支挡结构中锚杆支护受力机理及施工中应注意事项

支挡结构中锚杆支护受力机理及施工中应注意事项作者刘先国近年来，随着建筑业的迅猛发展，尤其是高层建筑的发展，深基础运用越来越来广泛，支挡结构在工程中的运用亦越来越多，并且支挡结构对工程施工的安全性和经济性影响亦日渐重大。支挡结构的形式：支挡结构的形式一般有：挡土墙、挡土桩（木桩、型钢桩、砼桩）、锚桩支护；从材料上分为：毛石砌筑、毛石砼、素砼、钢筋砼、木桩、水泥搅拌桩、型钢水泥搅拌墙（SMW）、钢板桩等。支挡结构的受力机理分析支挡结构设计受力分析主要是运用库仑理论、朗金理论，支挡结构主要是受到所挡土层的水平作用力作用。水平作用于支挡结构的土压力有主动土压力、静止土压力和被动土压力三种：主动土压力：Eu=γh2Kd—2ch+静止土压力：Eo=γh2Ko被动土压力：Ep=γh2Kp—2ch式中：γ为土的重力密度，h为基坑深度，c为粘聚力，Ko、Kd、Kp分别为土的静止土压力系数、主动土压力系数和被动土压力系数，该三种受力形式在设计和施工中应区别对待，不能混淆。一般来说，如果基坑侧边距相邻建筑物很近，基坑开挖后不允许基坑顶面产生水平位移，则这种支挡结构所承受的水平推力属于静止土压力；如果基坑顶面允许水平位移，则随着水平位移的增大，支挡结构侧的土压力逐渐降低，土体内最大剪应力面上的抗剪阻力发挥到限值，则静止土压力降到主动土压力值，水平位移发展到一定程度时，滑动土楔由静摩阻力过渡到滑动摩阻，土颗粒间粘聚力消失，抗滑力减少；在无限制水平位移要求时，支挡结构与土体摩阻力的合力来平衡土的水平推力，如果支挡结构与土体摩阻力的合力不能平衡土的水平推力，就须附加其他的约束来平衡土的推力，限制土体的水平位移，否则土体是处于不安全状态，将形成土楔沿滑裂面滑动，造成土体坍塌，向基坑内移动。深基坑喷锚支护的运用1、喷锚支护一般由喷射砼和锚杆（土钉）组成。2、喷锚支护的作用原理是通过锚杆和将要滑动的主动土体、砼层组合一起，形成重力式挡土墙，靠其自重产生的摩阻力平衡其后的水平土压力。喷锚支护必须支挡边坡自然条件下土坡稳定面以上的全部不稳定土体，同时由于存在主动土压力滑裂面，对于该滑裂面以上的土体，当无挡土结构存在时，并不全部稳定，应而锚固段仅仅超过形成最大主动土压力的滑裂面是不够的（一般锚杆要进入稳定土体不少于二分之一锚固长度，锚杆的黏结阻力不少于锚杆的抗拉强度）。3、锚杆的设计在计算锚杆的锚固长度时，需计算土层与锚杆间的抗拔力，即土的抗剪强度。常用的抗剪强度公式为τ=Koγhtgφ+C式中：τ为抗剪强度（KN/㎡），Ko为土层系数，一般取黏土Ko=0.5，砂土Ko=1.0，γ为土的重力密度（KN/m²），h为覆土的高度（ｍ），φ为土的内摩擦角，C为土的粘聚力（KN/m³）。从抗剪强度的库仑定律来看，在法向力变化范围不大时，抗剪强度与法向压力的关系似为一条直线，故砂土或黏性土抗剪强度与法向压力的关系均可用直线方程表示，即砂土：τf=σtgφ，粘土：τf=σtgφ+C，式中τf为土的抗剪强度，σ为作用于剪切面的法向压力（MPa），土的自重应力为γh，如果锚杆是水平拉结则τ=Koγhtgφ+C是可行的，如果锚杆为斜向（锚杆与水平线有一夹角θ），斜拉锚杆计算覆土h的从地面到锚杆锚固中点，锚杆上受到的法向压力σ为γh（即有一个cosθ）斜向锚杆抗剪强度表达式为τ=+C，如果锚杆水平夹角为20º-30º，抗剪强度将增加10%左右。4、锚杆的极限承载力及提高措施作为受拉杆件的锚杆，其承受拉力的能力，一方面取决于锚杆（钢筋或钢管）的截面积和抗拉强度，另一方面取决于锚固体的抗拔力。锚固体的抗拔力与许多因素有关，如锚固体的几何形状、受力方式、锚固体与周围地层的黏结摩阻力（强度）及其上覆土厚度等。