1、1桩锚在软弱土层中工程基坑支护应用的分析与探讨摘要：天津地区尤其滨海新区区域，地表以下存在巨厚淤泥质土层，该土层工程力学性质较差、流动性强。在此区域，对于挖深较浅、而占地面积较大的基坑而言若为确保基坑开挖的安全、经济及便利性，分析探讨桩锚应用的可行性意义较大。本文结合天津空港物流加工区白领公寓二期项目具体工程项目实例分析探讨桩锚工艺在典型软弱土层中的应用。 关键词：桩锚；基坑；支护；应用 中图分类号：TV551.4 文献标识码： A 文章编号： 1.1 桩锚的工作原理 在深基坑支护中，桩锚与钻孔灌注桩形成一个二元组合受力结构，并通过共同受力来控制基坑支护体系的整体变形，使其具有足够的刚度。一方
2、面钻孔灌注桩起到挡土的作用，另一方面通过预应力桩锚将应力传递到稳定的土层。对桩锚施加张拉应力，有利于锚固体和土体之间的摩擦力发挥最大的效力，使桩锚体系更加稳定。 预应力桩锚采用的是压缩型土锚，它是通过钢绞线，将拉应力由锚固段端部的承载体传递给整个水泥土锚固段，当锚固段受压，由锚固段的压缩传递张拉力，当采用多个承载体时，压缩应力分布于各个锚固段，靠与周边的土体粘结共同受力。 2高压旋喷加劲水泥土桩锚结构示意图见图 1。通过高压旋喷形成的大直径水泥土桩体，首先可对软土的力学性能作出改善，使软土改变成具有较高强度的水泥土体，极大的改善主动区土体物理力学指标；其次，大直径且变径的水泥土桩体，因与土层接
3、触面积较大，桩体与土层之间产生较大摩阻力，可确保支护结构锚固力达到设计要求。 1.2 项目概述 1.2.1 工程概况 天津空港经济区白领公寓二期项目位于天津空港经济区中环东路以东，东六道以南，为家居及非家居公寓建筑。地上部分总建筑面积约77122.27 平方米，地下部分总建筑面积约 38665.89 平方米，建筑层数614 层，结构形式为钢筋混凝土框架及框剪结构。其中，地下室基坑底东西长约 310 米，南北宽约 155 米，呈不规则平面布置，施工现场自然地面标高（设计相对标高）-1.00 米，坑底相对标高-8.00 米，基坑平均开挖深度 7.00 米。 1.2.2 周边环境 场地西侧为中环东路
4、，基坑边线距用地红线最近处为 12.53m，红线距离中环东路道路红线 26.90m；场地北侧为东六道，目前已完成路基施工，基坑北侧西半部分内边线距用地红线最近处为 11.90m，北侧东半部分内边线距用地红线最近处为 13.50m。东侧为铁三院待建项目用地，基3坑内边线距用地红线 12.80m；南侧为白领公寓一期工程及商务会所，紧贴本期基坑支护的会所基坑深度 6.95m，会所围护结构采用钻孔灌注桩+内支撑+单排双轴搅拌桩止水帷幕的支护形式，目前已竣工。场地外围存在市政地下管沟，管沟均分布在用地红线外侧。场地北侧，用地红线距市政地下管沟 7.7m；场地西侧，用地红线距市政地下管沟 5.85m。基坑
5、周边环境见图 1 所示。 1.2.3 地质条件 与基坑设计有关的场地的工程地质条件及相应设计参数如下表所示。土层物理力学性质综合成果表 （表 1） 表中基坑设计参数均为勘察报告提供的标准值；（）内为建议值。 3、工程水文地质条件 水的类型 表层地下水属潜水类型，主要由大气降水补给，蒸发为主要排泄方式。勘察期间测得场区地下水初见水位埋深 2.503.20m；静止水位埋深1.602.30m。 浅层地基土的渗透性 根据相应勘察报告，浅层土渗透性详见下表： 4上部土层室内试验渗透系数表 （表 2） 1.3 方案比较 由于场地东侧、北侧东半部分（A-A 剖面）底坑底边线与场地红线间距离较大，可以采用放坡
