錨桿排樁基坑支護(hù)效果及其對周圍環(huán)境的影響

陳文玲，王振剛，魏美蓉

1.長安大學(xué)地質(zhì)工程與測繪學(xué)院，西安 7100542.長安大學(xué)西部地質(zhì)資源與地質(zhì)工程教育部重點(diǎn)實驗室，西安 7100543.長安大學(xué)國土資源部巖土工程開放研究實驗室，西安 7100544.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，西安 7100775.新疆金達(dá)鑫工程建設(shè)有限公司，新疆 庫爾勒 841000

錨桿排樁基坑支護(hù)效果及其對周圍環(huán)境的影響

陳文玲1，2，3，王振剛4，魏美蓉5

1.長安大學(xué)地質(zhì)工程與測繪學(xué)院，西安 710054
2.長安大學(xué)西部地質(zhì)資源與地質(zhì)工程教育部重點(diǎn)實驗室，西安 710054
3.長安大學(xué)國土資源部巖土工程開放研究實驗室，西安 710054
4.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，西安 710077
5.新疆金達(dá)鑫工程建設(shè)有限公司，新疆 庫爾勒 841000

利用理正深基坑軟件，以具體工程的一側(cè)基坑支護(hù)為例，分別改變錨桿預(yù)應(yīng)力大小、錨桿排數(shù)和土壓力調(diào)整系數(shù)，通過分析計算結(jié)果中位移、錨桿錨固段長度和鋼筋用量的變化來研究其對錨桿排樁基坑支護(hù)效果及其對周圍環(huán)境的影響。結(jié)果表明：對1排錨桿排樁，當(dāng)預(yù)應(yīng)力增加到一定值后，繼續(xù)增加預(yù)應(yīng)力值，對減小基坑位移的作用不大，但鋼筋用量卻會顯著增加；用2排錨桿排樁對變形控制的效果明顯，并且鋼筋用量和對周圍環(huán)境的影響均??；隨著土壓力調(diào)整系數(shù)的增加，基坑的位移、鋼筋用量都在增加。因此，選擇合適的土壓力調(diào)整系數(shù)，讓基坑發(fā)生適當(dāng)?shù)奈灰?，才能使計算中采用的主動土壓力和實際的土壓力接近，使設(shè)計的基坑支護(hù)穩(wěn)定可靠。

理正深基坑軟件；錨桿排樁；預(yù)應(yīng)力；基坑位移；鋼筋用量；土壓力調(diào)整系數(shù)

0 引言

隨著大量高層建筑的興建和地下空間的開發(fā)，基坑開挖深度越來越深，平面尺寸越來越大，并且與周圍已有建（構(gòu)）筑物的距離越來越近，對基坑進(jìn)行有效的支護(hù)才能保證地下結(jié)構(gòu)施工及基坑周邊建（構(gòu)）筑物、地下管線、道路的安全與正常使用周圍環(huán)境的安全?；庸こ淌鹿识喟l(fā)，不僅造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，而且影響城市人民正常生活。多數(shù)基坑工程事故的原因來自不合理的設(shè)計和施工，特別是來自不合理設(shè)計［1－2］。

在實踐中已發(fā)展排樁、地下連續(xù)墻、水泥土墻和土釘墻等多種基坑支護(hù)方式。阮永芬等［3］和張商根等［4］分別用灰色系統(tǒng)理論、模糊數(shù)學(xué)理論對深基坑支護(hù)方案的優(yōu)選進(jìn)行了研究。左秉旭等［5］、陳小惠［6］、劉秋芳［7］結(jié)合工程實際介紹了錨桿排樁在基坑支護(hù)中的應(yīng)用和施工質(zhì)量控制?；又ёo(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計計算的理論主要有等值梁法、彈性支點(diǎn)法以及有限元法。其中彈性支點(diǎn)法考慮了支點(diǎn)剛度及土體應(yīng)力與變形，能較好地預(yù)估支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形，并考慮變形計算結(jié)構(gòu)內(nèi)力，其計算結(jié)果更接近實際測試結(jié)果，因而得到了更為廣泛的應(yīng)用。《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》（JGJ120-2012）［8］規(guī)定擋土結(jié)構(gòu)宜采用平面桿系結(jié)構(gòu)彈性支點(diǎn)法進(jìn)行分析。理正深基坑軟件就是基于平面桿系結(jié)構(gòu)彈性支點(diǎn)法，利用有限元法編制的彈性桿系有限元法軟件。經(jīng)驗證明，其計算結(jié)果可靠，且簡單易學(xué)，操作方便，因而得到了相關(guān)專業(yè)人士的認(rèn)可，在基坑支護(hù)的設(shè)計計算中得到了廣泛的應(yīng)用。屠毓敏［9］、楊治國等［10］對理正軟件在土釘墻支護(hù)設(shè)計中的應(yīng)用進(jìn)行了研究。

