桩锚支护结构失效后的基坑工程加固设计

徐德军

（珠海市横琴新区建设工程质量检测中心有限公司）

0 前言

随着我国建设事业的蓬勃发展，各个城市的高层建筑大量涌现，伴随出现了深基坑工程。而基坑支护是一项临时性工程，认为地下室完工，基坑支护的任务就宣告结束。所以，基坑支护往往不被人们重视，事故频频发生。基坑相关的岩土问题日益增多，基坑开挖引发的工程事故也屡见不鲜[1]。目前，对于基坑二次加固设计的研究还较少，有必要对这方面进行深入研究，以利于基坑支护设计的经济合理、安全可靠[2]。本文从某一典型基坑支护入手，分析其失效原因，并提出了加固设计方法，为类似基坑加固工程提供参考。

1 工程概况

某基坑工程的最大开挖深度10.5m，开挖面积约90000m2，拟建场地为空地，大部分地区已进行场地整平，场地自然地坪标高499.05～500.75m，相对高差1.70m，属平坦场地。场地四周无重要建筑物，北面（2～3 层地下室部位）距用地红线3.00m，用地红线之外为50m 宽的绿化代征地，东面为已建道路，南面（2 层地下室部位）距用地红线3.00m，西面（2 层地下室部位）距用地红线3.00～8.00m。

拟建场地从上至下依次为第四系全新统人工填土层（Q4ml）、第四系中下更新统冰水堆积层（Q1+2fgl）和白垩纪灌口组（K2g）。场地土层厚度及参数具体见表1。

表1 土层参数

场地内存在两种类型的地下水：①赋存于第四系全新统人工填土孔隙中的上层滞水，主要靠大气降水及地表水供给，仅局部分布，无统一的自由水面，对施工影响不大；②赋存于基岩中的裂隙水，主要靠大气降水和周边基岩裂隙水补给，水量较丰富。

2 原设计支护方案及支护后效果

基坑原设计采用灌注桩与锚索相结合的桩锚支护结构，桩间土采用挂钢筋网片喷射混凝土护壁，喷射混凝土厚度80～100mm，混凝土强度等级C20。排桩设计桩长为13.0～15.0m，锚固段长4.5～5.0m，桩径1.2m，桩的中距为2.8m。设计两排锚索，分别位于桩顶以下4.0m 和基坑底面以上0.5m，布置在两桩之间，采用腰梁作为联系梁。上排锚索长20m，锚固段长13m，下排锚索长13m，锚固段长8m，锚索与水平面夹角为15°。桩顶均设置冠梁，高800mm，宽1000mm，冠梁与支护桩构成平面排架共同作用(见图1、图2)。

图1 原设计支护示意图

图2 基坑工程现场

按照该支护方案开挖至坑底后，位于东侧中部的C11 号监测点(见图3)水平位移累积达到63.4mm，桩顶位移超过警戒值，部分桩间土垮落(见图2)，危及基坑安全，现场对变形大的区域进行堆土回填，使变形趋于稳定。

图3 基坑总平面示意图

经分析总结，诱发位移过大的主要原因有两方面：①后期部分地段的地表水渗入土体，软化基坑外侧的土体，使膨胀土发生膨胀，产生膨胀土压力；②基坑外侧局部水位提高，水压力增大，加大对支护结构的侧压力。

为保证施工顺利进行，必须进行加固处理，方能确保基坑安全。

3 现加固支护方案及加固支护后效果

经补充勘察，地层特性与详细勘察报告基本一致，因此土层参数不变。加固设计拟在坑内第1 道锚索高程处设置斜支撑，通过钢管斜撑于排桩上，钢管斜撑与排桩间布置横向钢筋混凝土腰梁，钢管支撑另一端支撑于支撑桩上（见图4、图5）。

图4 加固设计正面图

图5 加固设计侧面图

具体设计思路及步骤如下：

⑴原基坑开挖完后，在距排桩桩顶4m 下面每隔8.4m 加1 道斜撑（即3 根桩中加1 个斜撑），设计斜撑钢管预加力为300kN，与水平面成42.3°。通过斜撑提高排桩支护的抗倾覆安全系数（提高0.2 左右），据此，由正深基坑软件计算得出单宽上斜撑需要提供的水平力为100kN。则斜撑需要提供的总水平力为850kN（合计在3 根桩之内，宽度为8.4m），考虑1.3 的结构安全系数及斜撑的水平夹角，计算得到斜撑钢管设计轴力约为1500kN。

