關(guān)于樁錨體系在深基坑支護設(shè)計中的幾點探討—以長沙某深基坑支護工程為例

劉運剛 劉金華 黃明艷 譚海林 肖豪

1 中化地質(zhì)礦山總局湖南地質(zhì)勘查院，湖南 長沙 410083

2 湖南化工地質(zhì)工程勘察院有限責(zé)任公司，湖南 長沙 410004

隨著城鎮(zhèn)化進程的增長，對地下空間的利用也提出了更高的要求，國內(nèi)外專家學(xué)者和工程人員對不同基坑支護結(jié)構(gòu)的理論和實際應(yīng)用做了大量研究并取得了豐碩的研究成果[1-6]。

本文主要以長沙某基坑工程為例，探討樁錨支護體系對基坑變形的影響。由于基坑支護工程具有區(qū)域性和差異性，基坑支護設(shè)計的精準變形量是難以精準確定的問題，目前在全國或行業(yè)內(nèi)很難有統(tǒng)一、定量的標準，需要設(shè)計人員根據(jù)項目區(qū)巖土地質(zhì)條件、周邊環(huán)境條件、工程自身特點及鄰近建筑物對變形的適應(yīng)能力等因素合理確定變形量控制標準[4-7]。同時，在基坑支護設(shè)計中，地基土的水平反力系數(shù)的比例系數(shù)m值的合理取值是影響計算結(jié)果的關(guān)鍵影響因素之一。現(xiàn)行《建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程》（JGJ120-2012）[8-12]對 m值的取值提出了三種方法：一是按樁的水平載荷試驗取值，二是按經(jīng)驗公式取值，三是按經(jīng)驗值取值。其中，按樁的水平載荷試驗取值最為準確，但試驗成本高，費時耗力，在勘察中通過此法得到m值的比較少，現(xiàn)階段主要是采用經(jīng)驗公式取值或經(jīng)驗值取值。故筆者以長沙某深基坑為工程背景，采用理正深基坑 7.0設(shè)計軟件進行設(shè)計，探討了設(shè)計階段影響計算變形量的因素，并結(jié)合工程實際確定了允許的變形量，最后對實際監(jiān)測數(shù)據(jù)與設(shè)計計算變形值進行對比驗證，所得結(jié)論以期為相關(guān)工程提供參考。

1 工程概況及設(shè)計參數(shù)確定

1.1 工程概況

本基坑位于湖南省長沙市天心區(qū)，基坑開挖深度在7.8～12.60m，本文重點研究西側(cè)的DE段。該段坑頂為小區(qū)出入道路和五層老舊住宅，基坑頂距離小區(qū)老舊建筑的距離約10m，基坑安全等級為一級，重要性系數(shù) γ0取值為 1.1，設(shè)計使用年限為一年，采用樁錨支護，樁徑1.0m，支護高度12.6m，嵌固深度7.7m，樁間距2.0m，采用3道預(yù)應(yīng)力錨索錨拉，錨索成孔直徑150mm，具體的支護剖面如圖1所示。

圖1 DE段支護剖面圖Fig.1 Support section of DE part

根據(jù)巖土工程勘察報告，各土層厚度如圖1地質(zhì)柱狀圖 JK24所示，地層主要有堅硬狀態(tài)的粉質(zhì)黏土，中密-密實狀的粗砂，中密狀的圓礫及強風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，各巖土層的設(shè)計參數(shù)如表1所示。場地地下水類型主要為埋藏在雜填土中的上層滯水及賦存于粗砂及圓礫中的潛水，上層滯水穩(wěn)定水位埋深5.9～6.9m，相當(dāng)于標高84.33～85.77m，潛水穩(wěn)定水位埋深9.0～12.4m，相當(dāng)于標高79.9～82.45m。

表1 各地層設(shè)計參數(shù)Table 1 Design parameter of rocks and soil layers

1.2 設(shè)計參數(shù)確定

1.2.1 荷載取值

其中道路荷載按 30kPa，住宅按 15kPa/層考慮，本設(shè)計的荷載距坑頂 10m范圍內(nèi)荷載取30kPa，距坑頂10～50m范圍內(nèi)荷載取75kPa。地下水位按不利原則考慮，外側(cè)水位深度取 0，粉質(zhì)黏土按水土合算，粗砂和圓礫按水土分算，采用二次壓力注漿。

