基坑工程中錨索微型樁支護結構設計方法探討

陳麗波（中國鐵道科學研究院 鐵道建筑研究所，北京　100081）

基坑工程中錨索微型樁支護結構設計方法探討

陳麗波
（中國鐵道科學研究院 鐵道建筑研究所，北京100081）

微型樁作為預支護措施多與其他支護結構聯合，以抗彎剪作用為主進行設計時，難以發揮其抗拉強度高的優勢。本文針對錨索微型樁組合結構，根據混凝土結構設計相關理論，結合有關試驗成果，通過受力特性與破壞模式分析，提出了一種新的設計計算方法，即認為混凝土不起承載作用，微型樁主要依靠鋼筋承載，從而充分發揮微型樁的抗拉性能，因此稱之為“抗拉強度法”。該方法在基坑支護實踐中得到成功應用，效果良好。相對傳統設計方法，可節約工程投資15%～20%。

基坑；微型樁；錨索；抗拉強度法

伴隨著城市化進程的突飛猛進，城市高層建筑如雨后春筍般拔地而起。限于城市用地緊張，加劇了對地下空間利用的爭奪，城區基坑開挖的深度通常在10 m以上，個別甚至超過30 m。因臨近既有建筑，基坑開挖對變形控制要求較高，常規采用大直徑灌注樁結合預應力錨索支護。該方案技術成熟，安全度高，但工作空間大、污染重、效率低、成本高。因此，有必要探索新的基坑支護技術，以滿足城市建設快速發展的需求。錨索與微型樁技術的結合，正是需求驅動的結果。

微型樁是指直徑90～300 mm的預制樁或灌注樁［1］。由于其具有機械化程度高、施工空間小、造價低、工期短等特點，近年來在地基處理工程、邊坡工程、基坑支護工程等領域得到較多應用。基坑工程中使用的微型樁多為灌注樁，形式相對比較單一，主要為鋼管微型樁見圖1（a）。在某些情況下也采用型鋼微型樁加固基坑邊坡，見圖1（b）。

圖1　微型樁的常見結構形式

1　問題的提出

微型樁在基坑工程中已較為常見，但多作為一種預加固措施，與其他結構聯合使用。在文獻［2］中，總結歸納了6種微型樁與其他結構聯合使用的基坑支護措施，分別為微型樁與復合土釘技術結合、微型樁與水泥攪拌樁結合、微型樁與內支撐結合、微型樁與預應力錨索技術結合、微型樁對基坑邊緣建筑基礎托換或隔震保護、微型群樁等。

微型樁與其他結構的聯合支護技術，已有無數成功的工程案例，其中錨樁結合技術的應用最為廣泛。就樁錨結合技術而言，雖然有學者、教授、工程技術人員等進行了大量的理論探索［3-7］，但至今仍沒有形成成熟的設計計算方法，設計理論遠落后于工程實踐。

2　錨索微型樁的作用機理與破壞模式

微型樁在加固基坑邊坡時，其主要作用方式有2種，一種是作為受力構件，與其他支擋結構聯合，抵抗基坑開挖過種中產生的水土壓力；另一種是作為預支護結構，僅在基坑開挖中間工況中發揮擋土作用，最終工況的水土壓力完成由其支擋結構承擔。錨索微型樁即為前者中的一種，錨索與微型樁結合共同作用，以提供坡體穩定需要的抗力（見圖2）。

2.1作用機理

錨索微型樁加固基坑邊坡的作用機理：通過設置垂直微型樁對基坑邊坡進行預加固，在基坑開挖一定深度后（小于微型樁靠自身抗彎能力能夠保證邊坡穩定的極限深度），通過在樁頭位置設置預應力錨索（豎向可為多排），形成空間穩定結構。通過錨索與微型樁的抗拔力以及微型樁的抗彎剪能力為坡體穩定提供支撐反力，從而達到加固基坑邊坡、滿足不同工況條件下基坑邊坡穩定的需要。

圖2　錨索微型樁加固基坑邊坡示意

1）微型樁的作用

在錨索微型樁組合結構中，微型樁的作用較為復雜：①抗拔作用，即微型樁的錨固段（基坑底面以下部分）承受抗拔力，防止樁體在坡體水土壓力作用下被拔出；②抗彎作用，微型樁在受到坡體的水土壓力后，發生彎曲變形，形成彎曲抗力以穩定坡體；③抗剪作用，微型樁在受到坡體的水土壓力后，發生剪切變形，形成剪切抗力以穩定坡體。

