预应力锚索+排桩基坑支护技术简介

预应力锚索+排桩基坑支护技术简介

随着城市的高速发展，城市用地越来越紧缺，结合城市建设和改造开发大型地下空间已成为一种必然趋势，诸如高层建筑多层地下室、地下铁道及地下车站、地下道路、地下停车库等，基坑开挖深度也越来越深，因此基坑支护成为深基坑工程的重中之重。在兰州市安宁区金牛路西侧地下停车场基坑工程中，采用了预应力锚索+排桩支护技术。本文结合该工程对预应力锚索+排桩基坑支护技术及其工程应用进行了研究，取得的结论如下：

（1）通过布设预应力锚索可以有效地减小桩身的内力，锚索在作用过程中，打入锚索的位置附近桩身钢筋的应力减小，但在其他位置桩身钢筋的应力受锚索拉力的影响就比较小了。

（2）排桩的嵌固深度并不是越长越好，嵌固深度过长，并不可以改善它的受力情况。

关键词：深基坑；基坑支护；预应力锚索+排桩支护；工程应用；

1.1 选题依据

随着经济实力的提升，城市的发展越来越快，与此同时，城市也变得日渐拥挤，在城市里开发地下空间已经是一种必要的选择，比如高层建筑多层地下室、地下停车场、地下商场以及地下仓库等。目前地下空间的开发规模变得越来越大，例如近些年来上海市地下空间的开发面积越来越大，其中面积达到10~302410m ?的项目就有几十个；除了基坑面积日渐变大之外，基坑的开挖深度也变得越来越深，普通的基坑深度都在16~25m 以上，上海地铁四号线董家渡修复基坑的深度更是达到了41m 。这些大型基坑一般都位于城市的中心地带，基坑的周边往往布设着各种地下管线、各类建筑物、地铁隧道等各种地下构筑物，施工场地紧张、工期紧、施工条件复杂、地质条件复杂、周边设施环境保护要求高。这些问题给基坑工程的设计和施工带来的的难度非常大，重大恶性基坑事故不断发生，工程建设的安全问题越来越严峻[]1。

基坑的支护结构首先直接承受着基坑施工阶段的侧向土压力以及水压力，然后再把这些压力传递到支撑体系。在需要隔水的基坑工程中，当周边的支护结构不具备隔水功能时，需要在支护结构的外侧布设隔水帷幕。周边的支护结构与隔水帷幕共同形成基坑周边支护体系。

在基坑工程实践中周边围护结构形成了多种成熟的类型，每种类型都有各自的适用条件、工程经济性以及工期等方面的特点，怎样去选取周边的围护结构直接关系到基坑工程的安全性、工期以及造价，对每个基坑来说，它的规模、周围的环境、工程水文地质条件以及业主要求等也不尽相同，所以在基坑周边围护结构设计中需要依据每个工程的特点和各种围护结构的特点，综合考虑各种因素，合理选取周边围护结构的类型。

1.2 国内外研究现状

基坑工程的设计和施工需要具备土力学、结构力学、地基基础、原位测试等多种学科知识，而且还要具备丰富的工作经验，并且能够将拟建场地的土质与周围环境结合起来，才可以设计出合理经济的支护方案。在支护技术的发展过程中，支挡结构逐渐地向柔性锚固支挡的方向发展，在非饱和黄土地区，柔性支护结构在深基坑支护中的应用非常广泛，它可以通过稳定土体对不稳定土体进行加固，从而来保证支挡结构的稳定性，所以，这种支挡结构非常轻巧，受力性能比较好、所占用的空间也小、不会受到地下水的影响，适合做深基坑支护[]2。桩锚支护结构就是一种柔性支挡结构，它在非饱和黄土地区的深基坑工程中应用十分广泛，这种支护结构具有稳定性良好、安全性能高、施工比较方便等优点。根据基坑开挖深度和支挡结构的受力情况,可以将排桩支护分成如下几种：

(1)悬臂排桩支护结构：悬臂支护结构的受力特点是在开挖面以上没有任何支点力作用，其受力特点明确，适合用在土质条件比较好，挖深度不是很大的基坑支护中。

(2)单支点排桩支护结构：在基坑开挖深度比较深时，采用悬臂桩的话就不足以满足桩身强度与变形的要求，所以可以在桩顶附近布设一个支点（描杆或支撑）。

(3)多支点排桩支护结构：当基坑开挖深度较深时，可设置多个支点（描杆或支撑），用来减少柱身受力与变形。

排桩支护设计必须要满足安全性、经济性和可行性三项基本要求。这三项的关系是辩证统一的，它的原则是首先在满足安全和可行性的前提下，尽可能地节省工程造价。排桩支护结构的计算,主要包括墙体静力计算、支撑计算与基坑稳定性计算等[]3。下面是国内外学者对基坑支护工程的研究工作。

