基坑工程中锚索微型桩支护结构设计方法探讨

陈丽波（中国铁道科学研究院 铁道建筑研究所，北京　100081）

基坑工程中锚索微型桩支护结构设计方法探讨

陈丽波
（中国铁道科学研究院 铁道建筑研究所，北京100081）

微型桩作为预支护措施多与其他支护结构联合，以抗弯剪作用为主进行设计时，难以发挥其抗拉强度高的优势。本文针对锚索微型桩组合结构，根据混凝土结构设计相关理论，结合有关试验成果，通过受力特性与破坏模式分析，提出了一种新的设计计算方法，即认为混凝土不起承载作用，微型桩主要依靠钢筋承载，从而充分发挥微型桩的抗拉性能，因此称之为“抗拉强度法”。该方法在基坑支护实践中得到成功应用，效果良好。相对传统设计方法，可节约工程投资15%～20%。

基坑；微型桩；锚索；抗拉强度法

伴随着城市化进程的突飞猛进，城市高层建筑如雨后春笋般拔地而起。限于城市用地紧张，加剧了对地下空间利用的争夺，城区基坑开挖的深度通常在10 m以上，个别甚至超过30 m。因临近既有建筑，基坑开挖对变形控制要求较高，常规采用大直径灌注桩结合预应力锚索支护。该方案技术成熟，安全度高，但工作空间大、污染重、效率低、成本高。因此，有必要探索新的基坑支护技术，以满足城市建设快速发展的需求。锚索与微型桩技术的结合，正是需求驱动的结果。

微型桩是指直径90～300 mm的预制桩或灌注桩［1］。由于其具有机械化程度高、施工空间小、造价低、工期短等特点，近年来在地基处理工程、边坡工程、基坑支护工程等领域得到较多应用。基坑工程中使用的微型桩多为灌注桩，形式相对比较单一，主要为钢管微型桩见图1（a）。在某些情况下也采用型钢微型桩加固基坑边坡，见图1（b）。

图1　微型桩的常见结构形式

1　问题的提出

微型桩在基坑工程中已较为常见，但多作为一种预加固措施，与其他结构联合使用。在文献［2］中，总结归纳了6种微型桩与其他结构联合使用的基坑支护措施，分别为微型桩与复合土钉技术结合、微型桩与水泥搅拌桩结合、微型桩与内支撑结合、微型桩与预应力锚索技术结合、微型桩对基坑边缘建筑基础托换或隔震保护、微型群桩等。

微型桩与其他结构的联合支护技术，已有无数成功的工程案例，其中锚桩结合技术的应用最为广泛。就桩锚结合技术而言，虽然有学者、教授、工程技术人员等进行了大量的理论探索［3-7］，但至今仍没有形成成熟的设计计算方法，设计理论远落后于工程实践。

2　锚索微型桩的作用机理与破坏模式

微型桩在加固基坑边坡时，其主要作用方式有2种，一种是作为受力构件，与其他支挡结构联合，抵抗基坑开挖过种中产生的水土压力；另一种是作为预支护结构，仅在基坑开挖中间工况中发挥挡土作用，最终工况的水土压力完成由其支挡结构承担。锚索微型桩即为前者中的一种，锚索与微型桩结合共同作用，以提供坡体稳定需要的抗力（见图2）。

2.1作用机理

锚索微型桩加固基坑边坡的作用机理：通过设置垂直微型桩对基坑边坡进行预加固，在基坑开挖一定深度后（小于微型桩靠自身抗弯能力能够保证边坡稳定的极限深度），通过在桩头位置设置预应力锚索（竖向可为多排），形成空间稳定结构。通过锚索与微型桩的抗拔力以及微型桩的抗弯剪能力为坡体稳定提供支撑反力，从而达到加固基坑边坡、满足不同工况条件下基坑边坡稳定的需要。

图2　锚索微型桩加固基坑边坡示意

1）微型桩的作用

在锚索微型桩组合结构中，微型桩的作用较为复杂：①抗拔作用，即微型桩的锚固段（基坑底面以下部分）承受抗拔力，防止桩体在坡体水土压力作用下被拔出；②抗弯作用，微型桩在受到坡体的水土压力后，发生弯曲变形，形成弯曲抗力以稳定坡体；③抗剪作用，微型桩在受到坡体的水土压力后，发生剪切变形，形成剪切抗力以稳定坡体。