2）錨索的作用

錨索通過錨固段提供抗拔力，與微型樁結合形成穩定的支擋結構。

2.2破壞模式

在文獻［1］中，通過大型破壞試驗發現：無錨索微型樁的破壞，首先在坡體破裂面下的樁身后部產生拉張裂紋、樁身前部發生混凝土擠壓破碎，之后坡體水土壓力就完全由鋼筋來承擔。由此可以判斷，無錨索微型樁的支擋作用由破裂面附近的彎曲承載能力控制。

另外，由試驗結果可以確定：樁體失去支擋能力后，錨固段樁身略微向前緣傾斜，樁身鋼筋并未屈服失效，說明微型樁為超筋破壞，并未充分發揮其支擋作用。這是由于在工程實踐中，為了提高微型樁的抗彎剪能力，在孔徑一定的條件下，只能通過增加配筋率的方法提高樁體的抗彎剪性能，致使其配筋率往往高出正常樁體的數倍，一般在10%以上。

在基坑工程中的微型樁，鋼管微型樁較為常見，通過在鋼管外沿環向均勻點焊3根螺紋鋼筋制作。以φ150微型樁為例，常用配筋為φ50普通鋼管外沿環向均勻點焊3根φ25 HRB400螺紋鋼，配筋率為11.1%，混凝土強度設為C30。根據材料力學相關理論與混凝土結構設計原理，單根微型樁的抗剪承載力為362.4 kN，抗彎承載力約為32.3 kN·m，抗拉承載力為627.7 kN。由這一組數據可以看出，樁體在很小的一個彎矩作用下即會發生混凝土拉裂或壓碎破壞，而樁體的抗拉與抗剪承載力尚有較大富余，即樁身鋼筋仍具備較大的抗拉剪能力。

因此，微型樁的破壞模式：樁體在一定的彎矩作用下，樁身混凝土首先達到破壞強度發生破壞，因其配筋率較大，破壞模式屬超筋破壞，即樁體混凝土破壞后，樁身鋼筋以及中心鋼管仍可作為受拉構件發揮承載作用。

3　微型樁計算方法

3.1常見設計計算方法

微型樁在基坑工程中已有無數的成功應用案例，但至今仍沒有成熟的計算方法，致使其應用受到了一定的限制。近年來，西南交通大學、長安大學、中鐵西北科學研究院等均進行了一些有益的探索，常見的設計方法有以下5種。

1）平面剛度法：將群樁簡化為平面剛架，樁身采用彈性地基梁進行計算；剛架內力采用結構力學的方法進行設計計算。

2）類樁計算法：多采用基于樁-土相互作用理論的軟件進行模擬計算，即認為微型樁群之間的巖土體為固化材料，起到類似普通鋼筋混凝土樁中混凝土的作用，而單根微型樁則起到類似普通鋼筋混凝土樁中鋼筋的作用。

3）等效抗彎剛度法：對微型樁樁間力的分配采用等效抗彎剛度進行計算，認為可以將微型排樁視為薄層擋土墻。墻體的剛度包括了樁體的剛度和土體剛度，然后將每根樁（灌注樁）的加固范圍假設為一定厚度的地下連續墻，利用抗彎剛度相等的原則對墻進行內力分析。

4）彈性地基梁法：將微型樁上端作為定向支承，下端固定的彈性地基梁，應用彈性地基梁理論進行單樁承載力的計算。

5）極限承載力法：認為在巖質邊坡中，鋼筋主要起抗剪作用；在土質邊坡中，鋼筋在樁身開裂之前主要起抗彎剪作用。各排樁的水土壓力可按不均勻分配系數進行調整，根據樁的抗剪或抗彎強度進行設計計算。

3.2推薦設計計算方法

3.2.1既有計算方法的適用性

微型樁長細比一般在300以上，為細柔桿件，單樁的水平承載能力非常有限，難以起到理想的抗彎作用，這是與其他支護結構聯合作用的主要因素，但微型樁具有良好的沿軸向的抗拉承載能力。在上述的計算方法中，更多地考慮了微型樁的抗彎剪能力，主要是基于永久工程，不允許樁體結構發生破壞，包括樁身混凝土（砂漿）與樁身鋼筋。

在文獻［8］中提出，微型樁的計算方法根據其所在支護措施中發揮的作用，分為剛性樁與柔性樁2類進行計算，明顯的是剛性微型樁是不存在的。在文獻［9］中提出，按破裂面處微型樁的抗剪強度進行設計，不考慮微型樁的抗彎與抗拉作用以及樁頭設計錨索工況下對樁身受力的影響。文獻［3］中按照彈性地基梁理論，考慮樁土相互作用效應，推導了微型樁群的設計計算方法，以微型樁的抗彎剪承載能力作為樁體失效的主控因素。