1.2.1 国内研究现状

基坑工程在我国开始的比较晚，上世纪70年代以前，国内开挖深度超过10 m 的基坑工程非常少，而且基坑周边环境也远远没有现在复杂。80年代以后，随着北京、上海、广州等地大量高层建筑的兴建，基坑支护工程也越来越多，基坑工程逐渐成为工程中的新热点并得到了快速发展。90年代以后,随着城市化进程的加快，渐渐的出现了比较复杂的深基坑工程，进一步地促进了基坑工程的研究与发展，并且出现了很多先进的设计方法与施工工艺。但是因为基坑工程的复杂性以及设计、施工的不当，工程事故的概率依然很高[]5,4。基坑工程方案的设计一方面依赖于大型有限元分析软件；另一方面依赖准确的土体参数，但是在常规的室内试验中想要准确的确定土体的应力应变参数非常困难，只有把室内试验和现场试验的监测结果联系起来才能科学的解决这一课题[]1。以下是对桩锚支护结构、嵌固深度、冠梁三个方面的国内学者的研究工作进行了回顾与总结。

(1)桩锚支护结构

夏永承等(2000)[]6通过支护桩上钢筋应力的实测值求得桩身弯矩分布，分析了支护桩的变形状态和坑底以上桩侧的土压力。结果显示出在支护结构正常工作的情况下，坑底以上桩侧土压力最大值在桩顶与锚杆之间，与朗肯或库伦土压力差别较大；冠梁不仅可以改变支护桩的变形状态，还会使桩身内力减小。

郭印等(2009)[]7根据桩描式支护桩钢筋应力和侧向位移的现场监测，分析了支护桩的内力和变形特性。监测结果显示：桩身弯矩随着基坑开挖深度的增加而增长，而且最大弯矩位置向下移动；预应力描杆的施加使桩身弯矩及桩身侧向位移明显减小；基坑测试段中部的桩身弯矩比其他部位桩身的弯矩值大，而且支护段中部的侧向位移最大；基坑开挖到基底后,桩身负弯矩的最大值发生在坑底内侧附近。

马海龙等(2010)[]8基坑坑顶水平位移随着开挖深度的增加线性增大，墙后土体的深层水平位移分布存在位移零点，而位移零点恰好出现在水泥土墙底附近。靠近地面的第一排桩铺受力最大，由于第一排桩销的屏蔽作用，分散了应力，从而以下的第二、第三、第四排桩锚的抗拔力增加不显著。

李华为等(2012)[]9通过对桩锚支护结构内力进行现场实测，研究了基坑开挖过程中坑顶地表沉降和水平位移随时间的变化过程、冠梁位移随时间的变化过程、支护桩的内力及桩侧土压力的演化与分布特征,提出了建立考虑“空间效应”、“土钉与桩描组合式支护结构共同作用”、“冠梁协调作用”以及“开挖和支护动态演化过程”的设计方法和理念。

朱桂春等(2012)[]10对武汉市东湖春树里基坑支护工程桩铺支护体系的结构受力及变形状况进行了ANSYS有限元数值模拟和分析，同时运用混合遗传算法

研究分析了基坑支护相关的参数和约束条件，并对项目中支护桩嵌固深度、支护桩桩径及桩间距、锚杆设计参数进行了优化。

武崇福等(2012)[]11通过对东北大学综合实验楼深基坑桩锚支护结构进行现场试验，研究分析了基坑开挖过程中桩侧土压力、钢筋应力及弯矩分布与变化规律；研究表明:桩身内力变化受基坑开挖和预应力错杆施加影响较大，通过桩身钢筋应力反算土压力与实测土压力分布及大小基本一致,实测土压力大小介于静止土压力和郎肯土压力之间。

(2)排桩嵌固深度

目前，排桩支护体系广泛应用于深基坑工程，但排桩嵌固深度的合理确定仍有待于进一步研究。排桩嵌固深度既是基坑坑底抗隆起稳定性的需要，也是保证支护结构具有足够的抗倾覆稳定性的需要。排桩嵌固深度的合理确定不仅直接影响支护结构计算结果的合理性，而且关系到最终工程量。众多学者提出了许多嵌固深度的计算方法与公式，相关计算软件也应运而生。但是，由于其计算原理不甚清楚，过程繁杂，其结果用于施工时，不可避免地造成一些工程事故。

詹素华(2007)[]12在采用弹性支点法预估位移的条件下，对按等值梁法和控制柱底位移两种方法分别确定的围护构件嵌固深度进行对比分析，发现《规程》推荐的等值梁法确定的内支撑的支撑力偏小，由此确定的嵌固深度明显大于按控制柱底位移法确定的嵌固深度。

傅志峰等(2011)[]13通过将地层结构视为确定性存在的前提下，考虑地基土力学性质的离散性，对规范中的不同方法给出了支护结构嵌固深度的取值范围，并发现当岩土性能降低时规范查表方法所确定的嵌固深度比显然较弹性法、圆弧滑动法和考虑横撑力的圆弧滑动法更为保守。

