扩体锚索在软土深基坑中的极限承载力特性研究

张 翔，罗军尧，袁庆飞

（1.昆明理工大学，云南 昆明 650093；2.云南地质工程勘察设计研究院有限公司，云南 昆明 650041）

伴随着经济的快速增长和城市的迅猛发展，各大中城市建设用地锐减，不但房屋建设施工中基坑开挖深度增大，周边环境及地质条件愈发复杂多样，基坑工程也迎来了新的挑战[1-3]。现深基坑支护工程为对基坑提供足够的支护力根据其特点和安全要求衍生出了多种支护手段[4]，目前较为成熟的桩锚支护体系中锚索的承载力需求也随着基坑稳定性及变形控制要求的提高越来越大，但仅依靠增加锚固段提高承载力往往十分有限[5]，故而增加侧摩力以提升承载力的大直径特殊工艺的扩体锚索逐渐被广泛使用。近年来，其扩体方法、施工工艺、力学机制等也逐步在国内被广泛系统的研究。目前现有研究如汪立刚通过工程实例，阐述了扩体锚索在技术层面的优劣势，分析了扩体段受力机理[6]。胡建林通过抗拔试验发现锚索经扩孔之后其轴向应变会显著降低，端承作用明显提高，并得出了承载力水平的增幅值[7]。Celik通过试验发现影响锚杆承载力的不仅有锚固段长度，土体参数以及其性质对其极限承载力起着关键作用[8]。赵鹤飞通过对扩体锚杆埋深及锚固段直径对抗拔承载力的影响建立了顶部阻力对侧摩阻力正向提高的计算公式[9]。郭湧通过有限元分析软件建立了边坡与滑裂面的模型，得出了扩体锚杆的最佳倾角度数[10]等等。除了以上国内外研究，短短几年内扩体锚索的研究迅猛发展，这些理论研究也对扩体锚索的推广应用提供了可靠基础，但在已有研究中分析扩体锚索相较普通锚索的实用性及工艺参数的内容还相对较少，特别是在软土基坑中的应用实例研究也鲜有涉及，因此本文依托某软土深基坑工程对扩体锚索的承载力特性进行对比研究，以供类似工程参考。

1 工程概况

拟建项目位于云南省昆明市，基坑周长约765m，现状地面较平缓，基坑深度为8.25～9.85m，总建筑面积约为535893.00m2，整体下设2 层地下室。工程场区临近滇池盆地，因其处在晚新生代断陷盆地特殊的沉积环境，形成了深厚的湖沼相松软的沉积物，加之其周围水文地质条件，区内多软土发育[11]。拟建场地内地基土构成自上而下为：第四系人工活动层填土（Q4ml），第四系冲、洪积层黏土层（Q4al+pl）包括②1 层黏土和②2 层黏土，第四系湖沼积层（Q4l+h）③1 层淤泥和③2 层黏土（Q4l+h），第四系湖积（Q4l）层包括④1 层黏土、④2 层粉土、⑤1层黏土、⑤2 层粉土和⑤3 层泥炭质土。

2 扩体锚索

扩体锚索是经由一定工艺形成的较大孔径锚索，一般分为囊式扩体锚索、伞式扩体锚索及高压旋喷扩体锚索，因其结构特点不但会提高锚固体与土层间的侧摩阻力，土体还会产生对锚固段端部的正压力，使得拉力足够大时，端部土体被挤压成受压态，形成的被动土压力以提供一定的抗压阻力，进一步提升锚索的极限承载力[12]，其受力示意图如图1 所示。

图1 扩体锚索力学模型

式中PD——土体作用于扩体端面的正压力强度；

τs-钻孔孔壁摩擦阻力。

3 理论计算

基坑南侧与东侧及东北侧采用单排桩+锚索+桩顶放坡支护形式，考虑基坑南侧及东侧深度最大，以1-1 剖面为例，采用桩长均为28.1m 的∅800mm 长螺旋钻孔压灌桩，桩间距1.2m，并施加2 道锚索，上部采用1∶2 放坡，坡面挂网喷砼，加设排桩后采用∅650mm 三轴搅拌桩止水帷幕，长度13m（图2）。

图2 基坑1-1剖面图

对1-1 剖面的桩锚支护体系在其他设计方案参数不变的情况下分别施加直径150mm 的普通锚索与直径300mm 的高压旋喷扩体锚索，且两者均采用同等材料强度的1×7 束的钢绞线，在上述工程场区地质条件环境下运用深基坑支护设计软件计算所得结果如表1、表2 所示。