6、施工，且南侧会所东侧（E-E 剖面） ，以及整个基坑止水帷幕已同一期施工时同步完成。主要考虑经济方面的因素，所以此次围护方案比选仅针对 B-B 剖面，灌注桩+桩锚方案与双排灌注桩方案之间的比选。 1钻孔灌注桩挡土2 道加筋水泥土桩锚方案： 经计算，此工程基坑围护需要 C30600800 灌注桩围护结构，桩长为12.5m。设置 C35 5001000 冠梁。灌注桩单价 1400 元/方，冠梁 1500元/方，每延米基坑支护中支护桩总造价为 6935 元。 设置两道道加劲水泥土桩锚，桩径 500mm，扩大端（末端 5m）直径650mm，水泥掺量 30%，内插 3 根 75 钢绞线。第一道长 14m
7、，倾角 45，水平间距 1.6m，锁定于 C35 5001000 冠梁；第二道长 13m，倾角 45，水平间距 1.6m，锁定于 22a 槽钢双拼腰梁。桩锚单价 250/米（含腰梁） ，每延米基坑支护中桩锚系统总造价为 4228 元。 灌注桩+两道桩锚的支护方案每延米基坑支护总造价约为 11163 元。 2双排钻孔灌注桩悬臂挡土方案： 即基坑支护原拟采用方案。C308001800 双排灌注桩围护结构，桩长5为 17m。设置冠梁与连梁。灌注桩单价 1400 元/方，连梁、冠梁 1500 元/方，每延米基坑支护总造价约为 16150 元。 采取双排灌注桩悬臂的支护形式，支护结构变形往往偏大，基坑开
8、挖到底时位移一般在 100mm 以上。 通过以上经济技术比较，项目最终选择采用钻孔灌注桩挡土2 道加筋水泥土桩锚方案。 1.4 工艺设计 1.4.1 设计方案 1、因场地地势开阔，根据地下结构外边线与用地红线之间的距离关系，确定场地东侧、北侧东半部分（A-A 剖面）采用放坡卸土+钢板桩+双轴搅拌桩止水帷幕的支护形式。 2、南侧会所东侧（E-E 剖面）采用双排钻孔灌注桩悬臂挡土+双轴搅拌桩止水帷幕的支护形式。 3、场地西侧、北侧西半部分及南侧会所西侧（B-B 剖面）采用钻孔灌注桩挡土双轴搅拌桩止水帷幕+加筋水泥土桩锚的支护形式。该部分需要支护基坑的总长度约 411 米，做为笔者分析研究的重点，剖
9、面做法详见下图所示。 1.4.2 设计参数 1、钻孔灌注桩 6支护桩采用 600 钻孔灌注桩，设计强度为水下混凝土 C30，桩长12.5 米，桩间距 800 mm，桩顶桩高-3.0 米，桩底标高 -15.5 米。 B-B 剖面采用围护桩参数见下表： 表 3 支护钻孔桩参数表 2、桩锚 BB 剖面,第一道桩锚，锚桩中心标高为-2.75 米，扩大头段旋喷桩径 600mm，长度 5 米，其余桩径 500mm，末端 3 米不喷浆。高压旋喷桩水泥掺量 30%，内插 3 根 75 预应力钢绞线，锚桩倾角 45 度，桩长 15.5米，锚桩间距为 1.6 米；第二道锚桩，锚桩中心标高为-5.50 米，扩大头段
10、旋喷桩径 600mm，长度 5 米，其余桩径 500mm，末端 3 米不喷浆。高压旋喷桩水泥掺量 30%，内插 3 根 75 预应力钢绞线，锚桩倾角 45 度，桩长 15 米，锚桩间距为 1.6 米。B-B 剖面基坑竖向设置两道桩锚。桩锚参数如下表所示： 表 4 桩锚参数表 3、止水帷幕 B-B 剖面采用单排双轴水泥土搅拌作为止水帷幕。双轴水泥土搅拌桩止水帷幕为单径 700 mm，有效桩顶标高-1.0 米，有效桩长 11.9 米。固化剂采用 32.5 级矿渣硅酸盐水泥，水泥掺量不小于 15%，土体重量按720KN/米 3 考虑，水灰比控制在 0.45-0.55，搅拌桩组内咬合 200mm，组与
11、组间咬合 200mm。搅拌桩位于基坑外侧 8-10 米布置，共计 406 组。4、地表放坡 为了保证基坑支护的稳定性，减少费用支出，结合现场实际情况，采用地表土方放坡卸载的方法，达到降低基坑的开挖深度至 5.5 米，桩长缩短 1.5 米的目的。具体做法采用沿基坑周边进行放坡，在地表以下 1.5米处退台 3.0 米，然后按 1：1 进行土方放坡。 5、冠梁 在灌注桩桩顶设置一道 5001000 mm 钢筋混凝土冠梁，冠梁顶标高-2.5 米，混凝土采用 C35。冠梁在作用主要是提高支护桩的整体性，使悬臂桩体在桩头形成约束，加大桩身整体水平刚度，协调减少支护桩的整体位移。同时，冠梁起到了钢腰梁围檩的