筆者以理正深基坑軟件為試驗平臺，以錨桿排樁基坑支護(hù)方式為研究對象，通過改變錨桿排樁的設(shè)計參數(shù)，進(jìn)行一系列的數(shù)值試驗，來研究影響錨桿排樁基坑支護(hù)效果的主要影響因素及其影響規(guī)律，以期對類似工程的基坑支護(hù)設(shè)計和施工有一定的參考和指導(dǎo)作用。

1 彈性桿系有限元法

將作用樁墻上的支錨點(diǎn)簡化為彈簧，將基坑開挖面以下被動側(cè)土體簡化成水平向的彈簧，將主動側(cè)（全樁、全墻）的土壓力施加到樁墻之上。利用有限元即可得到其內(nèi)力及位移。彈性桿系有限元法計算原理簡圖見圖1。

圖1 彈性桿系有限元法計算原理簡圖Fig.1 Calculation theory of FEM for elastic bar system

彈性桿系有限元法分析支護(hù)結(jié)構(gòu)可按以下步驟［10］進(jìn)行：

1）結(jié)構(gòu)理想化。把支擋結(jié)構(gòu)的各個組成部分根據(jù)其結(jié)構(gòu)受力特性理想化為彈性地基梁單元。

2）結(jié)構(gòu)離散化。把支護(hù)結(jié)構(gòu)沿豎向劃分成有限個單元，將各單元邊界上的節(jié)點(diǎn)相連接。

3）支護(hù)結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)應(yīng)滿足變形協(xié)調(diào)條件，即節(jié)點(diǎn)的位移和聯(lián)結(jié)在同一節(jié)點(diǎn)的每個單元的位移是相互協(xié)調(diào)的，并取節(jié)點(diǎn)的位移為基本未知量。

4）單元所受荷載和單元節(jié)點(diǎn)位移之間的關(guān)系用單元剛度矩陣來確定，作用在結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)上的荷載和結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)位移之間的關(guān)系以結(jié)構(gòu)的總剛度矩陣來聯(lián)系，結(jié)構(gòu)的總剛度矩陣由各個單元的剛度矩陣變換得到。

5）根據(jù)靜力平衡條件，作用在結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的外荷載必須與單元內(nèi)荷載相平衡，單元內(nèi)荷載由未知節(jié)點(diǎn)位移和單元剛度矩陣得到。外荷載給定，可以求解未知的結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)位移，進(jìn)而得到單元內(nèi)力。豎向彈性長樁的水平抗力為結(jié)構(gòu)位移與水平抗力系數(shù)之積。

2 工程概況及基坑周邊環(huán)境

擬建場地規(guī)劃建一棟33層高層住宅樓，高層住宅樓下及擬建場地北部為地下室停車庫。采用鋼筋混凝土灌注樁基礎(chǔ)?；娱_挖深度約為6.9m。地下潛水位埋深于基坑底面以下約6.0m深度，方案中未考慮地下潛水的影響?；又ёo(hù)側(cè)壁安全等級為一級。