3.2.2計算模型

基于試驗結果與微型樁的破壞模式，對于錨索微型樁的設計計算方法可做如下假定：①樁身混凝土或砂漿破壞后，由樁身鋼筋承擔全部坡體水土壓力；②忽略樁身混凝土或砂漿的抗壓、抗剪及抗拉強度，即在錨索微型樁結構中，不起承載作用；③錨索按設計荷載進行張拉鎖定，其自由段的伸長值已達到設計限值。

在錨索微型樁結構工作狀態，不允許微型樁或錨索被拔出，否則為結構破壞失效。微型樁自由段不考慮混凝土或砂漿的承載作用，故為柔性結構，允許發生一定的變形。因此，可以把錨索與微型樁錨固端均視為固定鉸支座（見圖3），在正常工作過程中不發生平動位移。

圖3　錨索微型樁計算模型

根據材料力學相關理論，在圖3（b）中，坡體水土壓力的合力EA=qh/2，支點A的反力為qh/6，支點B的反力為qh/3；即錨索設計抗拔力Fs為qh/6，微型樁設計抗拔力Ts為qh/3。

設鋼筋的抗拉設計強度值為 fy，微型樁間距為 d（一般不大于1 m），所需的鋼筋截面積為As為

式中：Ks為鋼筋截面設計安全系數，對于臨時工程，Ks=1.4～1.8；對于永久工程 Ks=1.8～2.2。其取值主要考慮微型樁的受力狀態與有效截面等影響因素，并參考相關規范確定。

若單排微型樁難以達到支擋要求，可設多排樁，排距宜為3D～7D（D為微型樁直徑），設排數為n，則所需的鋼筋截面積為As為

在單排樁難以滿足要求的情況下，亦可通過增加錨索的排數達到支擋加固的目的。增加錨索排數，相當于在原靜定體系中間增加了固定鉸支座，從而形成超靜定體系。

需要說明的是，在多排樁情況下，排樁的受力并不均勻，前排樁受力最大，后排樁受力最小，為保證上述計算結果的可靠性，微型樁的排數不宜超過3排。

該計算方法，微型樁設計以鋼筋抗拉強度作為主控因素，因此稱之為“抗拉強度法”。

3.2.3計算方法的科學性分析

實際上，錨索微型樁結構中，在混凝土開裂或壓碎破壞前，微型樁以抗彎剪作用為主；之后，樁身混凝土失去對樁身鋼筋的約束，微型樁以抗拉作用為主。在該計算方法中：①不考慮混凝土的承載能力，即以樁身混凝土破壞后的工作狀態進行設計，是否可靠？②錨索與微型樁通常采用冠梁傳遞內力，屬剛性連接，計算時簡化為固定鉸支座，是否合理？③微型樁嵌固段在正常工作狀態時與巖土體之間不發生相對位移，為何不能簡化為固定端？④微型樁為柔性結構，簡化模型時，支座反力按剛性結構計算是否恰當？

1）基坑工程為臨時工程，使用周期一般在2年以內，混凝土破壞后，鋼筋必然受到水土的腐蝕。鋼筋的腐蝕速率與水土的腐蝕性、濕度、溫度等因素有關，一般在2年時間內，不會明顯降低其力學性能，若使用時間稍長，可適當增加鋼筋的安全系數。

2）錨索與微型樁的連接多采用在樁頭設置冠梁，微型樁伸入冠梁一定長度，錨索穿過冠梁將錨頭鎖定在冠梁上。連接節點受力特性要求冠梁有較大的尺寸和剛度，即能夠保證微型樁正常工作時不從冠梁內拔出，又能滿足錨索工作狀態的需要。在不考慮混凝土的作用時，錨索與微型樁均為柔性結構，即使發生一定的變形仍能夠保持正常的工作狀態。另外，冠梁背后為土體，強度與剛度均較小，其變形模量與鋼筋混凝土差4～5個數量級，在錨索與微型樁的綜合作用下，允許冠梁發生一定的轉角變形。因此，把錨索對微型樁的約束簡化為固定鉸支座，是合理的。

3）由于巖土體的變形模量遠小于鋼筋混凝土，在微型樁嵌固端發揮功效的過程中，自嵌固段上端向下逐漸形成一個過渡帶，樁體內力不斷增加，樁身混凝土達到破壞強度后失效，巖土體受擠壓破壞，之后由樁身鋼筋承載。因此，在嵌固段過渡帶，可以產生一定的轉動變形而不影響樁身鋼筋的承載作用。