张深等(2012)[]14采用ANSYS有限元软件对悬臂式板桩进行了三维实体数值模拟，得出悬臂式板桩墙泥面处水平位移随着其嵌固深度的增加逐渐减小，达到某一数值后，随着嵌固深度的继续增加，其水平位移减小的趋势越来越小，且趋于稳定。

就目前关于支护桩嵌固深度的研究来看，嵌固深度的合理确定仍是一个难点，虽然开展了一定的研究，但主要基于理论计算和工程经验，偏重于数值计算，缺少相应的试验支持。针对不同支护形式下排桩嵌固深度的对比分析研究，目前文献还很少见到。

(3)冠梁

目前排桩在深基坑支护中应用十分广泛，在排桩支护结构设计时，排柱的顶部通常都要设置一道圈梁（又称连梁或锁口梁）。其设置也己写入《建筑基坑支护技术规程》JGJ120—2012[]15，桩顶冠梁是排桩围护体设计的重要组成部分，

应选择合理的构造形式，保证排桩支护体系具有足够的整体刚度，使排桩之间形成共同受力的稳定结构体系，从而达到限制桩体位移及保护周边设施的目的。但目前工程界在进行支护设计时并没有考虑冠梁的作用，而仅仅把冠梁作为一种安全储备；冠梁本身的尺寸和配筋很大程度上仍是凭经验或是直接按构造要求设计。关于冠梁的作用机理和设计方法，目前还没有比较统一的理论，对这个问题的研究也比较少。

莫海鸿等(2001)[]16采用弯曲剪切扭转有限元模式与杆系有限元增量法相结合分析圈梁效应，结果表明圈梁效应体现在显著增强支护体系刚度，减少支护体系变形并调整其内力分布。多支点支护时，圈梁效应与圈梁截面尺寸不存在线性递增关系。悬臂支护时，则圈梁效应与圈梁截面尺寸近似存在线性递增关系。

陈万祥等(2006)[]17根据圈梁对排桩的约束及变形协调将计算模型进行简化，给出了一种考虑圈梁与排披相互作用的便捷计算方法，并得出了圈梁作用下排桩式支护结构的内力分布与变化规律。

王建军等(2006)[]18通过在支护桩的冠梁内埋设钢筋应力计，对某深基坑冠梁内力进行现场测试。研究表明,冠梁是一个受弯构件，内力和弯矩值随基坑开挖进程不断变化，冠梁外侧两端受拉力作用，中间部位受压力作用；内侧两端受压力作用，中间受拉力作用。

就目前冠梁研究现状来看，基坑支护结构中应充分考虑排桩-冠梁-销杆之间的协同作用，这方面仍需进一步研究，从而指导设计和施工。

1.2.2 国外研究现状

早在上世纪40年代，Terzaghi和Peck等人通过对基坑工程中的岩土工程问题进行研究，提出了预估挖方稳定程度和支撑荷载大小的总应力法，这一理论经过许多改进与修正一直沿用至今；50年代Bjenium和Eide给出了分析深基坑底板隆起的方法；60年代开始在奥斯陆和墨西哥城软點土深基坑中使用仪器进行监测，此后大量的实测资料提高了预测的准确性，并从70年代起产生了相应的指导开挖的法规，在以后的时间里，世界各国的许多学者都投入研究，并不断地在这一领域取得丰硕成果；90年代以来，由于在城镇建设中，出现了大量的高层以及超高层建筑，深基坑工程变得越来越多，与此同时，由于受到周围密集的建筑物以及复杂的基坑类型的影响，基坑开挖的条件也变得更加复杂。因此，对基坑开挖与支护的计算与设计理论、施工技术等的要求也越来越高。

Long(2001)[]19通过对收集到的大量基坑工程中墙体和土体变形的实测资料进行分析，探讨了支撑刚度、开挖深度、坑底抗隆起稳定系数等对对基坑变形的影响，这对基坑变形研究具有积极的作用。

P.S.K. Ooi,T.L.Ramsey(2003)[]20通过测斜仪对施工现场支护结构进行现场测量，利用测得的实测数据绘制成位移曲线，并进行拟合得到曲率，最终得出了能

合理估算支护结构弯矩的计算方法。

1.3 研究内容

本文以兰州市安宁区金牛路西侧地下停车场基坑工程为背景，通过查找文献和实际工程为依据，理论结合实际，研究分析了预应力锚索+排桩支护技术及其工程应用。主要研究内容如下：

(1)桩锚支护技术理论，包括：桩锚支护结构构成、桩锚支护结构的受力情况以及桩锚支护结构的计算方法。

(2)桩锚支护结构在具体工程中的应用，以兰州市安宁区金牛路西侧地下停车场为工程依托，通过对实际数据整理和计算进行研究。