建設(shè)場地所處位置的周邊建筑物分布復(fù)雜，且周邊建筑物建筑時間比較久遠(yuǎn)，建筑物地基處理簡單，基礎(chǔ)埋深較淺。經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)查與走訪，場地周邊建筑物地基處理時均采用灰土換填的方式，灰土換填深度為1.0m左右，建筑物基礎(chǔ)位于灰土墊層之上，建筑物均未設(shè)置混凝土圈梁，建筑結(jié)構(gòu)為磚混框架結(jié)構(gòu)。

基坑?xùn)|臨2層村民房，該村民房墻體緊貼附近場地圍墻，基坑底面開挖線距場地圍墻僅1.95m。基坑周圍環(huán)境略圖見圖2。以這一側(cè)基坑為例，筆者對不同設(shè)計參數(shù)下錨桿排樁的支護(hù)效果進(jìn)行了研究。

3 試驗設(shè)計

對擬采用的錨桿排樁基坑支護(hù)方式，排樁的設(shè)計參數(shù)主要有排樁樁距和樁徑；預(yù)應(yīng)力錨桿的設(shè)計參數(shù)主要有錨桿水平間距、錨桿豎向間距、錨固段長度、錨桿傾角、預(yù)加應(yīng)力值。錨桿的這些設(shè)計參數(shù)中，錨桿水平間距、錨桿豎向間距和錨桿傾角是各自獨(dú)立的。

圖2 基坑周圍環(huán)境略圖Fig.2 Sketch of the foundation pit surroundings

本側(cè)基坑當(dāng)僅加1排錨桿時，通過計算發(fā)現(xiàn)，支護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移和豎向位移均超過規(guī)范允許的范圍。為了減小水平位移和豎向位移，使其滿足基坑的變形控制，一般通過給錨桿施加適當(dāng)?shù)念A(yù)應(yīng)力，但施加預(yù)應(yīng)力后，錨桿的錨固段長度會明顯增加；還可通過增加錨桿的排數(shù)來減小水平位移和豎向位移，此時由于多排錨桿來受拉，每排錨桿的錨固段長度都不長。下面的研究中將選擇不同的預(yù)應(yīng)力值和不同的錨桿排數(shù)，對其支護(hù)效果、鋼筋用量、施工難易程度進(jìn)行對比。

支護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移減小，排樁后的土壓力狀態(tài)就會隨著發(fā)生變化。土壓力理論中墻身位移和土壓力關(guān)系見圖3，根據(jù)文獻(xiàn)［11］繪出。只有當(dāng)排樁水平位移－Δ達(dá)到一定值時，排樁后土體才達(dá)到主動極限平衡狀態(tài)，此時作用在排樁上的土壓力最小，為主動土壓力。土體達(dá)到主動極限平衡狀態(tài)時所需的位移量見表1［10］。當(dāng)支擋結(jié)構(gòu)的水平位移減小時，土壓力值會比主動土壓力大。而彈性桿系有限元法中假定作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的土壓力為主動土壓力。為了使墻后土體的壓力值接近實際土壓力值，理正深基坑軟件中有一個土壓力調(diào)整系數(shù)。土壓力調(diào)整系數(shù)的取值主要靠設(shè)計人員的綜合判斷能力和當(dāng)?shù)貐^(qū)工程經(jīng)驗的積累。筆者將選擇不同的土壓力調(diào)整系數(shù)，研究其對支護(hù)效果、鋼筋用量、施工難易程度造成的影響。

圖3 墻身位移和土壓力關(guān)系Fig.3 Relation of wall displacement and soil pressure

表1 土達(dá)到主動極限平衡狀態(tài)時所需的位移量Table 1 Displacemnt needed for active ultimate balance state

4 結(jié)果分析

4.1 預(yù)應(yīng)力值改變的影響

加一排預(yù)應(yīng)力錨桿，支錨點(diǎn)位置在樁頂下2.0 m處。保持預(yù)應(yīng)力錨桿的水平間距2.4m不變，改變所施加的預(yù)應(yīng)力值，其對支護(hù)效果和鋼筋用量（表中為橫截面積，下同）的影響見表2。設(shè)計中采用的基坑場地巖土物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)見表3。

