坑桩锚支护方案及施工工艺

在工程地基的勘察工作开展过程中能够发现，在开挖的范围中主要是一些填土、细砂等，桩锚支护方案不仅要考虑降水处理，也要涉及搅拌桩止水。

5.1 降水处理

在场地中，地下水的位置在基底上方，所以选择管井法作为基坑降水的方案。管井法要注意以下几点：第一，水井的布置通常考虑设置在基坑边大约6m的范围，同时也要避免与上部结构发生干涉，注意避让。第二，降水井的尺寸设计，孔径的设置一般为0.7m，其内部滤水管的直径要控制在0.4m左右，不仅如此，在其内部也要放置滤料以及砾砂，滤料的不均匀系数要不大于2，砾砂也要保证其洁净。此外，沉砂管要选择不透水的，一般放置在降水井最底部3m的位置，降水井布置如果设置在电梯井附近，要注意进一步加深降水井，加深深度大约为4m。第三，在进行挖土工作之前，需要做好降水工程，让地下水位至少在挖土面0.8m以下，以保障挖土工作的高效开展。

5.2 基坑支护

第一，放坡的位置一般距离帷幕桩顶3.5m，并且需对其开展加固处理，一般用土钉加固，土钉的选择大多采用长度为6m的螺纹钢，并且土钉的间距要保持在1.2m。加工处理之后，还要对土坡予以喷面处理，喷面的厚度以10cm为宜。第二，开挖深度到3.5m时，要开展水泥土搅拌桩作业。一般情况下，搅拌桩选用桩径为850mm，标高3.5m，长度20m的规格，并且搅拌桩的间距要保持在6m左右。在本次的分析探讨中，采用较为常见的普通硅酸盐水泥作为水泥用料，要注意水泥参入量在土重的20%。此外，支护灌注桩和搅拌桩也需合理设置土钉，土钉的布置位置与上述相同。第三，当挖掘深度达到6m时，要开展桩锚支护工作，注浆材料为水泥，灌注桩的主筋等部分采用钢筋材料，通过焊接的方式将需要连接的部位连接。

5.3 相关施工工艺

灌注桩的施工工艺有以下几个问题需要注意：第一，灌注桩桩内主筋以焊接的方式连接，螺旋箍筋以绑扎的方式连接，箍筋和主筋的连接尤为重要，二者通过点焊的形式并且要保障点焊率在50%以上，确保连接的稳定性。第二，主筋的布置要注意钢筋接头以及布置形式。钢筋接头不宜过多，主筋要均匀并且沿着桩身展开布置。第三，间距的合理控制。合理布置主筋以及箍筋位置，保证其间距的合理性，钢筋笼的直径以及长度偏差也要得到合理设置。第四，二次注浆可以提高锚索稳定性，当强度到达15MPa时要及时锁定。第五，严格控制桩位间的误差，在搭接位置正确的情况下，保证桩位误差在2cm内。第六，在开挖之前，合理设定土开挖方案，并且以分层开挖的施工方式为宜[4]。

6 深基坑桩锚支护施工的监测

基坑支护在施工之前，监测项目至少要测得两次以上的稳定初始值，基坑监测的完成时间一般按照回填到标高执行[5]。基坑从开始挖掘到挖至底部的时间，以及基坑监测完成所需时间，在这段时间内，观测间隔时间通常控制在7d～15d，假如在这段时间内出现突发事件，可以减少监测间隔的时间，提高监测工作频率。布置监测点的时候，监测点一般沿着基坑的周边进行布置，尤其是在一些建筑物附近，监测点的距离要控制在20m范围内。基坑监测点的数量通常在三个以上，保证角点以及中心点都有监测点，提高基坑监测的有效性，遇到问题时能够快速反应。

7 结束语

综上所述，在深基坑工程中应用桩锚支护技术，不仅可以提高工程的施工质量，也可以实现理想的施工效果。在具体的基坑项目中，基坑设计方案需得到有效的优化升级，并且根据工程项目的相关标准，展开实时的监测工作。在施工开展的过程中，需要严格把握施工质量，增强施工管理的力度，充分发挥桩锚支护结构的价值，避免深基坑工程施工过程中给周围造成的不良影响。在研究锚桩支护设计和应用时，工程项目实践将会有着更加广阔的发展空间。