2）锚索的作用

锚索通过锚固段提供抗拔力，与微型桩结合形成稳定的支挡结构。

2.2破坏模式

在文献［1］中，通过大型破坏试验发现：无锚索微型桩的破坏，首先在坡体破裂面下的桩身后部产生拉张裂纹、桩身前部发生混凝土挤压破碎，之后坡体水土压力就完全由钢筋来承担。由此可以判断，无锚索微型桩的支挡作用由破裂面附近的弯曲承载能力控制。

另外，由试验结果可以确定：桩体失去支挡能力后，锚固段桩身略微向前缘倾斜，桩身钢筋并未屈服失效，说明微型桩为超筋破坏，并未充分发挥其支挡作用。这是由于在工程实践中，为了提高微型桩的抗弯剪能力，在孔径一定的条件下，只能通过增加配筋率的方法提高桩体的抗弯剪性能，致使其配筋率往往高出正常桩体的数倍，一般在10%以上。

在基坑工程中的微型桩，钢管微型桩较为常见，通过在钢管外沿环向均匀点焊3根螺纹钢筋制作。以φ150微型桩为例，常用配筋为φ50普通钢管外沿环向均匀点焊3根φ25 HRB400螺纹钢，配筋率为11.1%，混凝土强度设为C30。根据材料力学相关理论与混凝土结构设计原理，单根微型桩的抗剪承载力为362.4 kN，抗弯承载力约为32.3 kN·m，抗拉承载力为627.7 kN。由这一组数据可以看出，桩体在很小的一个弯矩作用下即会发生混凝土拉裂或压碎破坏，而桩体的抗拉与抗剪承载力尚有较大富余，即桩身钢筋仍具备较大的抗拉剪能力。

因此，微型桩的破坏模式：桩体在一定的弯矩作用下，桩身混凝土首先达到破坏强度发生破坏，因其配筋率较大，破坏模式属超筋破坏，即桩体混凝土破坏后，桩身钢筋以及中心钢管仍可作为受拉构件发挥承载作用。

3　微型桩计算方法

3.1常见设计计算方法

微型桩在基坑工程中已有无数的成功应用案例，但至今仍没有成熟的计算方法，致使其应用受到了一定的限制。近年来，西南交通大学、长安大学、中铁西北科学研究院等均进行了一些有益的探索，常见的设计方法有以下5种。

1）平面刚度法：将群桩简化为平面刚架，桩身采用弹性地基梁进行计算；刚架内力采用结构力学的方法进行设计计算。

2）类桩计算法：多采用基于桩-土相互作用理论的软件进行模拟计算，即认为微型桩群之间的岩土体为固化材料，起到类似普通钢筋混凝土桩中混凝土的作用，而单根微型桩则起到类似普通钢筋混凝土桩中钢筋的作用。

3）等效抗弯刚度法：对微型桩桩间力的分配采用等效抗弯刚度进行计算，认为可以将微型排桩视为薄层挡土墙。墙体的刚度包括了桩体的刚度和土体刚度，然后将每根桩（灌注桩）的加固范围假设为一定厚度的地下连续墙，利用抗弯刚度相等的原则对墙进行内力分析。

4）弹性地基梁法：将微型桩上端作为定向支承，下端固定的弹性地基梁，应用弹性地基梁理论进行单桩承载力的计算。

5）极限承载力法：认为在岩质边坡中，钢筋主要起抗剪作用；在土质边坡中，钢筋在桩身开裂之前主要起抗弯剪作用。各排桩的水土压力可按不均匀分配系数进行调整，根据桩的抗剪或抗弯强度进行设计计算。

3.2推荐设计计算方法

3.2.1既有计算方法的适用性

微型桩长细比一般在300以上，为细柔杆件，单桩的水平承载能力非常有限，难以起到理想的抗弯作用，这是与其他支护结构联合作用的主要因素，但微型桩具有良好的沿轴向的抗拉承载能力。在上述的计算方法中，更多地考虑了微型桩的抗弯剪能力，主要是基于永久工程，不允许桩体结构发生破坏，包括桩身混凝土（砂浆）与桩身钢筋。