從表2可知，加50kN預(yù)應(yīng)力就可使水平位移和豎向位移顯著減少。但此時錨桿錨固段長度由6.0m增加到10.5m；錨桿鋼筋橫截面面積計算值由335mm2增加到666mm2；單根錨桿鋼筋體積計算值由4 020mm3增加到10 989mm3，增加了1.73倍；樁身縱筋計算值由1 829mm3增加到2 000 mm3。因此，施加預(yù)應(yīng)力后，隨著鋼筋用量明顯增加，錨桿工程造價也在提高；并且給每根鋼筋施加預(yù)應(yīng)力，也會增加施工時間。預(yù)應(yīng)力由50kN增加到80kN、100kN，水平位移和豎向位移并沒有明顯的減少，而錨固段長度和錨桿鋼筋計算值在不斷增加，故單根錨桿鋼筋體積計算值增加顯著?？梢?，當(dāng)預(yù)應(yīng)力達(dá)到一定值后，繼續(xù)增加預(yù)應(yīng)力對變形控制意義不大。4種預(yù)應(yīng)力值時，樁身縱筋計算值相差不大。

4.2 錨桿排數(shù)改變的影響

增加錨桿數(shù)量，對應(yīng)加2道腰梁可以更好地協(xié)調(diào)支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形。錨桿水平間距和錨桿傾角與加預(yù)應(yīng)力時一樣。因為基坑深度為6.9m，為避免群錨效應(yīng)，最多可加2排錨桿。2排錨桿均不施加預(yù)應(yīng)力。第1排錨桿的支錨點(diǎn)位置在樁頂下2.0m處；第2排錨桿和第1排錨桿的豎向距離為2.5m。錨桿排數(shù)改變對支護(hù)效果和鋼筋用量的影響見表4。

表2 預(yù)應(yīng)力值改變對支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響Table 2 Effect of value for pre-stress on the supporting construction

表3 基坑場地巖土物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)Table 3 Physical and mechanical properties indexes of soil in the foundation pit siteconstruction

計算得知2排錨桿錨固段長度僅為4.0m，根據(jù)《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》（JGJ120-2012）［8］規(guī)定，土層中的錨桿錨固段長度不宜小于6.0m，故取第2排錨桿的錨固段長度為6.0m。錨固段取6.0m時的單根錨桿鋼筋體積計算值見表4括號里的值。2排錨桿加在一起的單根鋼筋總體積6 312mm3，遠(yuǎn)小于加50kN預(yù)應(yīng)力時的單根錨桿鋼筋體積計算值（10 989mm3）。雖然加2排錨桿需要多加1圈腰梁，且增加鋼筋用量和施工時間，但當(dāng)采用型鋼組合腰梁時，腰梁可以回收再利用。預(yù)應(yīng)力為50kN時，錨桿的長度達(dá)到16.5m，有很長一段伸入周圍的土體中，當(dāng)周圍的建（構(gòu)）筑物距離較近或受周圍的基礎(chǔ)形式限制時，均不能采用；同時還影響周圍建（構(gòu)）筑物再建時的基坑開挖和基礎(chǔ)施工；并且錨桿越長，其施工難度越大，且施工質(zhì)量越難保證，因而影響到實際的支護(hù)效果。當(dāng)使用2排錨桿時：樁身縱筋計算值為1 696mm2，小于加50kN預(yù)應(yīng)力時的樁身縱筋計算值（2 000mm2）；并且加2排錨桿時樁的嵌固深度可顯著減小為1.38m。1排錨桿時樁的嵌固深度為6.00m。從對變形控制的效果來看，加2排錨桿后水平位移和豎向位移比1排錨桿時顯著減小。因此，從安全、造價、施工和對周圍環(huán)境影響的角度綜合考慮，建議采用2排錨桿的排樁。

