深基坑工程樁錨支護結構設計及應用研究

奚智聰 鄭慶超 湯偉濱 趙張航 中國建筑第五工程局有限公司

1 前言

現階段，很多工程施工地點在繁華的城市，周邊有著較多建筑及設施，在地質環境較為復雜的工程中，支護結構能夠起到很好的保障作用，使深基坑施工更加順利。樁支護結構不僅僅可以體現在挖掘的穩定性上，還可以提高施工人員施工的安全性，本文就對深基坑樁錨支護結構的設計進行分析，并探討其應用舉措[1]。

2 深基坑樁錨支護結構的特點及工作原理

2.1 樁錨支護體系的特點

目前，樁錨支護在深基坑工程的應用中最為普遍，與其他支護形式相比，樁錨支護結構有著較為特殊的優點。這種支護結構有效結合了護坡排樁和單錨，有著更好的支護效果。由于該結構是一種超靜定結構，因此有效提高了支護穩定性及安全性能。其結構穩定性主要是依靠錨桿錨固段與土層間的摩擦力及嵌入土層所提供的支撐力，且還具有良好的適用性，不僅能應用在深基坑及超深基坑中，還能在某些特殊的地形條件下，發揮其較高的價值[2]。

2.2 樁錨支護體系的工作原理

2.2.1 土拱效應原理

在不平衡載荷的作用下，基坑壁內的土體會產生移動，加上錨桿錨固時土體受到一定程度的破壞，其受到的限制作用減弱，土體更容易產生側向位移。土體側向變形的程度也受到基坑挖掘深度的影響，隨著深度的增加變形程度也增加，造成側面樁體的脫離，甚至導致支護作用實效。在剪力作用下，錨桿內部的應力會有所偏移，并向變形方向小的一面偏移，開挖深度越深，不平衡壓力也會不斷增加，剛度較大的位置會有應力反應，土拱一般立于支柱樁后，拱腳可通過土拱產生自我支持作用。土拱能夠對土體原來產生的受力作用做出改變，土拱上和土拱后所產生的壓力作用，被作用到了拱腳上，有效控制了側向變形。

2.2.2 支護樁工作原理

第一，支擋基坑周圍的土體。排樁的支擋作用可有效支撐基坑挖掘后松動的土體。排樁材料要根據土體環境選擇，總體來說，排樁材料一般剛度較大，因為排樁通常需要埋深，剛度大的材料可以起到擋土作用。第二，支點作用。排樁上錨桿的鑲嵌，使排樁自身的剛度發揮作用，增強對支護體的加固力，錨桿深入到土體中，并將排樁用為支護點，增強錨桿對土壤所產生的支護作用。第三，受力作用。土拱作用即將排樁作為拱腳，土拱現象會產生于基坑的周圍，可以在一定程度上降低錨桿變形。

2.2.3 錨索工作原理

錨索作用下，利用支護樁傳遞錨桿受力，使其傳遞到土基中，有效借用土層應力潛能，使錨桿及土體一同承受外力載荷，降低錨桿受力，提高基坑的穩定性（圖1）。錨索的主要作用機理有以下幾點。

圖1 錨索作用機理圖

（1）深層錨固作用。在土基內部固定錨桿的一端，對另一端的錨桿施加外力，使外力產生傳力作用傳遞到土基的內部，發揮土基深處土層潛能的效果。（2）內部懸吊作用。懸吊重物的原理與內部懸吊的作用有相似之處，錨桿將即將脫離土層的土體，用錨緊緊的固定住，緊密聯系起堅實的土層和在錨固作用下松散的土體。（3）灌漿約束作用。若要松散的土壤與原有的土層相粘結，可使用灌漿手段，不僅能改善錨桿周圍的土壤性，還能夠利用漿體灌注土體中的縫隙，整體提高土體的穩定性。（4）提高摩阻作用。在錨桿附近，土體性能會有明顯的改善，使土體對錨桿產生的握裹作用有所增強，當錨桿一端與重物產生作用時，會增加土體之間的摩擦力，也會增加錨桿與土體的摩擦力，使單位錨桿荷載承受的能力有所提高。

