樁錨支護體系在成都深基坑工程中的應用

李育樞，譚建忠

(1.成都理工大學 地質災害防治與地質環(huán)境保護國家重點實驗室，成都 610059;2.成都四海巖土工程公司，成都 610041)

隨著成都市經(jīng)濟的快速發(fā)展，城市中心用地越來越緊張，建筑物深基坑數(shù)量迅速增多，目前最大深度已達35 m(在建的成都國際金融中心)，基坑支護問題顯得愈加突出。樁錨支護體系是將受拉桿件一端固定在開挖基坑側穩(wěn)定地層中，另一端與圍護樁相聯(lián)的一種擋土結構，在實際應用中表現(xiàn)出良好的安全性和經(jīng)濟性［1］，尤其適用于復雜施工場地的基坑工程。成都市中心區(qū)由于特定的砂卵石地層條件和基坑深度加大后對周邊變形的嚴格控制要求，樁錨支護方式已逐步開始在深基坑支護工程得到廣泛應用和推廣。

本文以成都某大型商住樓地下停車場深基坑工程為例，對樁錨支護體系進行了詳細分析和設計計算，并提出了設計施工中應注意的幾個問題，以供同類工程參考。

1 工程概況

1.1 基坑周邊環(huán)境

該商住樓工程位于成都市中心繁華地帶，地上32層，地下3層，擬采用筏板基礎，基坑開挖深度為16.0 m。基坑西北側有一棟7層和一棟3層建筑，東北側為兩棟7層建筑，均為省級機關的早期住宅樓;另兩側為繁華市政道路，管線密布。四棟住宅建筑均為預制樁基礎，樁基埋置深度均達地面以下7.0 m。已有建筑邊界線距基坑開挖線水平距離最近僅2.0 m。基坑平面布置及周邊環(huán)境如圖1所示。

圖1 基坑工程平面布置(單位:m)

1.2 場地地質條件

場地地形平坦，地貌屬岷江一級階地。從上往下依次為①第四系全新統(tǒng)人工填土層(Qml4)、②第四系全新統(tǒng)沖積層(Qal4)的粉質黏土、粉土、砂土和卵石土。其中①層以雜填或素填的黏性土夾少量磚頭、瓦塊及卵石為主，結構松散，層厚1.5～3.0 m，厚度變化較大，分布不均。②-1粉質黏土或粉土層，可塑，稍濕～濕，層厚1.2～3.0 m;②-2中粗砂層，松散 ～稍密，濕～稍濕，夾少量粉土團，部分泥質充填，層厚2.0～4.0 m;②-1、②-2層工程地質條件較差，為擬挖除地層。②-3砂卵石層，濕～飽和，磨圓度較好，稍密～密實，工程地質條件較好，是良好的持力層。

地下水以孔隙潛水為主，勘察期間實測地下水位埋深9.80～10.20 m，豐水期正常水位埋深 5.00～5.50 m。卵石土滲透系數(shù)K=22 m/d。

2 支護體系設計方案

基坑整體近似呈方形，東西長約51 m，南北寬約63 m，周邊長約230 m，基坑整體深度16.0 m。周邊緊鄰原有住宅建筑和市政道路繁華道路及管網(wǎng)設施。受場地限制，開挖必須嚴格控制周邊變形，同時施工工期要求非常緊。綜合以上因素，結合本地經(jīng)驗，采用了如下設計方案:

1)A-B-C段(鄰住宅側)。由于緊鄰已有建筑，變形控制嚴格，采用A型人工挖孔樁+兩道預應力錨索進行支護。C-D-A段(緊鄰市政道路側)。采用B型人工挖孔樁+兩道預應力錨索進行支護;

2)樁間土支護采用掛鋼筋網(wǎng)噴射混凝土，同時兼作止水帷幕。

3)A-B-C段第一道錨索支護施作之前的開挖過程中，根據(jù)實時監(jiān)測結果若臨近建筑物或地坪變形過大，局部動態(tài)加設注漿錨桿，以防止地面開裂。

3 樁錨支護體系設計及計算

3.1 設計參數(shù)

主要設計參數(shù)如下:

1)A-B-C段(鄰住宅側)圍護樁采用φ1 200 mm@2 000 mm人工挖孔樁;C-D-A段(鄰市政道路側)圍護樁采用φ 1 200 mm@2 500 mm人工挖孔樁，鋼筋混凝土護壁厚150 mm。樁長均為20.7 m，嵌固段長度5.0 m，樁主筋采用 18φ25 mm，箍筋 φ8 mm@200 mm。