⑵根据斜撑钢管设计轴力为1500kN，外径300mm，按强度公式及2 倍的结构安全系数，以及钢管长度达到10m，为避免出现压杆屈曲，最终采用钢管壁厚为20mm。

⑶将锚索、钢管支撑简化为预应力弹簧，锚索锚固段和钢管支撑点（支墩处）设为固定支座，腰梁采用Ansys 梁单元模拟，桩与腰梁作用处为荷载边界条件，模拟土压力通过桩作用在腰梁上，继而传递到斜撑钢管上。不断增大桩与腰梁作用点的土压力，则体系会发生协调变形，锚索伸长，钢管支撑缩短，弹簧单元上产生弹簧抗力，直到钢管支撑上的弹簧抗力达到设计水平轴力，为最终的工作状态，记录腰梁的最大弯矩。

⑷支撑墩的水平承载力计算。

3.1 腰梁的有限元模拟计算

利用Ansys 软件，采用弹性理论计算腰梁在最终状态的最大弯矩。

3.1.1 Ansys计算模型

采用600mm×600mm腰梁截面，由Ansys建立二维模型（见图6）。

图6 Ansys单元划分

图中1～42 号单元为梁单元；43、44 单元为端头锚索；45、46为中间锚索；47为钢管支撑。

3.1.2 Ansys计算参数

对于锚索：

第1 排锚索总长度20m，锚固长度13m，自由段7m，锚索由φs15.2mm钢绞线组成，根据公式[2]：

式中：k——刚度系数；δ——柔度系数；

N——锚索的束数，这里有5束锚索；

Eg——锚索的弹性模量，钢绞线1.95 × 105MPa；

设计意图：学生体会艾弗里体外转化实验的关键设计思路，进行实验设计的技能训练，培养严谨的科学态度和缜密的科学思维。

li——锚索自由段长度，此处为7m；

As——每束锚索的截面积，d= 15.2mm；

锚索与水平面夹角15°，中间锚索的水平刚度为：

k中锚= 1.95 × 107× cos（15°）= 1.884 × 107N/m；

端头锚的水平刚度为中间锚的一半，取：

k钢管= 0.942 × 107N/m

同理，对于钢管支撑：

计算得到钢管支撑的刚度系数为：

k钢管= 1.78 × 108N/m；钢管支撑与水平面夹角42.3°，钢管水平刚度为：

具体参数如表2～表5。

表2 腰梁参数

表3 端头锚索参数

表4 中间锚索参数

表5 钢管支撑参数

3.1.3 模拟结果

当桩作用在腰梁上的土压力为565kN 时，支撑水平轴力达到850.3kN，与设计的850kN接近，为最终的工作状态。此时，腰梁的最大弯矩为483kN·m（见图7），最大剪力为298kN（见图8）。根据最大弯矩和最大剪力配筋计算，最大位移发生在端头锚索处向基坑内，大小为13mm（见图9）。

图7 腰梁弯矩图

图8 腰梁剪力图

图9 腰梁最终位移矢量图

3.2 支撑墩的水平承载力计算

采用理正岩土的弹性地基梁理论进行支撑墩的水平承载力计算。支撑墩长6m，顶部作用850kN的水平作用力，取水平地基系数k为30MN/m3，计算得到支撑墩墩顶位移为10.7mm，墩顶最大反力为417.33kN/m。根据横向受荷桩的计算理论[3]，圆桩计算宽度为：

带 入 数 据 有Bp= 0.9（1 +d）= 0.9 ×（1.2 + 1）=1.98m

式中：d为支撑墩的直径。

因此地基土的最大水平侧压力为：417.33/1.98=210.8kPa，小于含黏土卵石的承载力特征值220kPa，水平承载力满足要求。

3.3 最终加固设计效果

根据加固设计配筋（见图10），加固工程完工后，排桩位移得到有效控制，C11 号桩的最大累计位移也只有71cm，桩间土也无继续垮塌的现象，保证了施工顺利进行。

图10 钢筋混凝土腰梁与斜撑的链接图

4 结论

⑴加固设计没有考虑地下水对基坑的影响，而场地的土具有弱膨胀性，遇水后会产生膨胀压力，这些对基坑的稳定都是不利的。

⑵模拟得出最大位移在边锚处，即远离斜撑的锚索处是危险段，说明这些点是施工现场监测的重点对象，这对施工有指导意义。

⑶实践证明，增加斜撑将排桩的抗倾覆安全系数提高0.2在该案例中是可行的。