2.3 支護結構強度破壞

當錨樁支護結構產生破壞時，會有多種破壞形式及其原因，以下就介紹幾種主要結構強度破壞形式。（1）當過大的剪力作用到支柱樁時，支柱樁會產生變形，使結構的安全性受到影響。在工程實際開展過程中，土載荷通過基坑開挖增加，如果土層壓力在計算過程中出現不準確的情況，支護樁結構極易產生變形，嚴重情況下使支護樁發生斷裂，基坑周圍土壤塌陷，給周邊建筑物、道路及設施帶來一系列安全性問題。（2）支護樁的受彎遭到破壞。深基坑各支護樁在應用過程中，應保證支護樁間隔滿足相應條件，支護樁之間的距離如果游離于安全范圍外，會導致基坑中土體出現滑坡問題，還有可能增加單個樁所承受的土體壓力，在增加基坑挖掘深度之后，樁體承受的土壓力可能會在支柱樁承受的安全范圍之外，使得支柱樁產生受彎破壞的現象。（3）拉錨結構破壞。地下土壤的自然環境復雜、多樣且有變化，深基坑在開挖過程中，若梁計算含有偏差，拉錨嵌在土壤時，土壤結構層會受到破壞，導致周圍土體強度與錨固體周圍土體剪切強度有落差，使前者較高于后者，當錨桿對土體所產生的作用強度被土體強度所超過，會導致錨桿出現斷裂的情況。在深基坑支護時有效應用樁錨支護結構，需充分考慮支護樁埋設的深度、水泥混凝土的等級、支護樁之間的距離及其鋼筋的布設數量等。在施工和使用錨樁支護結構過程中，應關注多方面的需求，保證深基坑開挖和使用過程中結構的安全性，還要保障基坑周圍建筑物、測試的結構安全。

3 錨桿支護與設計

3.1 錨桿支護

錨桿支護一端由通孔插入，另一端與支護結構構成有機的整體，開展養護、灌漿工作。在錨桿孔的使用過程中，使另一端錨固定在穩定土中。結合之前相關工程案例，鉆孔灌漿通常要先施加預應力，再進行混凝土噴射。要想提高支護的平穩性，錨桿支護的平穩性要強于土釘支護。但從經濟性方面考慮，錨桿支護的成本更高，花費成本增加，整個支護體系的一部分包括錨桿支護，錨桿支護與土釘墻、排樁等有著一定的聯系，產生共同作用，有效保護和支撐土體[3]。

錨桿支護再實際應用中具有諸多優點，其平穩性能好、安全系數高，因此錨桿和土釘等支護方式的組合，可達到更加顯著的支護效果，不僅克服了單一支護方式的不足，也能有效改善支護整體的平穩和安全性能。

比如，將排樁和錨桿組合使用，能有效提升土體的整體性，還能夠影響排樁支護作用下的土體橫向壓力，且有一定程度的降低。深基坑中產生支護作用的部分為錨桿支護，支護的深度在深基坑中被不斷的增加，在錨桿支護的作用下，錨桿支護背面的主動土壓力有所減少，減少深基坑側向位移的情況，同時基坑中土基變形的情況能夠被毛莊支護排樁的變形所抵消?；油翆ε艠兜闹鲃油翂毫梢员诲^桿對支護樁的拉力、深坑坑底的被動土壓力所抵消，當主動土的壓力被抵消時，能有效保證深基坑支護結構的安全性，主動土的壓力要強于大于力時，變形等問題極易發生在基坑支護當中，導致基坑出現坍塌現象。

3.2 錨桿設計原則及設計要素

（1）結構設計、錨桿類型的選擇，應對基坑周圍的情況進行實地勘察，保障工程的安全性，使工程價格更加合理，工程開展也更加可靠，并保證挖掘基坑四周的建筑物設施、埋置物的安全性；（2）在選擇錨桿類型時，需要充分考慮錨桿使用后期，道路路堤在重載的交通工具影響下產生形變的可能性；（3）選擇錨桿類型時，還應考慮到基坑所在的環境，預防實際開展過程中因考慮不全面導致支護極限過大或過小的情況。錨桿設計的主要要素為：基坑周圍環境中的建筑物、錨桿的錨固力、錨桿的總長、錨桿的斜角以及各個錨桿之間的間距等，這些要素都要在計算和試驗過程中得到相應的數據。

在選擇錨桿的類型時，需選擇錨桿應用的材料，試驗不同材料的錨桿性質，通過驗證挑選最合適的錨桿材料。除此之外，在項目工程正式完工后，還需驗證錨桿的耐拔力，保證其承受力在設計要求范圍內。同時，還要篩選錨桿的類型，包括荷載大小、工程特性、基坑土壤特性、施工時采用機械設備的情況以及錨桿總長度等。

4 工程概況

4.1 工程情況簡介

本文將以某一住宅樓項目為基礎，預計施工建設一棟具備26層樓高的建筑，基坑的長和寬分別是93m及76m，基坑的最深位置為13m，該工程項目周邊建筑較多，環境較為復雜，距離基坑最近處為11m，因此，該住宅樓項目工程基坑的安全等級為Ⅰ級。

