樁錨結構體系在深基坑支護中應用研究

張廣乾 李向陽 張利芳 楊明 劉先成

（1 中國建筑材料工業地質勘查中心陜西總隊；2 西安建材地質工程勘察院有限公司；3 陜西中祥基礎工程有限責任公司）

目前，隨著我國經濟快速發展及節約用地的倡導，地下空間和超高層建筑開發不斷涌現，建筑基坑不斷向地下縱深發展，而位于城市核心區的基坑，其附近往往緊鄰市政道路，雨污水管道，線纜管道等構（建）筑物，基坑周圍環境極其復雜，基坑支護結構過弱易導致基坑坍塌，支護過于保守或支護形式不盡合理[1]，則易形成浪費，不利于節約資源。設計中應根據場地條件，土層性質，結合基坑頂構（建）筑物對基礎變形的敏感程度、變形的適應程度等，綜合考慮，擬定合理的支護形式，以達到支護結構安全可靠，經濟合理且便于施工的目的[2-3]。

目前，基坑支護規范對樁錨支護結構體系有一定的要求，也有專家學者對樁錨支護體系進行了專項研究[4-6]，主要集中在樁嵌固深度及錨索預應力方面，對錨索在樁身布置的位置極少研究，文中以定西某深基坑支護為依托工程，通過調整樁間錨索位置，計算分析護坡樁最大內力與樁頂位移的變化規律，確定經濟合理的樁錨支護結構，為后續類似工程提供設計參考。

1 工程概況

該深基坑工程位于定西市安定區西川片區定臨路北側，農用路西側，屬地塊二期開發區域，基坑北側相接項目一期地塊，與已建成的10#、11#及12#樓緊鄰，距10#樓約2.0m，基坑東側相接農用路，農用路東側為住宅小區綠化區域，基坑南側為定臨北路，西側無建筑物相接。基坑東西長171m，南北寬126m，基坑開挖深度6m～10.5m。

2 工程地質條件

2.1 地形地貌

本工程位于定西市安定區西川片區定臨路北側，地貌單元上劃屬安定區西河北岸二至三級階地。場地地形自南往北一次抬高呈三塊臺地狀，場地整體較寬闊，高差較大。

2.2 地層巖性

從場地內勘探揭露地層可知，在勘探深度內場地地層為第四系松散沉積物與第三系泥巖，現分述如下：

①黃土狀粉土(Q4al+pl)：呈暗黃色，稍濕至濕，稍至中密，中至高壓縮，中上部濕陷。搖震反應迅速，無光澤反應，干強度低，韌性低，全分布。本層厚度為13.50～30.00m。

②角礫(Q4al+pl)：呈棱角形，良集配；骨架顆粒交錯排列，大部分接觸；母巖成分為花崗巖、砂巖，中等風化；由礫砂充填飽滿：中密。本層厚度為0.2～8.90m。

②-1 粉質粘土（Q4al+pl）：呈褐紅色，局部呈青灰色，稍濕，硬塑狀態，局部包裹少量砂礫，密實。本層厚度為0.4～2.30m。

③泥巖（N）：呈褐紅色，含粘土礦物，泥質結構，層狀構造，密實。礦物成分部分發生變化，巖芯呈短柱樁，未揭穿。

各層土物理力學指標如表1所列。

表1 各巖土層物理力學指標表

3 基坑支護形式擬定

工程北側緊鄰10#樓區域，為防止坡面土體發生破壞，控制該段地基變形，采用預應力錨索樁支護體系，基坑安全等級綜合判定為一級，分析計算取6 層住宅樓荷載為90kPa，距基坑邊3.0m，荷載寬度為樓體基礎寬度，基坑開挖深度為10.5m。根據基坑周圍環境，鋼板樁、型鋼水泥土攪拌樁及重力式水泥土墻，支護結構剛度小，變形大，難以滿足對變形控制的要求。

選用環境適應性強，剛度大的鉆孔灌注樁，為縮短施工周期，減少干擾，給主體結構提供有效的施工空間，選用樁錨支護結構，為節約工程造價，降低施工難度，方便施工，則優選小端面灌注樁。

初步擬定的護坡樁參數樁徑0.7m，樁間距1.4m，樁長14.0m，C30 混凝土灌注樁，樁間設置2 道預應力旋噴錨索，樁頂冠梁0.6m×0.8m，樁間掛網噴漿，采用80mm厚C20噴射混凝土。

4 結構計算分析

護坡樁一般采用水下混凝土灌注工藝，根據工況計算樁身彎矩包絡圖和剪力包絡圖，取樁身彎矩最大值及樁身剪力最大值，計算樁體縱向鋼筋和箍筋斷面積。為改善護坡樁受力狀態，將懸臂樁結構受力體系改為多點支錨結構體系，來有效減小護坡樁嵌固深度，優化樁體受力狀態，減小樁體規模，從而有效減小了樁體彎矩和剪力，降低了樁體鋼筋用量，可通過合理調整錨索參數來有效減小樁身彎矩及剪力，控制樁頂位移在預控制值范圍內。

