預應力短錨桿在深基坑工程中的應用

李賢軍，張曉明，曾海柏

（1.北京航天勘察設計研究院有限公司，北京100070；2.北京地礦工程建設有限責任公司，北京100093）

預應力短錨桿在深基坑工程中的應用

李賢軍1，張曉明2，曾海柏1

（1.北京航天勘察設計研究院有限公司，北京100070；2.北京地礦工程建設有限責任公司，北京100093）

北京市二環(huán)內(nèi)某工程緊鄰已有地上17層、地下2層居民住宅樓，最近處相距13.5 m，周邊環(huán)境復雜，開挖深度14.0 m；17層住宅樓2003年基坑開挖深度10.5 m，采用上部摘帽土釘墻，下部懸臂樁支護；常規(guī)基坑支護設計的難題是由于樓間距太小從而導致預應力錨桿長度不足。本工程設計時將常規(guī)錨桿拆分成預應力短錨桿，增加錨桿布設密度，改良基坑后巖土體，提高其整體性，限制基坑變形；施工中對坡頂水平位移、沉降、周邊樓座沉降、錨桿軸力、深層土體位移分別進行監(jiān)測。監(jiān)測數(shù)據(jù)表明：護坡樁樁身呈現(xiàn)懸臂樁傾斜特征，水平位移最大不超過5 mm，錨桿軸力監(jiān)測數(shù)據(jù)小于鎖定荷載，其它各項數(shù)據(jù)均正常；最終基坑成功實施，目前已經(jīng)回填完畢。本工程可供類似工程借鑒參考。

深基坑支護；短錨桿；變形監(jiān)測；位移

0　前言

隨著我國城市建設的縱深發(fā)展，新建建筑物越來越深，距離已有建筑物越來越近［1］。為了充分利用地下空間，已有建筑物周邊分布眾多的市政管線、燃氣、電纜等，新建建筑物基坑本身的安全、穩(wěn)定，基坑建設和作用過程中需保證周邊建筑物、道路及地下管線的正常使用，因此必須嚴格控制基坑變形［2］，這類難題是工程技術人員必須面對的。一般深基坑采用護坡樁［3-4］、地下連續(xù)墻等均需要施工錨桿［5-7］。受制于施工現(xiàn)場周邊環(huán)境限制，沒有足夠的空間施工錨桿，本文將常規(guī)錨桿拆分成“預應力短錨桿”，即通過加密短錨桿來替代常規(guī)錨桿平衡土壓力［8］，成功地應用于工程實踐中，在施工過程中對坡頂水平位移、沉降、周邊樓座沉降、錨桿軸力、深層土體位移進行數(shù)據(jù)監(jiān)測和分析，為類似工程提供借鑒。

1　工程概況

1.1工程地質(zhì)條件

根據(jù)勘察報告，結合現(xiàn)場踏勘，對勘察報告中的現(xiàn)場勘探、原位測試與室內(nèi)土工試驗成果的綜合分析，發(fā)現(xiàn)在巖土工程勘察的勘探深度范圍內(nèi)（最深50.00 m）的地層，按成因年代可劃分為人工堆積層、一般第四紀沉積層三大類，并按巖性及工程特性進一步劃分為9個大層及其亞層?，F(xiàn)分述如下：

①1雜填土。雜色，以粘質(zhì)粉土和粉質(zhì)粘土為主，含碎石、碎磚、灰渣、砼塊和草木根莖等，結構松散、不均，稍濕，層厚0～3.3 m。

①2素填土。黃褐色，以粘質(zhì)粉土和粉質(zhì)粘土為主，含灰渣和草木根莖等，結構松散、不均，稍濕，層厚0～3.8 m。

②粘質(zhì)粉土。褐黃色，含云母、氧化鐵等，土質(zhì)較均勻，濕，中密，中壓縮性，有粉質(zhì)粘土夾層或透鏡體，局部缺失，層厚0～3.30 m。

③1粉細砂。褐黃色，顆粒均勻，中密，濕，含云母、石英、長石，于場地不同部位以夾層或透鏡體形式存在，層厚0～0.80 m。

③中砂。褐黃色，含云母、石英、長石等，濕，密實，局部缺失，層厚0～2.9 m。

④粉質(zhì)粘土。褐黃色，顆粒均勻，含云母、氧化鐵等，濕—飽和，可塑，中高壓縮性，局部缺失，層厚0～3.2 m。

⑤細砂。褐黃色，含云母、石英、長石等，濕，密實，層厚1.8～3.7 m。

⑥粘質(zhì)粉土。褐黃—黃褐色，含云母、氧化鐵及粗砂粒等，局部夾粘土或粉質(zhì)粘土夾層，濕—飽和，密實，中低壓縮性—低壓縮性，局部缺失，層厚0～2.1 m。

