桩锚结构体系在深基坑支护中应用研究

张广乾 李向阳 张利芳 杨明 刘先成

（1 中国建筑材料工业地质勘查中心陕西总队；2 西安建材地质工程勘察院有限公司；3 陕西中祥基础工程有限责任公司）

目前，随着我国经济快速发展及节约用地的倡导，地下空间和超高层建筑开发不断涌现，建筑基坑不断向地下纵深发展，而位于城市核心区的基坑，其附近往往紧邻市政道路，雨污水管道，线缆管道等构（建）筑物，基坑周围环境极其复杂，基坑支护结构过弱易导致基坑坍塌，支护过于保守或支护形式不尽合理[1]，则易形成浪费，不利于节约资源。设计中应根据场地条件，土层性质，结合基坑顶构（建）筑物对基础变形的敏感程度、变形的适应程度等，综合考虑，拟定合理的支护形式，以达到支护结构安全可靠，经济合理且便于施工的目的[2-3]。

目前，基坑支护规范对桩锚支护结构体系有一定的要求，也有专家学者对桩锚支护体系进行了专项研究[4-6]，主要集中在桩嵌固深度及锚索预应力方面，对锚索在桩身布置的位置极少研究，文中以定西某深基坑支护为依托工程，通过调整桩间锚索位置，计算分析护坡桩最大内力与桩顶位移的变化规律，确定经济合理的桩锚支护结构，为后续类似工程提供设计参考。

1 工程概况

该深基坑工程位于定西市安定区西川片区定临路北侧，农用路西侧，属地块二期开发区域，基坑北侧相接项目一期地块，与已建成的10#、11#及12#楼紧邻，距10#楼约2.0m，基坑东侧相接农用路，农用路东侧为住宅小区绿化区域，基坑南侧为定临北路，西侧无建筑物相接。基坑东西长171m，南北宽126m，基坑开挖深度6m～10.5m。

2 工程地质条件

2.1 地形地貌

本工程位于定西市安定区西川片区定临路北侧，地貌单元上划属安定区西河北岸二至三级阶地。场地地形自南往北一次抬高呈三块台地状，场地整体较宽阔，高差较大。

2.2 地层岩性

从场地内勘探揭露地层可知，在勘探深度内场地地层为第四系松散沉积物与第三系泥岩，现分述如下：

①黄土状粉土(Q4al+pl)：呈暗黄色，稍湿至湿，稍至中密，中至高压缩，中上部湿陷。摇震反应迅速，无光泽反应，干强度低，韧性低，全分布。本层厚度为13.50～30.00m。

②角砾(Q4al+pl)：呈棱角形，良集配；骨架颗粒交错排列，大部分接触；母岩成分为花岗岩、砂岩，中等风化；由砾砂充填饱满：中密。本层厚度为0.2～8.90m。

②-1 粉质粘土（Q4al+pl）：呈褐红色，局部呈青灰色，稍湿，硬塑状态，局部包裹少量砂砾，密实。本层厚度为0.4～2.30m。

③泥岩（N）：呈褐红色，含粘土矿物，泥质结构，层状构造，密实。矿物成分部分发生变化，岩芯呈短柱桩，未揭穿。

各层土物理力学指标如表1所列。

表1 各岩土层物理力学指标表

3 基坑支护形式拟定

工程北侧紧邻10#楼区域，为防止坡面土体发生破坏，控制该段地基变形，采用预应力锚索桩支护体系，基坑安全等级综合判定为一级，分析计算取6 层住宅楼荷载为90kPa，距基坑边3.0m，荷载宽度为楼体基础宽度，基坑开挖深度为10.5m。根据基坑周围环境，钢板桩、型钢水泥土搅拌桩及重力式水泥土墙，支护结构刚度小，变形大，难以满足对变形控制的要求。

选用环境适应性强，刚度大的钻孔灌注桩，为缩短施工周期，减少干扰，给主体结构提供有效的施工空间，选用桩锚支护结构，为节约工程造价，降低施工难度，方便施工，则优选小端面灌注桩。

初步拟定的护坡桩参数桩径0.7m，桩间距1.4m，桩长14.0m，C30 混凝土灌注桩，桩间设置2 道预应力旋喷锚索，桩顶冠梁0.6m×0.8m，桩间挂网喷浆，采用80mm厚C20喷射混凝土。

4 结构计算分析

护坡桩一般采用水下混凝土灌注工艺，根据工况计算桩身弯矩包络图和剪力包络图，取桩身弯矩最大值及桩身剪力最大值，计算桩体纵向钢筋和箍筋断面积。为改善护坡桩受力状态，将悬臂桩结构受力体系改为多点支锚结构体系，来有效减小护坡桩嵌固深度，优化桩体受力状态，减小桩体规模，从而有效减小了桩体弯矩和剪力，降低了桩体钢筋用量，可通过合理调整锚索参数来有效减小桩身弯矩及剪力，控制桩顶位移在预控制值范围内。