4.3 土壓力調(diào)整系數(shù)改變的影響

分別對50、80kN預(yù)應(yīng)力的1排錨桿方案，改變土壓力調(diào)整系數(shù)，其對支護(hù)效果和鋼筋用量的影響見表5和表6。

從表5和表6可以看出，隨著土壓力調(diào)整系數(shù)的增加，除了自由段長度不變，表中的其他值基本上隨著土壓力調(diào)整系數(shù)的增加而增加。但是，根據(jù)圖3隨著排樁朝基坑內(nèi)側(cè)水平位移－Δ的增加，土壓力應(yīng)該越來越小，逐漸逼近理論的主動土壓力值。造成這種差異的原因在于，在彈性桿系有限元法的計算模型中，土壓力和水平位移并不是像圖中那樣直接建立聯(lián)系，而是間接建立聯(lián)系，即：首先，根據(jù)文克爾地基模型，排樁在基坑地面以下的水平抗力和排樁撓度成正比；然后，根據(jù)變形協(xié)調(diào)體條件，排樁的撓度就等于排樁對應(yīng)點(diǎn)的土體水平位移。當(dāng)主動土壓力增大時，排樁的撓度增加，所以土體水平位移增加。表5和表6中的計算結(jié)果表明，隨著土壓力調(diào)整系數(shù)的增加水平位移在不斷增加。

表4 錨桿排數(shù)改變對支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響Table 4 Effect of number for anchor line on the supporting construction

表5 土壓力影響系數(shù)改變對支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響（50kN預(yù)應(yīng)力）Table 5 Effect of adjustment parameter of soil pressure on the supporting construction（50kN pre-stress）

表6 土壓力影響系數(shù)改變對支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響（80kN預(yù)應(yīng)力）Table 6 Effect of adjustment parameter of soil pressure on the supporting construction（80kN pre-stress）

施加預(yù)應(yīng)力后，排樁的水平位移會減小，為了增加排樁水平位移，使發(fā)生的水平位移量和模型假定的主動土壓力狀態(tài)所需水平位移值更加接近，就需把土壓力調(diào)整系數(shù)增大。由于無法直接調(diào)整水平位移值，所以間接地通過土壓力體調(diào)整系數(shù)來調(diào)水平位移。調(diào)整土壓力的目的是使支擋結(jié)構(gòu)發(fā)生的水平位移達(dá)到支擋結(jié)構(gòu)后土體產(chǎn)生主動土壓力的水平位移量。調(diào)整時，對基坑以上土體達(dá)到主動極限狀態(tài)的水平位移量估計得越準(zhǔn)確，土壓力調(diào)整系數(shù)的取值就越合理。但當(dāng)土壓力調(diào)整系數(shù)取得較大時，作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的荷載就增加了，對支護(hù)結(jié)構(gòu)和錨桿的計算都會產(chǎn)生影響，從而影響工程造價。在實際應(yīng)用中，選擇合適的土壓力調(diào)整系數(shù)，既要考慮基坑的強(qiáng)度控制要求，又要考慮基坑的變形控制要求。對變形有嚴(yán)格要求的基坑，即變形控制的基坑，宜取較小的土壓力調(diào)整系數(shù)；對變形沒有嚴(yán)格要求的基坑，宜取較大的土壓力調(diào)整系數(shù)。

因此，作為設(shè)計人員需要不斷積累工程經(jīng)驗和提高綜合判斷能力。在基坑開挖過程中，當(dāng)發(fā)現(xiàn)基坑位移量和設(shè)計時相差很大時，施工方和設(shè)計方要及時溝通，修改設(shè)計，保證基坑工程安全。

5 結(jié)論與建議

1）當(dāng)預(yù)應(yīng)力達(dá)到一定值后，繼續(xù)增加預(yù)應(yīng)力對變形控制意義不大，但鋼筋用量會明顯增加。

2）在預(yù)應(yīng)力錨桿排樁支護(hù)方案設(shè)計時，應(yīng)合理確定土壓力調(diào)整系數(shù)。施加預(yù)應(yīng)力后，支護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移量減小，作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的實際土壓力比計算所取的主動土壓力值大。為了增加排樁水平位移，使發(fā)生的水平位移量和模型假定的主動土壓力狀態(tài)所需水平位移值更加接近，就需把土壓力調(diào)整系數(shù)增大。土壓力調(diào)整系數(shù)的合理確定依賴于當(dāng)?shù)毓こ探?jīng)驗的積累和設(shè)計人員的綜合判斷能力。