⑦1細砂。褐黃色，含云母、長石等，濕—飽和，密實，局部缺失，層厚0～3.8 m。

⑦礫石。雜色，成分以火成巖為主，密實，飽和，一般粒徑0.5～2 cm，最大粒徑為5 cm，次圓形，細中砂充填，局部缺失，層厚0～1.7 m。

⑧細砂。褐黃色，含云母、石英、長石等，飽和，密實，于場地不同部位以夾層或透鏡體形式存在，層厚0～2.1m。

⑨卵石。雜色，成分以火成巖為主，密實，飽和，一般粒徑7～9 cm，最大粒徑為15 cm，次圓形，中粗砂充填，本次鉆探未揭穿該層，最大揭露厚度為37.60 m。

典型地層剖面見圖1。

基坑周邊巖土體的主要物理力學參數(shù)見表1。

1.2水文地質(zhì)簡述

根據(jù)勘察報告，勘探期間鉆探20 m范圍內(nèi)未揭露地下水。

根據(jù)收集的該地區(qū)水文資料可知，擬建工程場地歷年最高水位近自然地面（相當于標高41.0 m），近3～5 a最高地下水位標高約17.6 m，水位年變化幅度為1.0～2.0 m。

圖1　典型地層剖面Figure1　Typical strata profile

表1　基坑周邊巖土體的主要物理力學參數(shù)Table1　Main physical and mechanical parameters of foundation pit surrounding rock and soil bodies

由于地下水埋藏較深，地下水對基坑設計和施工無影響。

1.3基坑概況

擬建場地位于北京市宣武區(qū)右安門半步橋?；娱L約58 m，寬約54 m，開挖深度14.0 m。擬建建筑物與已有1#、2#、東側四層建筑物之間地面以下分布眾多的市政管線、電纜、燃氣管線，地面上停放眾多私家車，同時也是小區(qū)的主要通行道路（圖2）。

東側2#樓地上17層，地下二層，筏板基礎，2005年居民入住，當年基坑上部3.5 m采用土釘墻支護，下部7 m懸臂樁支護，坑深10.5 m，φ800 mm護坡樁，樁長15 m，嵌固深度8.0 m，肥槽0.8 m。南側1#樓地上19層，地下三層，筏板基礎，2000年居民入住，當年基坑采用土釘墻支護，坑深14 m，放坡比例為1∶0.3。東側四層建筑物基礎埋深2.7 m，60年代建成，磚混結構，條形基礎。北側、西側圍墻為二層樓房的居民區(qū)。

圖2　場地位置及變形監(jiān)測點平面布置圖Figure2　Sites locations and deformation monitoring points planar layout

2　基坑支護設計

2.1設計難點

擬建場地位于北京市二環(huán)以內(nèi)，場地周邊環(huán)境復雜，基坑北側、西側、東側局部地下地面4.0 m以下沒有障礙物，可以施工錨桿，所以該區(qū)域可以采用常規(guī)樁錨支護；基坑南側扣除肥槽寬度1.0 m，有17 m的施工空間，南側已有1#樓原基坑采用土釘墻施工，錨桿施工穿透土釘墻面層，采用常規(guī)樁錨支護也可以確保基坑安全。

圖3　擬建建筑物與原2#樓豎向剖面圖Figure3　Vertical profiles of proposed building and original building 2

東側靠近已有2#樓區(qū)域，扣除本次施工的肥槽0.8 m，原有2#樓施工時的肥槽0.8 m，2#樓護坡樁樁徑0.8 m（圖3），可施工的最大水平間距僅為：13.5-0.8×3=11.1 m，基坑開挖深度14.0 m，目前該類型基坑的設計關鍵點是控制基坑位移［9-10］變形，常規(guī)設計方案是內(nèi)支撐、地下連續(xù)墻、雙排樁。由于基坑長約58 m，寬約54 m，呈“L”型，內(nèi)支撐方案施工工期長、后續(xù)土方作業(yè)困難、造價高，大量混凝土構件無法重復使用，工程材料浪費大，因而首先被排除。地下連續(xù)墻施工需要大型機械設備，本工程位于居民區(qū)，周邊道路狹窄，施工所需大型機械無法進場，因而現(xiàn)場實際情況否決了地下連續(xù)墻方案。雙排樁方案本質(zhì)上就是懸臂樁原理，加上錨桿控制邊坡變形，從而實現(xiàn)基坑安全，由于兩樓間的水平間距限制，錨桿全部位于滑裂面以內(nèi)，為了控制邊坡的變形，確?；?、周邊建筑物［11］及鄰近通行道路的安全穩(wěn)定，必須施工長錨桿，因此雙排樁無實施可能。

