淺談深基坑工程中錨拉樁支護(hù)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

汪 旭（中國(guó)建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心廣西總隊(duì)，廣西 桂林 541002）

土木工程中，建筑物施工階段必然會(huì)涉及巖土工程，其中一方面就是基坑工程，基坑支護(hù)則是基坑工程中的關(guān)鍵步驟。而巖土工程本身具有不確定性的特點(diǎn)，使巖土工程在施工過(guò)程中始終存在安全隱患，若設(shè)計(jì)安全儲(chǔ)備不足，又與惡劣環(huán)境疊加，使施工中更易發(fā)生工程事故，給工程各方帶來(lái)?yè)p失，所以，為了使地下工程安全施工和滿足施工質(zhì)量，必須充分了解基坑工程特性，特別是支護(hù)措施的選擇和使用，從而保證工程的整體質(zhì)量。本文通過(guò)護(hù)壁樁的方案分析必選，并結(jié)合工程案例，對(duì)錨拉樁進(jìn)行設(shè)計(jì)與探討。

1 懸臂樁與錨拉樁支護(hù)原理分析

懸臂樁支護(hù)結(jié)構(gòu)是采用排樁作為擋土結(jié)構(gòu)，無(wú)側(cè)向支撐，依靠足夠的入土深度和結(jié)構(gòu)的抗彎能力來(lái)維持整體穩(wěn)定和結(jié)構(gòu)安全[1]。懸臂樁力學(xué)模型為靜定結(jié)構(gòu)，僅嵌固端提供抗力，抵消荷載作用。

錨拉樁是在排樁的基礎(chǔ)上添加一個(gè)或者多個(gè)側(cè)向支撐，力學(xué)模型由靜定結(jié)構(gòu)變成一次到多次超靜定結(jié)構(gòu)，支撐的作用使該位置位移顯著減小，結(jié)構(gòu)內(nèi)力重分布，最大位移量降低，見(jiàn)圖1。

圖1 懸臂樁與錨拉樁撓度曲線分析圖

根據(jù)樁的力學(xué)模型及前人的推導(dǎo)[3-4]不難發(fā)現(xiàn)，懸臂樁上的最大位移大于錨拉樁，單支點(diǎn)錨拉樁最大位移不大于多支點(diǎn)錨拉樁。由于樁撓度與其側(cè)向支點(diǎn)間距的n次冪成正比，因此減小側(cè)向支點(diǎn)間距或者增加側(cè)向支點(diǎn)數(shù)量是減小樁最大位移的有效方法。

在錨拉樁工程中，若錨索布置層數(shù)過(guò)多，會(huì)形成群錨效應(yīng)，對(duì)錨索的錨固能力削弱，錨索材料不能得到充分利用。再者實(shí)際工程中，允許護(hù)壁樁發(fā)生位移，但需在限制范圍內(nèi)。故錨拉樁設(shè)計(jì)需要結(jié)合多種因素進(jìn)行分析，選擇合理的錨拉層數(shù)。接下來(lái)通過(guò)工程實(shí)例介紹錨拉樁的設(shè)計(jì)思路。

2 工程概況

本場(chǎng)地主要為某市擬建辦公樓及配套設(shè)施[2]，辦公樓地上17層及地下2層，框架剪力墻結(jié)構(gòu)，裙樓2層，框架結(jié)構(gòu)。場(chǎng)地西北角和東南角為地下室出入口，辦公樓周邊設(shè)有道路通道、地面停車位及景觀綠化。

本項(xiàng)目設(shè)2 層地下室，擬建基坑底投影面積5841.61m2,支護(hù)底周長(zhǎng)308.73m,基坑相對(duì)深度約為9.4m。根據(jù)規(guī)范[4]確定支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全等級(jí)為一級(jí)。

3 工程地質(zhì)條件

據(jù)鉆探揭露資料，場(chǎng)地內(nèi)巖土層按其成因及物理力學(xué)性質(zhì)差異自上而下分為：人工填土層（Q4ml）、第四系沖積層（Q4al）、第四系殘積層（Q4el），及上第三系基巖（N）四大單元層。由新至老分述如下：

3.1 人工填土層（Q4ml）

素填土（層序號(hào)1）:場(chǎng)區(qū)內(nèi)鉆孔均有分布，灰褐色、黃褐色，濕，松散狀，主要由黏性土組成，局部由少量碎石塊、磚塊、混凝土塊等建筑垃圾回填而成，部分地段頂部0.20m為混凝土，為新近人工堆填（堆填時(shí)間約2～4 年）。層厚0.60m～3.10m，平均1.72m；層頂標(biāo)高3.90m～4.74m，平均4.29m；層頂埋深均為0.00m。

3.2 第四系沖積層(Q4al)

淤泥（層序號(hào)2-2）:少量分布，場(chǎng)區(qū)內(nèi)僅ZK4 孔有分布，深灰色，灰黑色，飽和，流～軟塑狀，以黏粒為主，含有機(jī)質(zhì)及粉細(xì)砂。層厚2.30m；層頂標(biāo)高2.31m；層頂埋深1.90m。