表1 普通锚索计算结果

表2 扩体锚索计算结果

从上表看出，为提供相当承载力的情况下，扩体锚索相较常规锚索其索固长度明显缩短，总长及锚固段长度缩短了近5～6m，两者相差约75%。

从普通锚索包络图和扩体锚索包络图的计算结果分析得到在施加的预应力及其他条件不变的情况下，扩体锚索支护体系的位移量、弯矩和剪力变化范围均小于普通锚索，但两者位移量仅相差0.62mm，且弯矩与剪力的差值也几乎可以忽略不计，这表明在软土深基坑支护体系中两种锚索提供的支反力都可以有效的传递到支护体系中，且均能有效的控制软土深基坑的变形。但扩体锚索锚固段长度较之普通锚索要短的多，支锚刚度也在长度增长过程中迅速降低，从理论上佐证了扩大直径是提高锚固体抗拔承载力的有效途径。

4 加载试验

为进一步验证扩体锚索在软土区深基坑的优越性，采用现场试验的方法对两种锚索进行极限承载力对比试验，结果如图3、图4 所示。

图3 普通锚索荷载-位移曲线

图4 扩体锚索荷载-位移曲线

上述试验是初始荷载为锚杆轴向受拉承载力设计值Tw的10%，对其多循环加载，当产生位移不收敛、锚索被标定千斤顶全部拔出、达到破坏标准或试验荷载达到要求时停止试验观测所得的其位移变化，并对两者的弹塑性位移进行了对比如图5 所示。

图5 荷载-弹塑性位移曲线对比图

从上图可以看出两种锚索在循环加载时，随着每一循环最大荷载的施加，位移也随之增大，与所加荷载量呈现线性关系，但两者在循环从最大荷载降至起始荷载时，都产生了一定的残余量，说明两种锚索的位移并不能完全恢复，故而呈现出了上图态势。试验发现普通锚索的抗拔承载力较小为297.7～376.2kN，但位移也在常规控制范围内，而扩体锚索的极限抗拔承载力可达938.4kN，远大于常规锚索，是其约2.5 倍，但相应的扩体锚索在循环加载下位移量也显著增加，相较普通锚索位移量的是其约9 倍，两者的在荷载-位移量并不相关，结果表明在此类软土基坑中，锚固体长度的增加会显著提升锚索的极限抗拔承载力，但增长比例会随长度增长迅速降低，到达一定限值增长缓慢，且通过锚索直径的增长幅度较之锚固体长度带来的作用更为显著。将上述数据汇总如表3 所示。

表3 试验计算结果汇总

5 应用监测结果分析

为探究扩体锚索在软土基坑中的实际应用效果，在施工过程中按照相关要求在代表位置设立了监测点D1、D2，监测位移图如图6、图7 所示。

图6 D1监测位移图

图7 D2监测位移图

从位移监测结果可以看出，D1 监测点期间累积最大位移为28.2mm，D2 监测点为最大位移为24.8mm，两监测点累积位移差值为3.4mm，变形发展较快的阶段为6～8 周，通过监测数据发现，在施工过程中水平位移较小但出现了较大沉降变形，与其他基坑不同变形的最大值出现在锚索施加的过程中，工艺顺序对位移量有较大影响。

6 结论

本文依托云南某深基坑支护工程，采用软件计算及现场试验的方法，较为全面地分析了扩体桩锚支护体系相较常规锚索在软土地区的特点与优势，得出以下结论，可为扩体锚索在类似软土地区深基坑的施工参数选取及效果分析提供参考。

1）昆明市官渡区拟建项目场地土层多为黏性土、淤泥质土、泥炭土等软土，含水量高、压缩性大、工程性能差，在此环境的桩锚支护体系在设计得当的前提桩锚支护体系可有效控制软土深基坑的变形。

2）扩体锚索支护体系的位移量、弯矩和剪力变化范围均小于普通锚索，为提供相当的承载力，扩体锚索相较一般的普通锚索其锚索长度明显缩短，在特定条件下可减小深基坑周围建筑基础或环境的影响。

3）扩体锚索的大孔径有效增加了承载能力，可以使得所施加锚索的间距增大、长度缩短，相比同等承载力下普通锚索更为经济，也使施工工期大大缩短。

4）由于软土工程性能差及工艺施工顺序的影响，在实际施工过程中变形最大值出现在了锚索施工过程中，应避免高压水泥浆切削周围土体而使强度丧失，旋喷后也应等待新混合体的初凝，实际施工需加强变形监测避免造成大规模坍塌。