4.1 护坡桩内力分析

设计采用桩身弯矩最大值，剪力最大值，计算护坡桩参数，设计选取配筋。基坑开挖深10.5m，根据构造要求及稳定性计算，确定护坡桩嵌固深度取4.5m，根据以往研究护坡桩中锚索预应力值过低，锚索易失效，不能有效约束桩顶位移，过大控制桩顶效果不明显，但是锚固段急剧增长[7-8]，于此设定锚索预加力100kN。采用理正深基坑计算软件计算分析，桩身弯矩最大值与锚索关系如下图1 所示，桩身剪力最大值与锚索关系如图2所示，桩间首道锚索轴力最大值与锚索位置关系如图3所示，桩间第二道锚索最大轴力值与锚索位置关系如图4所示，桩顶位移最大值与锚索关系如图5所示。

图1 桩身弯矩最大值与锚索关系图

图2 桩身剪力最大值与锚索关系图

图3 桩间首道锚索轴力最大值与锚索位置关系图

图4 桩间首道锚索轴力最大值与锚索位置关系图

图5 桩顶位移最大值与锚索关系图

由图1 可见，护坡桩桩身弯矩最大值总体与首道锚索距坑顶距离增大而减小，与两道锚索间距增大而减小，首道锚索下调0.5m 较锚索间距离增加0.5m 使桩身弯矩减小值大，根据曲线曲率变化可见，首道锚索埋深在3.5m（即开挖深度的1/3 处），增大两道锚索间距，对减小桩身弯矩效果有限，特别是当两道锚索间距增大至4.0m 时，弯矩反而增大，这是由于第二道锚索距基坑底约2.0m，远小于开挖深度的1/3。因此，通过降低首道锚索埋深及适当增大两道锚索间距能有效减小桩身内力。

由图2 可见，首道锚索埋深小于3.0m，即基坑开挖深度的1/3 时，桩身剪力最大值随着首道锚索埋深增大或两道锚索间距增大而减小，首道锚索埋深大于3.5m，即挖深的1/3 后，间距增大至3.5m，第二道锚索距基坑底小于3.0m 后，最大剪力反而增大，由此可见首道锚索埋深不宜太低，第二道锚索间距宜大于1/3 基坑开挖深度，则有利于减小桩身剪力。

4.2 锚索内力分析

由图3 可见，桩间首道锚索轴力最大值随着其距基坑顶距离增大及两道锚索间距增大而增大，首道锚索越往下，则锚索所需长度越长。

由图4 可见，在首道锚索距坑顶距离小于3.5m，即略大于1/3开挖深度及两道锚索间距间距小于3.5m时，第二道锚索最大轴力变化较小，锚索轴力过大，这是由于两道锚索过于集中布置于桩体上部，第二道锚索作为中间锚固点对桩体的约束较大，抵御桩体发生弯曲变形所致，为使第二道锚索受力合理，锚索不宜过长或导致工程失效，则首道锚索距坑顶不宜高于开挖深度的1/3，两道锚索间距也不宜过小。

由图5 可见，在首道锚索距坑顶距离小于3.5m，即略大于1/3 开挖深度，桩顶位移随首道锚索距坑顶越远及两道锚索间距增大，位移先减小再增大，变化值较小，反之桩顶位移急剧增大，这与桩顶悬臂段（锚点以上桩长）变长密切相关，可见首道锚索必须布置于开挖深度1/3 内，切不可布置过低，才能较好的控制桩顶变形，有效发挥锚索的作用，要减小桩顶变形，也可通过提高锚索预应力来实现。

4.3 综合条件下护坡桩分析

综合桩间锚索位于不同位置处桩身最大弯矩值、最大剪力值，锚索轴力及桩顶位移的变化趋势，桩顶位移控制在地表建筑物允许变形的最大值范围内，考虑到锚索施工难易程度，锚索锚固力随锚固长度折减影响[9]，一般土层中锚索锚固段长度不建议大于10.0m，则以位移及锚索锚固段长度为限制，调整桩间锚索位置，使桩身受力均匀，弯矩及剪力最小，通过计算首道锚索距坑顶3.5m，即位于基坑开挖深度的1/3 处，两道锚索间距为4.0m 时，即第二道锚索距基坑底3.0 时，略小于基坑开挖1/3 时，桩身身受力较为合理，其组成的支护方案最经济，支护效果最佳，能达到设计预期。。

5 结语

依据桩锚支护结构体系受力分析，结合稳定性要求，计算不同条件下护坡桩的弯矩及剪力，分析了预应力锚索对桩身内力和桩顶位移的影响及其相互关系，得出以下结论。

⑴桩锚支护体系中，合理布置锚索位置，能有效减小桩身内力和桩顶位移，以控制桩顶位移为主，则首道锚索宜靠近桩顶布置，以控制桩身内力为主则首道锚索宜远离桩顶布置，且锚索间距宜为基坑开挖深度的1/3。

⑵锚索的合理布置对桩顶位移影响较大，预应力锚索预加力提高对桩顶位移减小影响有限。

⑶单一通过极高的锚索预计力来减小桩顶位移及桩身内力不经济，过大的锚索预加力导致锚索锚固段过长，不利于施工。

⑷合理选取桩锚支护形式、锚索预应力值，在获得预设目的同时，支护桩受力更合理，工程更经济。