桩锚支护结构在深厚砂层基坑中的应用分析

乐生煊，林祯杰，吴能森，庄铃强

(福建农林大学 交通与土木工程学院，福建 福州 350002)

随着地下基础建设研究的不断深入，SMW工法的出现对于沿海地区地下空间开发与利用起到了重要的作用，具有支挡、止水、成本低、地下空间利用率高的优点。单一打桩、喷锚等支护结构已无法满足深大基坑的建设要求，采用桩锚联合支护在深开挖基坑的变形位移控制上有更好的效果。锚索与SMW工法桩结合使用，充分发挥了锚索支护不影响坑内作业空间的优势，利用锚索反拉支撑作用，有效减小桩身位移变形，技术与经济优势兼备。

对锚索与SMW工法桩联合支护在软土基坑中的应用研究已经取得了许多研究成果，如刘新荣等利用现场试验与数值模型相结合的方法，分析了锚索预应力在一次张拉和分布张拉不同方案下支护结构的变化规律，研究表明采取分布张拉控制措施能有效提高围护效果；
楼春晖等针对某超长基坑工程实例，对围护结构的变形进行系统分析，表明将锚索与SMW工法桩联合支护应用于软土基坑工程，限制变形效果良好；
朱志鹏、吴斌等对不同地区软土基坑工程，采用SMW工法桩+锚杆进行支护，通过有限元建模分析，结合监测数据的对比分析，均表明软土基坑采用SMW工法桩与锚杆联合支护，可以取得良好的技术经济效果。可是，在以非软土为主的深厚砂层基坑工程中，目前锚索与SMW工法桩联合支护的研究较少。为此，依托福建滨海某深厚砂层深基坑工程，通过原位监测和软件模拟相结合的方式，对锚索与SMW工法桩联合支护结构的应用效果进行研究分析。

该工程项目位于福建省福州市高新区安置房小区，主体为7幢27层框剪结构居民楼，拟建项目有两层地下室，自然地面标高为-0.800 m，负一层地下室楼面标高为-5.500 m，负二层地下室的楼面标高为-9.700 m，地下室结构底面标高为-10.400 m，地下室总开挖面积约34 400 m。基坑北侧、西南侧均与道路相邻，路基埋有地下管线，东南侧为12层已建住宅小区，基坑安全等级为一级。

1.1 场地工程地质条件

根据勘察报告，场地土层自上而下分布如下：①粉质黏土，成分以粘粒及粉粒为主，强度与韧性较好，层厚为0.9～3.4 m；
②中砂，成分以石英-长岩和石质结构为主，粒径相对较大，场地分布普遍，且厚度大，层厚为12.1～20.6 m；
③淤泥夹薄层细砂，成分以黏粒、粉粒为主，夹薄层粉细砂，层厚为1.65～6.8 m；
④粉质黏土，成分以黏粒、粉粒为主，含少量的黏土和砂，坡积成因，层厚为1.70～4.90 m。场地中砂层中富存大量潜水，稳定水位埋深为3.40～3.90 m。各土层的物理力学指标如表1所示。

表1 土层物理力学指标

图1 基坑典型支护断面

1.2 基坑支护方案

考虑本工程场地中砂层分布范围广且厚度较大，可以为锚索提供足够的锚固力，且场地周边相对开阔，为给地下室结构施工提供充分的工作面，提高工效并节省基坑支护费用，拟采用预应力锚索配合SMW工法桩进行基坑支护。

SMW工法桩的直径为800 mm，搭接200 mm，以“插二跳一”的方式布置H型钢水泥搅拌桩。锚索采用可拆卸式预应力锚索，分别于标高1.74 m、2.45 m、2.9 m安装三道预应力锚索，锚索预应力皆为130 kN，锚孔向下的倾斜角为25°，三道锚索的自由段长度自上至下分别为6 m、4 m、4 m，锚固段长度分别为15 m、12 m、12 m。为节省支护结构工程量，上部1.5 m做1∶1.0放坡，基坑的典型支护断面如图1所示。

2.1 建模及开挖工况

越来越多专家学者通过有限元建模来解决大型深基坑开挖过程中遇到的各种情况，并在基坑工程领域取得了很大的成果。依据实际地质情况及开挖工序，通过有限元软件建立三维模型可以对土体的水平位移、周边的地表沉降、桩身的变形等情况进行仿真分析。

根据本工程实际情况，取长70m×宽12m×高50m建立基坑及支护的有限元模型。为简化模型，假定桩锚支护构件为各向同性线弹性材料，依据等效刚度原理将SMW工法桩简化为0.57 m厚的连续墙，采用板、梁、植入式桁架三种单元分别建立SMW工法桩与素喷混凝土面层、冠梁与钢围檩、锚索，坡顶施工荷载取20 kPa。基坑有限元模型如图2所示。根据施工方案的数值模拟5个开挖工况如表2所示。