2.2設計方案

針對本工程實際情況，常規(guī)設計方案無法實施，因此需創(chuàng)新支護方式，該部位基坑創(chuàng)新采用“預應力短錨桿”設計方案，即將常規(guī)長錨桿拆分成短錨桿，通過增加錨桿布設密度，起到改良基坑邊坡樁后巖土體，并提高其整體性的作用，限制基坑變形，從而保證基坑安全穩(wěn)定。

護坡樁樁徑φ1000 mm，樁長19.5 m，樁間距2.0 m，嵌固深度5.5 m，鋼筋籠配筋為17根Φ22 mm，加強筋為φ14 mm@2000 mm，螺旋筋為φ6.5 mm@ 200 mm。連梁1000 mm×600 mm，主筋為6根Φ22 mm 4根Φ14 mm（角點為4根Φ22 mm），箍筋為φ6.5 mm@200 mm，樁身混凝土強度等級為C25。護坡樁采用人工挖孔樁工藝，人工護壁厚度為100 mm，護壁強度等級為C20，混凝土內(nèi)配φ6.5間距300 mm盤條。

由于原2#樓導致無法施工長錨桿，最終采用預應力短錨桿，即采用短錨桿加密代替常規(guī)的錨桿，如圖3所示。布置四道錨桿，錨桿從上至下距離自然地面3.0、5.0、7.0和10.0 m，一樁一錨，自由段長度均為5 m，孔徑均為150 mm，錨桿入射角均為10°。前三道錨桿采用2根1860 MPa直徑15.2 mm的鋼絞線，第四道錨桿采用3根；錨桿鎖定荷載從上至下，依次為：100、150、200和350 kN。前三道錨桿腰梁采用雙拼22 b工字鋼，第四道采用雙拼25 b工字鋼。

3　預應力短錨桿基坑變形監(jiān)測分析

對已有2#樓布置6個樓座沉降觀測點，邊坡中間位置布置一組水平位移、沉降觀測點及一個深層土體位移觀測點，從上至下每層錨桿均布置一個錨桿軸力監(jiān)測點，位置如圖2。

3.1邊坡沉降觀測分析

本工程位于北京二環(huán)以內(nèi)，土方開挖速度較慢，再加上甲方原因，工程進度一直緩慢。該基坑馬道位于東南角，即預應力短錨桿支護段的南頭，由于馬道土方的支撐，反映到圖4上就是2014年8月6日至2015年1月6日沉降量基本小于1 mm；2015年1月6日至2015年3月6日由于春節(jié)期間暫停施工，沉降變形趨緩，反映到到圖4上就是一條近似“斜線”；2015年4月隨著馬道收口，沉降量迅速上升；2015年6月～2015年8月底板混凝土澆注完畢，沉降量隨后穩(wěn)定。

圖4　沉降時間—位移曲線圖Figure4　Settlement time-displacements curve

3.2水平位移觀測分析

隨著基坑開挖的進行，坡頂水平位移前期有顯著增長趨勢，但是由于馬道土方的支撐和預應力短錨桿的拉力作用，坡頂水平位移基本保持不變，2015年4月隨著馬道收口，馬道口處錨桿陸續(xù)施工，基坑到底，基坑水平位移迅速增長，但是基坑邊坡的整體水平位移量沒有超過5 mm（圖5），說明預應力短錨桿可以有效控制邊坡內(nèi)力，從而控制邊坡變形。

3.3東側2#樓沉降觀測分析

圖5　坡頂水平位移—時間曲線圖Figure5　Slope top horizontal displacements-time curve

隨著基坑開挖，周邊已有2#樓周邊各個觀測點的沉降量呈現(xiàn)振蕩趨勢（圖6）。從數(shù)據(jù)上來看：2#樓沉降基本穩(wěn)定，同時施工過程中周邊居民沒有反映有異常情況；原2#樓基底高程與本次基坑底面高差僅為3.5 m，所以本次基坑開挖對原2#樓的沉降變形影響不大。