在文献［8］中提出，微型桩的计算方法根据其所在支护措施中发挥的作用，分为刚性桩与柔性桩2类进行计算，明显的是刚性微型桩是不存在的。在文献［9］中提出，按破裂面处微型桩的抗剪强度进行设计，不考虑微型桩的抗弯与抗拉作用以及桩头设计锚索工况下对桩身受力的影响。文献［3］中按照弹性地基梁理论，考虑桩土相互作用效应，推导了微型桩群的设计计算方法，以微型桩的抗弯剪承载能力作为桩体失效的主控因素。

3.2.2计算模型

基于试验结果与微型桩的破坏模式，对于锚索微型桩的设计计算方法可做如下假定：①桩身混凝土或砂浆破坏后，由桩身钢筋承担全部坡体水土压力；②忽略桩身混凝土或砂浆的抗压、抗剪及抗拉强度，即在锚索微型桩结构中，不起承载作用；③锚索按设计荷载进行张拉锁定，其自由段的伸长值已达到设计限值。

在锚索微型桩结构工作状态，不允许微型桩或锚索被拔出，否则为结构破坏失效。微型桩自由段不考虑混凝土或砂浆的承载作用，故为柔性结构，允许发生一定的变形。因此，可以把锚索与微型桩锚固端均视为固定铰支座（见图3），在正常工作过程中不发生平动位移。

图3　锚索微型桩计算模型

根据材料力学相关理论，在图3（b）中，坡体水土压力的合力EA=qh/2，支点A的反力为qh/6，支点B的反力为qh/3；即锚索设计抗拔力Fs为qh/6，微型桩设计抗拔力Ts为qh/3。

设钢筋的抗拉设计强度值为 fy，微型桩间距为 d（一般不大于1 m），所需的钢筋截面积为As为

式中：Ks为钢筋截面设计安全系数，对于临时工程，Ks=1.4～1.8；对于永久工程 Ks=1.8～2.2。其取值主要考虑微型桩的受力状态与有效截面等影响因素，并参考相关规范确定。

若单排微型桩难以达到支挡要求，可设多排桩，排距宜为3D～7D（D为微型桩直径），设排数为n，则所需的钢筋截面积为As为

在单排桩难以满足要求的情况下，亦可通过增加锚索的排数达到支挡加固的目的。增加锚索排数，相当于在原静定体系中间增加了固定铰支座，从而形成超静定体系。

需要说明的是，在多排桩情况下，排桩的受力并不均匀，前排桩受力最大，后排桩受力最小，为保证上述计算结果的可靠性，微型桩的排数不宜超过3排。

该计算方法，微型桩设计以钢筋抗拉强度作为主控因素，因此称之为“抗拉强度法”。

3.2.3计算方法的科学性分析

实际上，锚索微型桩结构中，在混凝土开裂或压碎破坏前，微型桩以抗弯剪作用为主；之后，桩身混凝土失去对桩身钢筋的约束，微型桩以抗拉作用为主。在该计算方法中：①不考虑混凝土的承载能力，即以桩身混凝土破坏后的工作状态进行设计，是否可靠？②锚索与微型桩通常采用冠梁传递内力，属刚性连接，计算时简化为固定铰支座，是否合理？③微型桩嵌固段在正常工作状态时与岩土体之间不发生相对位移，为何不能简化为固定端？④微型桩为柔性结构，简化模型时，支座反力按刚性结构计算是否恰当？

1）基坑工程为临时工程，使用周期一般在2年以内，混凝土破坏后，钢筋必然受到水土的腐蚀。钢筋的腐蚀速率与水土的腐蚀性、湿度、温度等因素有关，一般在2年时间内，不会明显降低其力学性能，若使用时间稍长，可适当增加钢筋的安全系数。

2）锚索与微型桩的连接多采用在桩头设置冠梁，微型桩伸入冠梁一定长度，锚索穿过冠梁将锚头锁定在冠梁上。连接节点受力特性要求冠梁有较大的尺寸和刚度，即能够保证微型桩正常工作时不从冠梁内拔出，又能满足锚索工作状态的需要。在不考虑混凝土的作用时，锚索与微型桩均为柔性结构，即使发生一定的变形仍能够保持正常的工作状态。另外，冠梁背后为土体，强度与刚度均较小，其变形模量与钢筋混凝土差4～5个数量级，在锚索与微型桩的综合作用下，允许冠梁发生一定的转角变形。因此，把锚索对微型桩的约束简化为固定铰支座，是合理的。