4.1 護坡樁內力分析

設計采用樁身彎矩最大值，剪力最大值，計算護坡樁參數，設計選取配筋。基坑開挖深10.5m，根據構造要求及穩定性計算，確定護坡樁嵌固深度取4.5m，根據以往研究護坡樁中錨索預應力值過低，錨索易失效，不能有效約束樁頂位移，過大控制樁頂效果不明顯，但是錨固段急劇增長[7-8]，于此設定錨索預加力100kN。采用理正深基坑計算軟件計算分析，樁身彎矩最大值與錨索關系如下圖1 所示，樁身剪力最大值與錨索關系如圖2所示，樁間首道錨索軸力最大值與錨索位置關系如圖3所示，樁間第二道錨索最大軸力值與錨索位置關系如圖4所示，樁頂位移最大值與錨索關系如圖5所示。

圖1 樁身彎矩最大值與錨索關系圖

圖2 樁身剪力最大值與錨索關系圖

圖3 樁間首道錨索軸力最大值與錨索位置關系圖

圖4 樁間首道錨索軸力最大值與錨索位置關系圖

圖5 樁頂位移最大值與錨索關系圖

由圖1 可見，護坡樁樁身彎矩最大值總體與首道錨索距坑頂距離增大而減小，與兩道錨索間距增大而減小，首道錨索下調0.5m 較錨索間距離增加0.5m 使樁身彎矩減小值大，根據曲線曲率變化可見，首道錨索埋深在3.5m（即開挖深度的1/3 處），增大兩道錨索間距，對減小樁身彎矩效果有限，特別是當兩道錨索間距增大至4.0m 時，彎矩反而增大，這是由于第二道錨索距基坑底約2.0m，遠小于開挖深度的1/3。因此，通過降低首道錨索埋深及適當增大兩道錨索間距能有效減小樁身內力。

由圖2 可見，首道錨索埋深小于3.0m，即基坑開挖深度的1/3 時，樁身剪力最大值隨著首道錨索埋深增大或兩道錨索間距增大而減小，首道錨索埋深大于3.5m，即挖深的1/3 后，間距增大至3.5m，第二道錨索距基坑底小于3.0m 后，最大剪力反而增大，由此可見首道錨索埋深不宜太低，第二道錨索間距宜大于1/3 基坑開挖深度，則有利于減小樁身剪力。

4.2 錨索內力分析

由圖3 可見，樁間首道錨索軸力最大值隨著其距基坑頂距離增大及兩道錨索間距增大而增大，首道錨索越往下，則錨索所需長度越長。

由圖4 可見，在首道錨索距坑頂距離小于3.5m，即略大于1/3開挖深度及兩道錨索間距間距小于3.5m時，第二道錨索最大軸力變化較小，錨索軸力過大，這是由于兩道錨索過于集中布置于樁體上部，第二道錨索作為中間錨固點對樁體的約束較大，抵御樁體發生彎曲變形所致，為使第二道錨索受力合理，錨索不宜過長或導致工程失效，則首道錨索距坑頂不宜高于開挖深度的1/3，兩道錨索間距也不宜過小。

由圖5 可見，在首道錨索距坑頂距離小于3.5m，即略大于1/3 開挖深度，樁頂位移隨首道錨索距坑頂越遠及兩道錨索間距增大，位移先減小再增大，變化值較小，反之樁頂位移急劇增大，這與樁頂懸臂段（錨點以上樁長）變長密切相關，可見首道錨索必須布置于開挖深度1/3 內，切不可布置過低，才能較好的控制樁頂變形，有效發揮錨索的作用，要減小樁頂變形，也可通過提高錨索預應力來實現。

4.3 綜合條件下護坡樁分析

綜合樁間錨索位于不同位置處樁身最大彎矩值、最大剪力值，錨索軸力及樁頂位移的變化趨勢，樁頂位移控制在地表建筑物允許變形的最大值范圍內，考慮到錨索施工難易程度，錨索錨固力隨錨固長度折減影響[9]，一般土層中錨索錨固段長度不建議大于10.0m，則以位移及錨索錨固段長度為限制，調整樁間錨索位置，使樁身受力均勻，彎矩及剪力最小，通過計算首道錨索距坑頂3.5m，即位于基坑開挖深度的1/3 處，兩道錨索間距為4.0m 時，即第二道錨索距基坑底3.0 時，略小于基坑開挖1/3 時，樁身身受力較為合理，其組成的支護方案最經濟，支護效果最佳，能達到設計預期。。

5 結語

依據樁錨支護結構體系受力分析，結合穩定性要求，計算不同條件下護坡樁的彎矩及剪力，分析了預應力錨索對樁身內力和樁頂位移的影響及其相互關系，得出以下結論。

⑴樁錨支護體系中，合理布置錨索位置，能有效減小樁身內力和樁頂位移，以控制樁頂位移為主，則首道錨索宜靠近樁頂布置，以控制樁身內力為主則首道錨索宜遠離樁頂布置，且錨索間距宜為基坑開挖深度的1/3。

⑵錨索的合理布置對樁頂位移影響較大，預應力錨索預加力提高對樁頂位移減小影響有限。

⑶單一通過極高的錨索預計力來減小樁頂位移及樁身內力不經濟，過大的錨索預加力導致錨索錨固段過長，不利于施工。

⑷合理選取樁錨支護形式、錨索預應力值，在獲得預設目的同時，支護樁受力更合理，工程更經濟。