3.4錨桿軸力觀測分析

通過圖7，可以發(fā)現(xiàn)第一層預應力短錨桿軸力隨時間增長，第二層、第三層預應力短錨桿緩慢增長，第四層常規(guī)錨桿后期被破壞，故第四層常規(guī)錨桿后期圖形不全；四層錨桿軸力初始監(jiān)測數(shù)據(jù)均遠小于鎖定荷載［12］。導致這一現(xiàn)象的可能原因：①錨桿張拉鎖定未按操作規(guī)程施工，錨桿張拉達到鎖定力就開始鎖定，未按設計要求進行“穩(wěn)定”；②錨桿鎖定后，預應力回彈損失；③錨桿監(jiān)測所用的軸力計設備沒有國家統(tǒng)一生產(chǎn)標準，都是由各個廠家制訂企業(yè)標準，設備本身可能有失準。施工現(xiàn)場，沒有用張拉鎖定設備與監(jiān)測所用軸力計進行互校，也沒有對鎖定后軸力衰減情況進行實時監(jiān)測，這是本工程監(jiān)測過程中的不足，因而無法確切分析監(jiān)測數(shù)據(jù)小于鎖定荷載的原因，但是從監(jiān)測圖形上，反映出錨桿軸力緩慢變化，處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖6　周邊樓座沉降—時間曲線圖Figure6　Surrounding building settlements-time curves

圖7　錨桿軸力時間曲線圖Figure7　Anchor rod shaft-loads-time curve

3.5深層土體位移觀測分析

為了真實反映護坡樁之繞曲狀況及地層深部位移情況，本工程采用綁扎方法將測斜管埋設于基坑中間護坡樁內(nèi)，測斜管使用PVC塑料管，直徑90 mm，管內(nèi)預設兩組相互垂直的縱向?qū)Р?，使用測斜儀探頭每米監(jiān)測一次位移量（圖8）。測斜儀的系統(tǒng)精度0.1 mm/m，分辨率0.02 mm/500 mm。

圖8　深層土體位移—深度曲線圖Figure8　Deep soil body displacements-depth curve

從圖8可以看出，變形整體上呈現(xiàn)懸臂樁傾斜特征［13］，變形隨時間整體上呈現(xiàn)“階梯狀”的增長規(guī)律［14］。

4　結論

基坑經(jīng)歷雨季、冬季考驗，目前基坑已經(jīng)回填完畢，基坑在土方開挖過程中、維護期內(nèi)均安全穩(wěn)定，無安全、質(zhì)量隱患。本工程實例表明：預應力短錨桿可以成功應用相鄰建筑物較近的深基坑，有效降低工程造價，控制邊坡位移；護坡樁樁身整體上呈現(xiàn)懸臂樁傾斜特征。本文的不足是沒有實時監(jiān)測錨桿鎖定后的軸力變化。

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Application of Prestressed Short Anchor Rod in Deep Foundation Pit Engineering

Li Xianjun1，Zhang Xiaoming2and Zeng Haibai1
（1.Beijing Aerospace Geotechnical Engineering Institute Co.Ltd.，Beijing 100070；2.Beijing G&M Engineering Construction Co.Ltd.，Beijing 100093）

A project inside the 2nd Ring Road，Beijing is close neighboring an existed residential building with 17 floors above the ground and 2 floors basement；nearest distance to that building 13.5m，surrounding environment is complex，and excavation depth 14.0m.That building had a foundation pit with depth 10.5m，excavated in 2005 with upper part uncapped soil nailing wall，lower part cantilever pile retaining.The nodus to use conventional foundation pit support design is building span too small caused prestressed an?chor rod insufficient length.This project design has splitting up conventional anchor rod into prestressed short anchors，increasing an?chor rod layout density；improving foundation pit hinder rock-soil body，intensifying its integrity，to limit foundation pit deformation. During the construction carried out monitoring on slope top horizontal displacement，settlement，surrounding buildings settlement，an?chor rod shaft-load，deep soil body displacement respectively.The monitoring data has shown that slope supporting piles present canti?lever pile tilting，maximum horizontal displacement not exceeding 5mm，anchor rod shaft-load less than locking load；other data are all normal.Finally，the foundation pit successfully implemented，and already back filled at present.The project can be a reference for simi?lar projects.

deep foundation pit support；short anchor rod；deformation monitoring；displacement

TU473.2

A

10.3969/j.issn.1674-1803.2016.10.12

1674-1803（2016）10-0053-05

李賢軍（1979—），男，碩士，高級工程師，注冊巖土工程師，一級建造師，從事巖土工程設計，施工工作。

2016-03-28

責任編輯：樊小舟