1.2.2 m值確定

根據(jù)《建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程》[8]（JGJ 120-2012），土的水平反力系數(shù)的比例系數(shù) m 值的經(jīng)驗公式是根據(jù)大量實際工程的單樁水平載荷試驗確定，并根據(jù)統(tǒng)計原理建立了與土抗剪強度的聯(lián)系，具體如下：

式中：m-水平反力系數(shù)的比例系數(shù)；φ-土的內(nèi)摩擦角（°）；c-土的粘聚力（kpa）；υb-樁在坑底處的水平位移量（mm）。

值得一提的是，各個地方的巖土體物理力學(xué)性質(zhì)既有共性也有異性，純按經(jīng)驗公式計算取值離散性較大，若有樁的水平荷載試驗及地區(qū)經(jīng)驗時，宜優(yōu)先按照樁的水平荷載試驗及地區(qū)經(jīng)驗取值。本文采用強樁弱錨支護方案，根據(jù)勘察報告（地區(qū)經(jīng)驗）結(jié)合《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》[11]（GB50330-2013）中的m值進行試算對比，表2中第1行中的值為根據(jù)勘察報告所給參數(shù)而得到的值，第2行中的值為根據(jù)文獻[11]而得到的值（表2）。

表2 不同m取值對變形的影響Table 2 Comparison of deformation with different m value

從表2可知，根據(jù)地區(qū)經(jīng)驗的m值進行試算，其豎向沉降值為20mm，水平位移值為13.73mm，都較《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》[11]（GB50330-2013）的值小，m值與計算變形或位移也呈負相關(guān)性，m越大計算變形或位移越小。由此可見，m值對最大沉降和水平位移的計算較為敏感，在進行基坑支護設(shè)計中，應(yīng)根據(jù)巖土層性質(zhì)，結(jié)合地區(qū)工程經(jīng)驗，審慎確定m值，必要時可要求勘察單位進行補充說明。

2 方案選擇

2.1 變形對比分析

樁錨支護體系屬于超靜定結(jié)構(gòu)，其樁-土-錨是相互作用的，從力的平衡看，護壁樁與錨索共同承擔(dān)水土壓力；也正因為樁錨體系結(jié)構(gòu)受力合理、施工簡單靈活、變形控制有力、對土方施工影響較小等優(yōu)點，在深基坑工程中應(yīng)用較為廣泛[4-7]。但現(xiàn)階段的基坑設(shè)計理論尚不完善，計算出的變形量誤差較大，工程設(shè)計人員更需要重視積累地區(qū)經(jīng)驗和概念設(shè)計。本文結(jié)合場地工程地質(zhì)、水位地質(zhì)及周邊實際情況，對比分析了在不改變錨索的長度和傾角及其它設(shè)計參數(shù)，只改變錨索的排數(shù)時強樁弱錨、強錨弱樁兩種不同樁錨剛度開挖至最低標高時的計算變形量（表3）。由表3可知，在本工程中，強樁弱錨方案的最大沉降和水平位移小于強錨弱樁方案。

表3 不同樁錨剛度搭配的計算變形對比Table 3 Comparison of calculated deformation under the different stiffness of pile and anchor

2.2 造價對比分析

本段支護長度為 52.7m。強樁弱錨支護方案樁徑為1m、樁間距2m、樁長20.3m、錨索長21m、錨索豎向間距 3m（3排錨索，4Φ15.2），即該段采用強樁弱錨支護方案共需要26根樁、78根錨索，樁徑為1.0m的鉆孔灌注樁綜合單價為1600元/m，其中綜合單價包括材料費、機械費、人工費、綜合費，4Φ15.2綜合單價為160元/m，故其總造價約為875856萬元。

強錨弱樁支護方案樁徑為0.8m、樁間距1.6m、樁長20.3m、錨索長21m、錨索豎向間距2.5m（4排錨索，4Φ15.2），即該段采用強樁弱錨支護方案共需要33根樁、132根錨索，樁徑為0.8m的鉆孔灌注樁綜合單價為1380元/m，其中綜合單價包括材料費、機械費、人工費、綜合費，4Φ15.2綜合單價為160元/m，故其總造價約為824809萬元。