2)考慮到基坑深度大、變形控制要求嚴格，沿樁豎向設兩道錨索，水平間距2.0 m，即一樁一錨;豎向深度分別設在-7 m和-10 m處。錨索與圍護樁間設鋼腰梁(2根［25a槽鋼)連接;樁間土采用掛鋼筋網(wǎng)噴射混凝土封閉。

圖2 樁錨支護結構剖面(A-B-C段)(單位:mm)

3)錨 孔 直 徑 130 mm，俯 角 15°，拉 桿 采 用4φ15.24 mm預應力錨索;注漿材料采用標號425水泥砂漿，水灰比0.38～0.50，強度等級M25。

4)為加強各樁整體協(xié)調性，樁頂設一道1 500 mm×750 mm冠梁，冠梁主筋采用14 mmφ18 mm，箍筋φ8 mm@200 mm。

其中A-B-C段(鄰住宅側)支護剖面見圖2。

3.2 支護體系計算

以對變形控制要求更為嚴格的A-B-C段(鄰住宅側)為例進行介紹。

3.2.1 計算參數(shù)

場地地層和計算參數(shù)如表1所示。

表1 土層計算參數(shù)

3.2.2 支護結構計算

樁錨體系結構采用逐層開挖錨拉力不變計算假定，按2層彈性支點法進行計算［1-2］，計算模式示意如圖3，支護結構水平位移及彎矩計算結果如圖4所示。

圖3 計算模式示意

圖4 支護結構位移及彎矩結算結果

挖孔樁長取20.7 m，嵌固段置于砂卵石層中，長度取5.0 m，基坑側壁重要性系數(shù)取1.1。結合現(xiàn)場實際條件，兩道錨索分別設置在-7 m和-10 m處，根據(jù)測算結果，水平力設計值分別取為

第一道錨索M1

第二道錨索M2

基坑抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)Kq為

Kq，滿足規(guī)范要求。其中，Eak為樁后主動土壓力之和;ak為Eak合力相對于彎矩零點的力臂;Epk為樁前被動土壓力之和、bk為Epk合力相對于彎矩零點的力臂;Tdi為水平支撐力、ai為各道水平支撐力相對于彎矩零點的力臂。

基坑整體抗滑穩(wěn)定性按瑞典條分法搜索潛在最危險滑面后進行計算:

Kh，滿足規(guī)范要求。其中，Wi為第i條塊的重量;ai為第 i條塊滑面傾角;Ci為第i條塊滑面內聚力;Li為第i條塊滑面長度。

3.2.3 錨桿計算

以第一道錨索為例，錨索水平拉力設計值為809 kN。

1)錨桿桿體截面積計算

式中，Td1為水平支撐力;fy為鋼絞線抗拉強度設計值;θ為錨索俯角。

錨索拉桿選用 φ15.2 mm鋼絞線，所需根數(shù) n=450.3/(1/4×3.14×15.22)=2.48根

抗拉選用4φ15.2 mm鋼絞線，安全系數(shù)為1.61。

2)錨桿長度計算

錨固段長度

式中，Nμ為錨桿承載力設計值;d為錨孔直徑;qsk為地層與錨固體黏結強度特征值，一般由現(xiàn)場試驗確定，本工程取230 kPa;la為錨固段長度;γs為錨桿軸向受拉抗力分項系數(shù)，按規(guī)定取1.3。

la=1.3×809/(cos15°×3.14×0.13×230)=11.4 m，取12 m。

自由端長度

式中，lf為錨索自由段長度;lt為錨桿錨頭中點至基坑底面以下基坑外側荷載標準值與基坑內側抗力標準值相等處的距離;φk為各層土層厚度加權內摩擦角標準值;θ為錨索俯角。

lf=8.2 ×sin(45°-0.5 ×28°)/sin(45°+0.5 ×28°+15°)=4.4 m，取 5 m。

同時考慮破裂面位置，最終錨索桿總長lf=12 m+5 m=17 m，拉桿材料采用4φ15.2 mm鋼絞線。同理，第二道錨索 M2總長取為14 m，錨固段長度為9 m，拉桿材料采用4φ15.2 mm鋼絞線。

3.2.4 腰梁設計與驗算

已有樁錨支護體系破壞案例分析［3］表明:由于錨桿承載力或樁體強度不夠導致圍護失效的情況很少見;而因為樁錨連接體系出現(xiàn)問題使得樁體側向荷載無法有效傳遞到地層深部并最終導致支護體系破壞的案例則較為常見。

因此，應該重視樁錨連接部位的設計和驗算。本設計采用圖5所示腰梁連接方式，每道錨索端部采用2根［25a槽鋼連接形成腰梁;采用規(guī)格為200 mm×200 mm、厚20 mm的方形Q235鋼墊板與兩槽鋼焊接，再外接張拉錨具。焊縫高度嚴格要求不小于8 mm。