图2 基坑有限元模型

表2 数值模拟开挖工况信息

2.2 计算结果分析

(1)土体水平位移。各工况土体水平位移云图如图3所示。从图3可见，在工况二至工况四时，坑壁土体的最大水平位移均在坑顶处，但当基坑开挖到工况五后，坑壁中部土体水平位移最大，呈“鼓肚型”，土体水平位移峰值出现在基坑侧壁6.1 m处，约为0.6倍开挖深度处，土体水平位移峰值为19.3 mm，小于允许限值30 mm。基坑开挖结束后，基坑水平位移峰值不再出现在坑顶，主要是由于桩锚支护结构有效限制了上部土体水平位移的发展。

图3 各工况土体水平位移云图

(2)地表沉降。各工况土体竖向位移云图如图4所示，周边地表沉降如图5所示。从图4、图5可见，周边地表沉降总体呈现出“勺状”趋势，在距离基坑20 m处沉降量趋于平稳。当工程开挖至基坑底部时，地表沉降对周围土体的影响范围约为2倍开挖时深度，距离基坑边缘4.8 m处，出现地表沉降最大值为5.7 mm。地表沉降主要是由开挖导致的，沉降会引起周边管线道路、建筑物土层发生扰动，应加强监测。

(3)桩身水平位移。各工况桩身水平位移如图6所示。从图6可见，各工况桩身水平位移曲线介于直线和抛物线形之间。工况三和工况四分别在-5.3 m和-8.4 m处安装预应力锚索和腰梁后，约束了开挖面处桩身水平位移，但受桩后土压力的影响，桩顶处水平位移最大，分别为5.7 mm和10.3 mm，位移曲线特征与悬臂结构类似。工况五开挖至桩顶下9 m处，即开挖至基坑底部，此时在桩顶下6.1 m处的桩身水平位移最大，达19.3 mm，而最小位移仍处于桩底。

图4 各工况土体竖向位移云图

图5 周边地表沉降 图6 各工况桩身水平位移

图7 工况五锚索拉力

(4)锚索拉力。工况五的锚索拉力曲线如图7所示。从图7可见，锚索拉力曲线呈“驼峰”状，自锚固端开始，锚索拉力先沿着轴向距离逐渐增大，在锚固端与自由端交接处出现峰值，然后又沿着锚索末端逐渐减小。三道锚索的拉力呈上小下大分布，但差距不大，拉力峰值均达到160kN以上，说明在深厚砂层基坑中，通过合理设置锚索锚固段长度和预应力大小，锚索能够提供足够的锚拉作用，进而有效地限制基坑和支护结构变形。

本工程按规范开展深层土体水平位移(测斜)和锚索拉力监测：①利用CX-3C测斜仪，在基坑坡顶，沿着基坑逆时针走向每隔30～50 m埋设1根测斜管，整个基坑共布设26个测点；
②利用CTY-202频率仪，在基坑工程内部共埋设6个锚索计，对锚索拉力进行监测。监测预警值：深层土体水平位移(测斜)累计值小于40 mm，且变化速率小于2 mm/d；
锚索拉力为70%承载力设计值。

基坑典型断面的第一道锚索(锚索1)的拉力最大值与桩顶水平最大值的模拟结果与监测结果对比情况如表3所示。其中的相对误差和绝对偏差以监测值为基准计算。由表3可见，无论是锚索拉力还是桩身水平位移，模拟值与监测值随开挖工况的整体变化趋势一致，且均在监测预警值范围内；
锚索1最大拉力相对误差除工况二稍大外，其余工况均在±5%以内；
各工况下桩身最大水平位移的模拟值与监测值的量级相同，绝对偏差基本控制在±3mm以内，其中工况五桩身水平位移最大值不足监测预警值一半，效果良好。

表3 模拟结果和监测数据对比

通过对福建滨海某深厚砂层基坑工程数值模拟并结合工程监测分析，得到以下几个结论：

(1)在深厚砂层的基坑工程中应用锚索与SMW工法桩组合支护结构，通过合理设置预应力锚索，能提供充足锚固力，可较好地满足基坑稳定、变形以及止水等要求，具有施工便利、工期短、综合成本低等技术和经济优势。

(2)在基坑开挖过程中，随着锚索预应力的施加，坑壁土体和桩身的水平位移逐渐由“悬臂型”向“鼓肚型”发展，基坑开挖结束后其水平位移峰值约出现在0.6倍开挖深度处；
基坑周边的地表沉降曲线为“勺状型”，地表沉降的影响范围约为开挖深度的两倍。

(3)锚索拉力曲线呈“驼峰”状，在自由段和锚固段交接点处拉力最大。虽然三道锚索的拉力呈上小下大分布，但差距不大，拉力峰值均达到160 kN以上，锚索能够提供足够的锚拉作用，达到有效限制基坑和支护结构变形的效果。