12、作用，为桩锚提供了良好的张拉锚固点。 6、受力计算结果 根据基坑开挖深度，以及周围环境，按二级基坑控制变形与计算。 根据岩土工程勘察报告中的水文地质数据，输入土层的物性指标（重度、厚度、C、M） ，输入工况信息（挖深与开挖施工步骤） ，输入拟设计的桩、支锚程序会导入计算公式，进行有限计算，可得各工况下的支护结构位移内力。 第一道水平拉力荷载计算结果：145.5KN/m 第二道水平拉力荷载计算结果：121.6KN/m 87、锚桩受拉承载力验算 根据建筑基坑支护技术规程（JGJ12099）4.4 节提供公式 4.4.3， 式中锚杆轴向受拉承载力设计值； 非扩孔锚杆锚固体直径； 扩孔锚固体直径； 第
13、 i 层土中直孔锚固段长度； 第 j 层土中扩孔锚固段长度； 、土体与锚固体的极限摩阻力标准值； 扩孔部分土体粘聚力标准值，勘察报告中给出的土层 C 值； 锚杆轴向受拉抗力分项系数，取规范建议值 1.3； （桩土间极限侧摩阻力均取 22kPa，高压注浆锚杆侧摩阻提高系数取1.5） 。 代入公式 4.4.3 可得第一道、第二道桩锚（抗拔）受拉设计承载力从上至下分别为： （锚点）水平拉力荷载设计值： 第一道：145.51.61.25=291.0KN 第二道：121.61.61.25=243.2KN 通过计算：桩锚水平（抗拔）拉力设计值大于（锚点）水平拉力荷9载设计值。 锚桩设计承载力满足要求。 预
14、应力张拉锁定值取 Nu 的 0.35 倍： 第一道：448.760.35=157.07KN 第二道：431.740.35=151.11KN 设计张拉锁定值取 150KN。 1.4.3 主要实物工程量 施工工艺控制 旋喷水泥土桩锚所使用的设备为 XL-50 型高压旋喷钻机，该机型为西安探矿机械厂生产，对不同地层，不同桩径及桩身适用，可用于铁路、公路、路基、坝基等各种工业与民用建筑的地基处理和加固、隔水堵漏以及地铁施工等。根据本工程的设计方案，B-B 剖面设二道桩锚。 1.5.1 主要施工机械设备配备 1.5.2 施工步骤 1、第一层土方开挖 本次工程的第一层桩锚的中心位置在钢筋混凝土冠梁上-3.
15、25 米（B-B 剖面）处。要求开挖第一层土方至-3.25 米（B-B 剖面）的位置，预留0.6 米的沟槽以便排浆及上腰梁之用。第二层土方开挖位置依据桩锚中心10位置下挖 0.5 米。为确保设备进入指定位置施工，开挖范围距离围护桩至少 7 米。 2、放线定位 桩锚位置和桩锚标高依据基桩轴线和高程引测点进行测放，开工前必须进行复核。 3、高压旋喷钻机就位 钻机安置于设计的孔位上，使钻头对准孔位的中心。同时保证钻孔达到设计要求的角度，然后作水平较正，保证桩锚与围护桩墙成一定角度。 4、在围护桩墙上预钻孔，使用岩芯钻头在设计锚位处带水开孔，钻进角度与桩锚角度相同。 5、在高压旋喷钻头上安装锚索，沿预钻孔插管进入围护桩墙后，带浆低压钻进到设计桩锚末端。 6、成锚控制 固化剂浆液其水灰比控制在 1.0，用自来水搅拌。浆液制配以前，在灰浆罐中设置标尺，按计算的水量准确测量。用灰量按设计灰量计量。制备好的浆液不得离析及停滞时间过长，应及时喷灌。 桩锚作点定位后，设备就位。 锚索安装完成，带浆喷进，压力范围为 525Mpa。喷射钻进时尽量不用清水冲洗，并保证喷浆前必须将喷浆管内水排净。第一次喷射下沉过程根据地层的软硬程度选用合适的喷射压力（如遇较硬地层，无法下沉，则在地基中预先成孔） ，一般为 525MPa，且下沉速度为