4）微型樁即為柔性結構，則按柔性結構（見圖4）可計算得出支座A與支座B的反力分別為P1與P2。

圖4　微型支座反力計算簡圖

實際工程中微型樁的變形量非常小，α與β角接近90°。因此，可以近似得到P1=P2=EA。這與上述模型計算中得出的支座反力存在明顯差異，原因在于：在該節計算中，忽視了微型樁與坡體之間的相互作用，即微型樁與坡體之間不會發生相對位移，這也符合實際情況。因此，在樁土相互作用下，水土壓力的傳遞受到限制，不能按照柔性結構來計算支座反力。

4　工程應用

旬陽縣城一商住樓，地處核心繁華區，地上31層、地下2層，基礎埋深為-11.5 m。基坑開挖深度范圍的地層由人工填土、第四系坡洪積粉質黏土、沖積卵礫石及全、強風化千枚巖組成，其中全、強風化千枚巖厚約1.0～2.2 m，巖土物理力學參數見表1。

表1　巖土層物理力學參數

基坑四周建筑密布，距建筑紅線最近的建筑僅為1.2 m。受場地空間限制，基坑只能垂直開挖，經過技術經濟對比，確定采用錨索微型樁支護方案，基坑支護典型斷面見圖5。沿基坑四周開挖邊線設置一排微型樁，樁長16 m，嵌固段長5 m，樁間距為0.8 m，樁徑150 mm。筋材采用φ50鋼管外均勻點焊3φ25HRB400螺紋鋼，樁孔灌注 C30豆石混凝土。樁頂設置冠梁，截面尺寸為0.5 m×0.5 m，采用 C30鋼筋混凝土澆筑。自樁頂向下設置兩排6φs15.2預應力錨索，錨索橫向間距為3 m，豎向排距為3 m。錨索長L分別為18，16 m，錨固段長Lm均為10 m，采用擴大頭錨索，擴大頭錨固體直徑不小于250 mm，單根錨索設計抗拔力為600 kN。

圖5　基坑支護典型斷面（尺寸單位：m）

在工程實施過程中，選取基坑中間典型部位進行樁頭位移與沉降觀測，觀測時段自基坑開挖開始，至基坑回填結束（見圖6）。錨索微型樁支護結構的樁頭最大位移約為15.1 mm，樁頭最大沉降約為6.0 mm，均沒有達到設計預警值30 mm。說明該支護結構工作狀況良好，做到了技術可靠、變形可控、措施經濟的預期目的。

圖6　微型樁樁頭位移-時間曲線

5　結論與建議

1）微型樁為柔性結構，抗彎剪能力較弱，僅作為預支護措施使用，沒有充分發揮其抗拉性能，不經濟。

2）微型樁結構因樁體較小，為提高其整體剛度，往往配筋率較高，超過10%，在抗彎剪作用下，其破壞模式屬超筋塑性破壞。

3）“抗拉強度法”設計不考慮樁體混凝土或砂漿的承載能力，即在樁體混凝土或砂漿拉壓破壞后，樁體仍能夠發揮支擋作用，樁身荷載全部由鋼筋承擔，以鋼筋的抗拉強度作為微型樁設計的主控因素。

4）考慮鋼筋銹蝕與其力學性能呈負相關關系，“抗拉強度法”只適用于臨時邊坡支護。若使用年限稍長，可適當增加微型樁的配筋安全系數。

5）錨索微型樁結構可用于深基坑工程，必要時可設置多排錨索或多排微型樁，但不易超過3排。

6）建議在“抗拉強度法”基礎上，對多排樁與多排錨索結構進行深入研究，可以在空間結構布置與樁土相互作用方面進一步探索完善。

［1］門玉明，王勇智.地質災害治理工程設計［M］.北京：冶金工業出版社，2011.

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［9］閆金凱，門玉明.基于模型試驗的滑坡防治微型樁設計方法［J］.工程地質學報，2012（20）：355-361.

（責任審編趙其文）

Discussion on Design Method of Supporting Structure of Anchor Cable Combined with Micro-Pile Used in Foundation Pit

CHEN Libo
（Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China）

M icro-pile as a pre-support measure has been widely used in foundation pit engineering，and always used with other reinforcement structures，mainly depended on bending and shearing action，not given full play to its advantage of the high tensile strength.Aiming at the composite structure of anchor and micro-pile，according to the relative design theory of concrete structures and combined with relevant experimental results，a new design method puts forward by analyzing the mechanical characteristics and failure modes，that is not concrete playing the role of supporting the load.M icro-pile works mainly by steel bar to maximize its tensile property，so called“tensile strength method”.T he method has been successfully applied in the practice of foundation pit support with good effect，compared with the traditional design method can save engineering investment by 15% ～20%.

Foundation pit；M icro-pile；Cable；T ensile strength method

U417.1+16

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2016.08.29

1003-1995（2016）08-0116-05

2016-03-09；

2016-05-25

陳麗波（1980— ），男，工程師，碩士。