锚固体的抗拔力是影响单根锚杆极限承载力的关键，尤其是在软黏土地层中，如何提高锚固体的抗拔力，对改善锚杆的经济性和适应性有重要影响。一般可以采用以下方法来提高锚固体的抗拔力和锚杆的极限承载力；（1）、增加锚杆的长度增加锚杆长度可以提高锚固体的抗拔力，但对于土层中的锚杆并不是越长越好，一般锚杆超过12ｍ长，其单位面积的抗拔力将显著下降，且经济性将变差，一般的锚杆长度在8-12m之间较合适。（2）、高压灌浆由于高压浆液渗透到周围土层，提高锚固体表面的黏结摩阻力，但锚杆承载力随着灌浆压力的增大不是无限增大的，当注浆压力超过4.0Mpa时，锚杆承载力几乎不再增加。总之，锚杆的极限承载力是锚杆设计的关键，虽然可通过适当增加锚固长度来提高其极限承载力，但主要是靠增加压注浆提高其承载力。四、施工中应注意事项1、实际土层结构与地质勘探报告所描述的是否吻合；2、实际土层的含水量是否与地质勘探报告相符；3、土方开挖的一次性量（主要是指深度）控制；4、高压注浆的压力控制（压力表的有效性、止浆塞的有效性）；5、基坑外围堆载情况的控制；6、水平位移监测时间（间隔时间）的控制；7、应急预案与实际情况（条件）是否相符，应急预案应具有针对性。五、案例[案例一]、萧山白马公寓围护结构设计（由上海岩土工程勘察设计研究院有限公司浙江分院设计、施工）1、本工程±0.00相当于绝对标高+6.50ｍ，基坑周边自然地坪绝对标高为+5.50ｍ，相对标高为-1.00ｍ，基础结构底板底标高为-6.85ｍ（含300厚垫层），开挖深度为5.85ｍ，电梯井为8.10ｍ。基坑底土质为粉土，含水量31.5%，粘聚力11.0Kpa，下卧层为淤泥质黏土，含水量50.5%，粘聚力为11.4Kpｍ左右。2、设计采用复合土钉方案土钉墙结构：土钉采用Ф48×3.0钢管，倾角10º向下，机械插入，分为四排，长度为9.0ｍ、10.0ｍ、12.0ｍ，中间排间距1.20ｍ；注浆孔口用止浆袋密封，注浆压力应不小于0.8Mpa；面层采用100厚喷射C20砼，铺设钢筋网Ф6.5＠200×200，并与井形锚头焊接；基坑降排水采用明沟、集水井方式。3、在基坑土方开挖过程中因以下原因发生土方坍塌、基坑底隆起、相邻建筑物开裂而拆除的事件：（1）、设计参数取值与实际参数有较大出入；（2）、设计降排水措施没有根据实际情况调整；（3）、土方一次开挖量过大；（4）、基坑外侧堆载过大；（5）、降排水措施的失效。[案例二]、浙江中财大厦基坑围护设计（由浙江省地质矿产工程公司设计、杭州市地质勘察院施工）1、本工程±0.00相当于黄海高程6.900ｍ，地坪一般标高约6.30ｍ（换算成土建标高约-0.60ｍ），基础底板底标高（包括垫层100厚）为-5.85ｍ，周边基础地梁底面标高为-6.20ｍ，基坑内消防水池、变电所和电梯井等“坑中坑”基础底面标高为-7.20—-9.85ｍ，基坑实际开挖深度按周边基础梁底面计为5.60ｍ，基坑内部“坑中坑”为7.05-9.70ｍ。土方开挖层为砂质粉土，含水量为29.4%-31.3%，内聚力为4.0Kpｍ之间。2、设计采用复合土钉方案土钉墙结构：土钉采用1Ф18作为拉杆，难于成孔区用锚管代替，锚管采用Ф4.8×2.7钢管，L=4.50-6.00ｍ，四排，锚管注浆量≥20㎏/ｍ水泥，终止注浆压力应不小于0.4Mpa；面层采用90厚喷射C20砼，铺设钢筋网Ф6.5＠250×250，并与井形锚头焊接；基坑降排水采用渗流式深管井和轻型井点降水系统。基坑内设置渗流式深井降水：间距16-20ｍ，管井有效深度15ｍ，井底标高-15.60ｍ，电梯区井位加密；基坑四周边坡布置二级轻型井点管，井点管长度均为6.0ｍ，水平间距为1.0ｍ；基坑内离坡脚400