圖5 錨索與腰梁連接示意

據(jù)文獻［1］，按腰梁與護壁樁及基坑壁緊密接觸考慮，一般可將腰梁視為受均布荷載作用的簡支梁體系進行計算，且結果偏安全。第一道腰梁(-7 m)，按均布荷載70 kPa，梁跨度2.0 m考慮，通過驗算，最大彎矩35 kN·m，最大剪力70 kPa，腰梁最大拉應力為61.7 MPa;而該型槽鋼抗拉強度設計值為235 MPa，焊縫按三級考慮，抗拉強度設計值為185 MPa，經(jīng)驗算均滿足要求。同樣第二道腰梁經(jīng)過驗算也滿足要求。

4 施工組織及施工監(jiān)測

2008年1月初開始降水井施工，地下水位深度始終控制在地面以下21 m左右;同年3月完成人工挖孔樁及冠梁施工［4-6］。由于樁間距最小僅為2.0 m，樁徑1.2 m，凈間距0.8 m，為防止混凝土竄孔并保證施工人員的安全，采用了跳樁開挖方式。2008年7月完成全部基坑開挖和錨索施工工作。期間在施工第一道錨索(1月24日至2月15日)前，A-B-C段局部由于周邊舊水管滲漏，大片浸水引發(fā)該段周圍地表沉降變形速率過快，導致地坪出現(xiàn)開裂，為此在該段基坑各邊中部、陽角等變形較大位置(-2.0 m深度)增加一排間距為2 m臨時注漿錨桿，長度保證進入臨近建筑樁基礎范圍1.0 m以上，以控制沉降變形。

由于地處鬧市區(qū)，施工過程中在樁頂冠梁、圍護樁以及基坑周邊建筑物和道路上共布置了12個位移監(jiān)測點和20個沉降監(jiān)測點。最終監(jiān)測結果表明:樁頂水平位移為1.4～20.0 mm，樁后地表沉降量為0.19～18.10 mm。其中，3#監(jiān)測點(26#圍護樁樁頂)水平位移量最大，12#監(jiān)測點(25#樁后地坪上)地表沉降量最大。圖6和圖7分別給出了3#監(jiān)測點的水平位移監(jiān)測曲線和12#監(jiān)測點的地表沉降監(jiān)測曲線。

圖6 3#監(jiān)測點(26#圍護樁樁頂)水平位移—時間監(jiān)測曲線

圖7 12#監(jiān)測點(25#樁后地坪上)地表沉降—時間曲線

由圖6、圖7中可看出，基坑開挖初期，樁頂位移和地表沉降均增長較快，約占最終總變形量的1/3～1/2;待第一道錨索全部施工完并施加預應力后(2月15日)，變形得到了很好的控制;隨著基坑進一步開挖，變形又開始逐步增長，在第二道錨索全部施工完并施加預應力后(4月2日)，變形再次得到控制;在4月下旬以后，隨著基坑挖至預定深度，樁頂水平位移和樁后地表沉降均逐步趨于平穩(wěn)。期間承受住了2008年“5.12”汶川特大地震考驗，兩者變形均出現(xiàn)小量跳躍，分別增加了2.0 mm和0.7 mm，并保持了繼續(xù)平穩(wěn)發(fā)展的趨勢。最終總變形均小于監(jiān)控報警值(取H/600，H為基坑開挖深度，根據(jù)地方經(jīng)驗考慮為 30 mm)，且地表未出現(xiàn)進一步的開裂，整體支護達到了預期效果。

5 結語

該商住樓地下停車場深基坑工程采用樁錨支護體系，成功地解決了周邊復雜場地條件下的支護問題，且經(jīng)受住了“5.12”汶川特大地震的考驗。

通過這一工程實例的實施，主要有以下認識:

1)樁錨索支護體系由于其良好的受力結構和靈活的錨點設置方式，在變形控制方面比懸臂樁具有明顯優(yōu)勢，在成都地區(qū)卵石地層的基坑支護中效果顯著，而且造價比純懸臂樁普遍節(jié)約20%左右，具有良好的推廣應用價值。

2)由于成都中心城區(qū)以砂卵石地層為主，地下水位較高，自立性較差，應做好基坑降水工作和地表水的防排導工作，特別應切實避免水管破裂漏水、綠化澆水、持續(xù)降雨等引發(fā)基坑周邊巖土體C和φ值大幅降低，使基坑局部變形過大甚至局部垮塌。

3)樁錨連接部位通常是樁錨支護體系最容易出現(xiàn)問題的環(huán)節(jié)，應重視樁與錨連接系統(tǒng)的設計驗算，嚴格按設計要求施工，避免連接強度不夠導致支護失效。

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