由此可知，強錨弱樁支護方案較強樁弱錨支護方案節(jié)約了約5.8%的成本，但造價總體區(qū)別不大，且在工程實際中，錨索容易失效，強樁弱錨方案會更安全。

3 變形監(jiān)測數(shù)據(jù)預(yù)警值的確立與對比

3.1 設(shè)計時變形量監(jiān)測控制標準

基坑工程監(jiān)測為基坑周邊環(huán)境中的建筑和各種設(shè)施的保護提供了依據(jù)，監(jiān)測時應(yīng)根據(jù)工程的特點選擇合理的變形監(jiān)測預(yù)警值就顯得十分重要，本段坑頂為小區(qū)道路和老舊住宅，其基礎(chǔ)型式為天然地基淺基礎(chǔ)、砌體承重的磚混結(jié)構(gòu)。根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》（GB50007-2011）[13]第 5.3.4條，砌體承重結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)允許的局部傾斜為0.002～0.003，考慮到小區(qū)道路和老舊住宅對差異沉降敏感，稍有不慎可能導(dǎo)致房屋和道路開裂，局部傾斜的限值取 0.002，由文獻[13]可知，傾斜是指基礎(chǔ)傾斜方向兩端點的沉降差與其距離的比值，選定了局部傾斜的限值，則可以根據(jù)公式（2）得出地表最大承降量的限值δlim，公式（3）可得出地表沉降計算范圍x0。

式中：x0-地表沉降計算范圍（m）；δlim-地表最大承降量的限值（mm）；H-基坑開挖深度（m）；D-基坑嵌固深度（m）；φ-支護結(jié)構(gòu)范圍內(nèi)土層的加權(quán)平均內(nèi)摩擦角（°）。

本項目的基坑支護高度為12.6m，基坑嵌固深度為 7.7m，土層的加權(quán)平均內(nèi)摩擦角為26.74°，故地表沉降計算范圍值x0=12.50m。地表最大沉降量的限值δlim=x0×局部傾斜限值=12.50m×0.002=0.025m=25mm，參考《建筑基坑工程監(jiān)測技術(shù)標準》（GB50497-2019）[14]，累計的樁頂豎向位移的監(jiān)測預(yù)警值為 20～30mm，與表2中的計算結(jié)果基本吻合，故本工程累計的樁頂豎向位移的監(jiān)測預(yù)警值取25mm。本設(shè)計采用理正深基坑軟件中彈性法計算的最大水平位移為 13.73mm，累計水平位移限制取上述規(guī)范的預(yù)警值 20～30mm較為合理，而根據(jù)本工程的實際情況，本工程累計水平位移的監(jiān)測預(yù)警值取20mm。

3.2 實際變形監(jiān)測數(shù)據(jù)

在距坑頂邊緣40m范圍內(nèi)設(shè)置樁頂監(jiān)測點3個，地表沉降監(jiān)測點8個。

根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，樁頂水平位移和豎向沉降數(shù)據(jù)如表4所示，計算最大沉降為20.00mm，計算水平位移 13.73mm，由表可知，實測水平位移和豎向沉降均小于其計算值，也未達變形預(yù)警值；這進一步說明了設(shè)計的合理性。

表4 樁頂水平位移與豎向沉降監(jiān)測值Table 4 Monitoring values of horizontal displacement and vertical settlement of pile top

4 結(jié)論

本文以長沙某深基坑為工程背景，探討了設(shè)計階段影響計算變形量的因素，并結(jié)合工程實際確定了允許的變形量，最后對實際監(jiān)測數(shù)據(jù)與設(shè)計計算變形值進行對比驗證，所得結(jié)論以期為相關(guān)工程提供參考。

（1）基坑開挖影響范圍內(nèi)存在對差異沉降敏感的建（構(gòu)）筑物，基坑支護結(jié)構(gòu)不僅應(yīng)穩(wěn)定控制，還應(yīng)按照變形控制來設(shè)計。

（2）基坑支護設(shè)計雖然采用理論計算，但更需要結(jié)合技術(shù)人員的經(jīng)驗及地區(qū)經(jīng)驗。在樁錨支護體系中，工程造價區(qū)別不大時，強樁弱錨的組合相較于強錨弱樁更能提高支護體系的安全性，減小支護體系的變形，降低對鄰近建筑物的影響。

（3）地基土的水平反力系數(shù)的比例系數(shù) m值對計算變形或位移較為敏感，m值與計算變形或位移呈負相關(guān)性，m越大，計算變形或位移越小，m值的取值需設(shè)計人員根據(jù)巖土層性質(zhì)，結(jié)合地區(qū)工程經(jīng)驗審慎確定，必要時可要求勘察單位進行補充說明。

（4）基坑工程監(jiān)測為基坑周邊環(huán)境中的建筑和各種設(shè)施的保護提供了依據(jù)，所以在設(shè)計時，設(shè)計人員應(yīng)根據(jù)工程的特點選擇合理的變形監(jiān)測預(yù)警值。