3）加2排錨桿排樁和加50kN預(yù)應(yīng)力的1排錨桿排樁的變形控制效果相差不大，但是2排錨桿排樁的錨固段長度和鋼筋用量顯著減小。從安全、經(jīng)濟(jì)、對周圍環(huán)境的影響和施工質(zhì)量四方面綜合考慮，應(yīng)選擇2排錨桿排樁方案。

4）設(shè)計、施工和監(jiān)測三方面密切配合，及時發(fā)現(xiàn)問題，解決問題，保證基坑工程安全。計算中假定支護(hù)結(jié)構(gòu)后面的土壓力為主動土壓力，為了使實際土壓力接近主動土壓力，需對支護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移進(jìn)行估計。當(dāng)施工、監(jiān)測中發(fā)現(xiàn)支護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移和估計不符時，施工方和設(shè)計方要及時溝通，分析原因，找出解決辦法。

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Xiong Zhibiao.Retaining and Protection of Building Foundation Excavations ［M ］. Beijing： China Architecture and Building Press，2008.

Effects of Anchor-Pile to Foundation Pit Support and Its Influences on the Surroundings

Chen Wenling1，2，3，Wang Zhengang4，Wei Meirong5

1.SchoolofGeologyEngineeringandGeomatics，Chang’anUniversity，Xi’an710054，China
2.KeyLaboratoryofWesternMineralResourcesandGeologicalEngineering，MinistryofEducation，Chang’anUniversity，Xi’an710054，China
3.OpenResearchLaboratoryofGeotechnicalEngineering，MinistryofLandandResources，Chang’anUniversity，Xi’an710054，China
4.Xi’anResearchInstitute，ChinaCoalTechnologyandEngineeringGroupCorp，Xi’an710077，China
5.XinjiangJindaxinEngineeringConstructionCo.Ltd，Korla841000，Xinjiang，China

Lizheng software for deep foundation pit was used to analyze one side of a real project.By changing the value of pre-stress，number of anchor line and adjusting the parameter of soil pressure，the change of displacement，lengthen of anchored part and steel consumption were calculated and analyzed to study the effects of anchor-pile in foundation pit support and its influences on the surroundings.Study results showed that for one line anchor-pile，when the pre-stress increases to a certain value，pre-stress increasing was no longer useful to decrease foundation displacement，but steel consumption would be increased obviously.Two lines of anchors without pre-stress had an obvious effect on foundation deformation control，and it led to less steel consumption and slight surroundings influence.Only by selecting aproper adjustment parameter of soil pressure，letting the foundation pit to form proper displacement，the active soil pressure adopted in calculation can be closed to the practical one and the design of foundation pit support can be stable and reliable.

Lizheng software for deep foundation pit；anchor-pile；pre-stress；displacement of foundation pit；steel consumption；adjustment parameter of soil pressure

10.13278/j.cnki.jjuese.201404204

P642.3

A

陳文玲，王振剛，魏美蓉.錨桿排樁基坑支護(hù)效果及其對周圍環(huán)境的影響.吉林大學(xué)學(xué)報：地球科學(xué)版，2014，44（4）：1269-1275.

10.13278/j.cnki.jjuese.201404204.

Chen Wenling，Wang Zhengang，Wei Meirong.Effects of Anchor-Pile to Foundation Pit Support and Its Influences on the Surroundings.Journal of Jilin University：Earth Science Edition，2014，44（4）：1269-1275.doi：10.13278/j.cnki.jjuese.201404204.

2013-11-07

國家自然科學(xué)基金項目（41102176）；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)項目（2013G1261056）

陳文玲（1974—，女，講師，博士，主要從事地質(zhì)工程教學(xué)與研究工作，E-mail：dcdgx22＠chd.edu.cn。