黏土（層序號(hào)2-3）:局部分布，場(chǎng)區(qū)內(nèi)于ZK1～ZK3、ZK7、ZK12、ZK17、ZK20共7孔有分布，灰色、灰黃色，濕，軟塑，以黏粒為主，次為粉粒，含較多粉細(xì)砂，干強(qiáng)度較差。層厚0.40m～1.50m，平均0.97m；層頂標(biāo)高1.98m～3.21m，平均2.53m；層頂埋深0.90m～2.60m，平均1.80m。

細(xì)砂（層序號(hào)2-3）:局部分布，場(chǎng)區(qū)內(nèi)于ZK3、ZK4、ZK9～ZK11、ZK14～ZK17、ZK19、ZK20共11孔有分布，灰色、黃褐色，飽和，松散狀為主，局部稍密，主要成分為石英細(xì)砂顆粒，局部含少量黏粒及淤泥質(zhì)，部分夾有中砂粒，級(jí)配較差，分選性一般。層厚1.50m～4.20m，平均2.95m；層頂標(biāo)高0.01m～3.9m，平均2.3m；層頂埋深0.60m～4.20m，平均1.99m。

粉質(zhì)黏土（層序號(hào)2-4）:廣泛分布，場(chǎng)區(qū)內(nèi)ZK1、ZK5、ZK6、ZK8、ZK10、ZK13～ZK20 共13 孔有分布，黃褐色、褐紅色、灰色，濕，可塑狀為主，主要由粉粘粒組成，含少量砂粒，干強(qiáng)度較高。層厚1.10m～7.70m，平均3.78m；層頂標(biāo)高-1.01m～2.52m，平均0.91m；層頂埋深1.80m～5.60m，平均3.38m。

3.3 第四系殘積層（Q4el）

粉質(zhì)黏土（層序號(hào)3）:局部分布，場(chǎng)區(qū)內(nèi)于ZK1～ZK8，ZK10～ZK14、ZK16、ZK18～ZK20共11孔有分布，棕紅色、淺紅色，濕，硬塑，為泥質(zhì)粉砂巖風(fēng)化殘積土，主要由粉黏粒組成，含砂，局部含風(fēng)化礫石，遇水易軟化。層厚1.10m～4.60m，平均2.58m；層頂標(biāo)高-7.09m～2.01m，平均-1.55m；層頂埋深2.10m～11.50m，平均5.84m。

3.4 上第三系基巖（N）

全風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖（層序號(hào)4-1）:局部分布，場(chǎng)地內(nèi)于ZK2、ZK6、ZK8、ZK10、ZK11、ZK12、ZK14、ZK15、ZK16共9孔有揭露，黃褐色、黃色，原巖結(jié)構(gòu)尚可辨認(rèn)，巖石已風(fēng)化成堅(jiān)硬土狀，浸水易軟化。層厚1.30m～5.50m，平均3.40m；層頂標(biāo)高-3.80m～-0.46m，平均-2.11m；層頂埋深4.90m～8.30m，平均6.42m。

強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖（層序號(hào)4-2）:場(chǎng)地內(nèi)各孔均有揭露，棕紅色、淺紅色，巖石已風(fēng)化成半巖半土狀，巖塊手可掰開(kāi)，裂隙發(fā)育，浸水易軟化，干鉆難鉆進(jìn)，局部不均勻夾較多中風(fēng)化巖塊。揭露厚度4.10m～18.50m，平均11.44m；層頂標(biāo)高-9.79m～-2.36m，平均-5.70m；層頂埋深7.10m～14.20m，平均9.98m。

中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖（層序號(hào)4-3）:場(chǎng)地內(nèi)鉆孔均有揭露，棕紅色、淺紅色，巖芯呈短柱狀、長(zhǎng)柱狀，泥質(zhì)膠結(jié)，層狀構(gòu)造，曬干或風(fēng)干后易開(kāi)裂，合金鉆頭鉆進(jìn)緩慢。揭露厚度3.00m～8.75m，平均5.84m；層頂標(biāo)高-24.71m～-11.18m，平均-17.14m；層頂埋深15.30m～29.30m，平均21.43m。

場(chǎng)地地層物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)取值見(jiàn)表1。

表1 場(chǎng)地地層物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)取值

場(chǎng)地與鉆孔平面位置如圖1所示。

圖1 場(chǎng)地與鉆孔平面位置圖

4 錨拉樁設(shè)計(jì)計(jì)算

通過(guò)上述工程背景及土工參數(shù)，根據(jù)規(guī)范[4]規(guī)定，錨拉樁需要進(jìn)行整體穩(wěn)定性驗(yàn)算、隆起穩(wěn)定性驗(yàn)算和滲透穩(wěn)定性驗(yàn)算。計(jì)算模型如圖2所示。

圖2 錨拉樁計(jì)算模型

基坑深度9.4m，嵌固深度7.1m，樁長(zhǎng)16.5m，采用圓形鋼筋混凝土樁，直徑0.8m，樁間距1.6m，樁頂設(shè)冠梁，（b×h=0.9m×0.6m），混凝土強(qiáng)度等級(jí)均為C30。地下水埋深1.2m，基坑采用降水措施使基坑部位地下水降至地面以下11m處。