4.2 工程地基特征

勘察該住宅樓工程項目的地基土，可以發現地基土按照巖性可以劃分成13層，本文只簡單介紹支護范圍內的土層。①人工填土：根據土層的構成可將人工填土分為雜填土以及素填土，雜填土中含有很多結構，結構較為松散，其厚度大約在1.8m，素填土主要包括磚及根系等，其厚度大致在3.1m；②細砂：細砂主要包含石英等成分，厚度大致為1.2m；③粉質黏土：含氧化物等物質，厚度約在5.9m；④細砂：結構比較密實，厚度約在2.16m左右；⑤粉土：韌性較差，厚度約在7.9m左右；⑥細中砂：結構較為密實，厚度約在11.5m左右。

5 深基坑樁錨支護方案及施工工藝

在工程地基的勘察工作開展過程中能夠發現，在開挖的范圍中主要是一些填土、細砂等，樁錨支護方案不僅要考慮降水處理，也要涉及攪拌樁止水。

5.1 降水處理

在場地中，地下水的位置在基底上方，所以選擇管井法作為基坑降水的方案。管井法要注意以下幾點：第一，水井的布置通?？紤]設置在基坑邊大約6m的范圍，同時也要避免與上部結構發生干涉，注意避讓。第二，降水井的尺寸設計，孔徑的設置一般為0.7m，其內部濾水管的直徑要控制在0.4m左右，不僅如此，在其內部也要放置濾料以及礫砂，濾料的不均勻系數要不大于2，礫砂也要保證其潔凈。此外，沉砂管要選擇不透水的，一般放置在降水井最底部3m的位置，降水井布置如果設置在電梯井附近，要注意進一步加深降水井，加深深度大約為4m。第三，在進行挖土工作之前，需要做好降水工程，讓地下水位至少在挖土面0.8m以下，以保障挖土工作的高效開展。

5.2 基坑支護

第一，放坡的位置一般距離帷幕樁頂3.5m，并且需對其開展加固處理，一般用土釘加固，土釘的選擇大多采用長度為6m的螺紋鋼，并且土釘的間距要保持在1.2m。加工處理之后，還要對土坡予以噴面處理，噴面的厚度以10cm為宜。第二，開挖深度到3.5m時，要開展水泥土攪拌樁作業。一般情況下，攪拌樁選用樁徑為850mm，標高3.5m，長度20m的規格，并且攪拌樁的間距要保持在6m左右。在本次的分析探討中，采用較為常見的普通硅酸鹽水泥作為水泥用料，要注意水泥參入量在土重的20%。此外，支護灌注樁和攪拌樁也需合理設置土釘，土釘的布置位置與上述相同。第三，當挖掘深度達到6m時，要開展樁錨支護工作，注漿材料為水泥，灌注樁的主筋等部分采用鋼筋材料，通過焊接的方式將需要連接的部位連接。

5.3 相關施工工藝

灌注樁的施工工藝有以下幾個問題需要注意：第一，灌注樁樁內主筋以焊接的方式連接，螺旋箍筋以綁扎的方式連接，箍筋和主筋的連接尤為重要，二者通過點焊的形式并且要保障點焊率在50%以上，確保連接的穩定性。第二，主筋的布置要注意鋼筋接頭以及布置形式。鋼筋接頭不宜過多，主筋要均勻并且沿著樁身展開布置。第三，間距的合理控制。合理布置主筋以及箍筋位置，保證其間距的合理性，鋼筋籠的直徑以及長度偏差也要得到合理設置。第四，二次注漿可以提高錨索穩定性，當強度到達15MPa時要及時鎖定。第五，嚴格控制樁位間的誤差，在搭接位置正確的情況下，保證樁位誤差在2cm內。第六，在開挖之前，合理設定土開挖方案，并且以分層開挖的施工方式為宜[4]。

6 深基坑樁錨支護施工的監測

基坑支護在施工之前，監測項目至少要測得兩次以上的穩定初始值，基坑監測的完成時間一般按照回填到標高執行[5]?；訌拈_始挖掘到挖至底部的時間，以及基坑監測完成所需時間，在這段時間內，觀測間隔時間通?？刂圃?d～15d，假如在這段時間內出現突發事件，可以減少監測間隔的時間，提高監測工作頻率。布置監測點的時候，監測點一般沿著基坑的周邊進行布置，尤其是在一些建筑物附近，監測點的距離要控制在20m范圍內?；颖O測點的數量通常在三個以上，保證角點以及中心點都有監測點，提高基坑監測的有效性，遇到問題時能夠快速反應。

7 結束語

綜上所述，在深基坑工程中應用樁錨支護技術，不僅可以提高工程的施工質量，也可以實現理想的施工效果。在具體的基坑項目中，基坑設計方案需得到有效的優化升級，并且根據工程項目的相關標準，展開實時的監測工作。在施工開展的過程中，需要嚴格把握施工質量，增強施工管理的力度，充分發揮樁錨支護結構的價值，避免深基坑工程施工過程中給周圍造成的不良影響。在研究錨樁支護設計和應用時，工程項目實踐將會有著更加廣闊的發展空間。