本工程錨拉樁采用兩道錨索，錨索設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 錨索設(shè)計(jì)參數(shù)

4.1 錨索計(jì)算

根據(jù)規(guī)范[4]公式進(jìn)行錨索設(shè)計(jì)計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 錨索計(jì)算結(jié)果

4.2 整體穩(wěn)定性驗(yàn)算

采用圓弧滑動(dòng)條分法進(jìn)行計(jì)算。公式如下：

經(jīng)過(guò)理正基坑軟件計(jì)算，最不利滑裂面為圓心坐標(biāo)X=-1.251m，Y=10.896m，半徑R=18.112m；整體穩(wěn)定安全系數(shù)Ks=2.287。

4.3 抗傾覆穩(wěn)定性驗(yàn)算

抗傾覆穩(wěn)定性按下式計(jì)算。

Mp-被動(dòng)土壓力及支點(diǎn)力對(duì)樁底的抗傾覆彎矩,對(duì)于內(nèi)支撐支點(diǎn)力由內(nèi)支撐抗壓力決定;對(duì)于錨桿或錨索，支點(diǎn)力為錨桿或錨索的錨固力和抗拉力的較小值。

Ma-主動(dòng)土壓力對(duì)樁底的傾覆彎矩。

當(dāng)基坑開(kāi)挖至設(shè)計(jì)深度時(shí)，基坑壁處于最不利狀態(tài)，經(jīng)計(jì)算抗傾覆安全系數(shù)Ks=2.695。

4.4 抗隆起穩(wěn)定性驗(yàn)算

（1）從錨拉樁支護(hù)底部開(kāi)始，逐層驗(yàn)算抗隆起穩(wěn)定性，公式如下：

結(jié)果如圖4所示，Rh2-S誘導(dǎo)K562和KG1a細(xì)胞24 h后，與對(duì)照組比較，促凋亡蛋白Bax與抑凋亡蛋白Bcl-2的比值增加；周期蛋白Cyclin D1表達(dá)水平降低（P＜0.05）。說(shuō)明Rh2-S可以促進(jìn)K562和KG1a細(xì)胞凋亡，并有效阻滯細(xì)胞周期。

經(jīng)計(jì)算，錨拉樁支護(hù)底部抗隆起穩(wěn)定性系數(shù)為Ks=7.073≥1.800。

（2）坑底抗隆起按以最下層支點(diǎn)為轉(zhuǎn)動(dòng)軸心的圓弧條分法計(jì)算，公式如下：

最下層支點(diǎn)為轉(zhuǎn)動(dòng)軸心計(jì)算抗隆起穩(wěn)定系數(shù)為Ks=2.474≥2.200。

通過(guò)上述計(jì)算，錨拉樁支護(hù)穩(wěn)定性滿足要求，再進(jìn)行樁和冠梁的內(nèi)力計(jì)算和配筋，即完成錨拉樁的設(shè)計(jì)。

5 工程監(jiān)測(cè)

在基坑支護(hù)工程中，應(yīng)在支護(hù)結(jié)構(gòu)、周邊地面和建筑上布置監(jiān)測(cè)措施，實(shí)時(shí)監(jiān)控支護(hù)工程的變形動(dòng)態(tài)，檢驗(yàn)支護(hù)措施的效果，同時(shí)為今后基坑變形監(jiān)測(cè)和預(yù)警提供依據(jù)[6]。

針對(duì)錨拉樁布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)有樁頂位移監(jiān)測(cè)，坡頂土體沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)，周邊建筑物、道路變形觀測(cè)點(diǎn)，錨索應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)，地下水位觀測(cè)點(diǎn)等。

工程中派專人進(jìn)行變形觀測(cè)，定期巡查，超前預(yù)報(bào)，主要以全站儀量測(cè)、計(jì)算為主。在降雨過(guò)后應(yīng)加密基坑巡視、觀測(cè)次數(shù)，判斷是否有超限的變形或位移。若發(fā)現(xiàn)基坑壁出現(xiàn)宏觀變形或支擋結(jié)構(gòu)有明顯位移變形，應(yīng)迅速上報(bào)并采取妥善處理，確保基坑內(nèi)的設(shè)施和人員的安全。

本工程基坑監(jiān)測(cè)全過(guò)程中發(fā)現(xiàn)基坑壁和支護(hù)結(jié)構(gòu)均出現(xiàn)過(guò)變形位移，但均滿足規(guī)范限制。

6 結(jié)語(yǔ)

回顧本項(xiàng)目，通過(guò)錨拉樁支護(hù)深基坑的方案是確實(shí)可行的?；又ёo(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)滿足規(guī)范要求的同時(shí)，也要考慮方案的可行性和經(jīng)濟(jì)性[7]，以此保障深基坑支護(hù)工程的安全和設(shè)計(jì)的合理，結(jié)合全面的監(jiān)測(cè)措施，促使基坑工程安全開(kāi)展，以達(dá)到高質(zhì)量地完成地下工程的目的。本文為錨拉樁在深基坑支護(hù)工程中的應(yīng)用提供了實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)及參考依據(jù)。