3）由于岩土体的变形模量远小于钢筋混凝土，在微型桩嵌固端发挥功效的过程中，自嵌固段上端向下逐渐形成一个过渡带，桩体内力不断增加，桩身混凝土达到破坏强度后失效，岩土体受挤压破坏，之后由桩身钢筋承载。因此，在嵌固段过渡带，可以产生一定的转动变形而不影响桩身钢筋的承载作用。

4）微型桩即为柔性结构，则按柔性结构（见图4）可计算得出支座A与支座B的反力分别为P1与P2。

图4　微型支座反力计算简图

实际工程中微型桩的变形量非常小，α与β角接近90°。因此，可以近似得到P1=P2=EA。这与上述模型计算中得出的支座反力存在明显差异，原因在于：在该节计算中，忽视了微型桩与坡体之间的相互作用，即微型桩与坡体之间不会发生相对位移，这也符合实际情况。因此，在桩土相互作用下，水土压力的传递受到限制，不能按照柔性结构来计算支座反力。

4　工程应用

旬阳县城一商住楼，地处核心繁华区，地上31层、地下2层，基础埋深为-11.5 m。基坑开挖深度范围的地层由人工填土、第四系坡洪积粉质黏土、冲积卵砾石及全、强风化千枚岩组成，其中全、强风化千枚岩厚约1.0～2.2 m，岩土物理力学参数见表1。

表1　岩土层物理力学参数

基坑四周建筑密布，距建筑红线最近的建筑仅为1.2 m。受场地空间限制，基坑只能垂直开挖，经过技术经济对比，确定采用锚索微型桩支护方案，基坑支护典型断面见图5。沿基坑四周开挖边线设置一排微型桩，桩长16 m，嵌固段长5 m，桩间距为0.8 m，桩径150 mm。筋材采用φ50钢管外均匀点焊3φ25HRB400螺纹钢，桩孔灌注 C30豆石混凝土。桩顶设置冠梁，截面尺寸为0.5 m×0.5 m，采用 C30钢筋混凝土浇筑。自桩顶向下设置两排6φs15.2预应力锚索，锚索横向间距为3 m，竖向排距为3 m。锚索长L分别为18，16 m，锚固段长Lm均为10 m，采用扩大头锚索，扩大头锚固体直径不小于250 mm，单根锚索设计抗拔力为600 kN。

图5　基坑支护典型断面（尺寸单位：m）

在工程实施过程中，选取基坑中间典型部位进行桩头位移与沉降观测，观测时段自基坑开挖开始，至基坑回填结束（见图6）。锚索微型桩支护结构的桩头最大位移约为15.1 mm，桩头最大沉降约为6.0 mm，均没有达到设计预警值30 mm。说明该支护结构工作状况良好，做到了技术可靠、变形可控、措施经济的预期目的。

图6　微型桩桩头位移-时间曲线

5　结论与建议

1）微型桩为柔性结构，抗弯剪能力较弱，仅作为预支护措施使用，没有充分发挥其抗拉性能，不经济。

2）微型桩结构因桩体较小，为提高其整体刚度，往往配筋率较高，超过10%，在抗弯剪作用下，其破坏模式属超筋塑性破坏。

3）“抗拉强度法”设计不考虑桩体混凝土或砂浆的承载能力，即在桩体混凝土或砂浆拉压破坏后，桩体仍能够发挥支挡作用，桩身荷载全部由钢筋承担，以钢筋的抗拉强度作为微型桩设计的主控因素。

4）考虑钢筋锈蚀与其力学性能呈负相关关系，“抗拉强度法”只适用于临时边坡支护。若使用年限稍长，可适当增加微型桩的配筋安全系数。

5）锚索微型桩结构可用于深基坑工程，必要时可设置多排锚索或多排微型桩，但不易超过3排。

6）建议在“抗拉强度法”基础上，对多排桩与多排锚索结构进行深入研究，可以在空间结构布置与桩土相互作用方面进一步探索完善。

［1］门玉明，王勇智.地质灾害治理工程设计［M］.北京：冶金工业出版社，2011.

［2］李白，刘小丽.微型桩在基坑工程应用中的思考［J］.工程地质学报，2011（19）：492-497.

［3］周德培，王唤龙，孙宏伟.微型桩组合抗滑结构及其设计理论［J］.岩石力学与工程学报，2009（28）：1353-1362.

［4］苏静波，邵国建，刘宁.基于P-Y曲线法的水平受荷桩非线性有限元分析［J］.岩土力学，2006（10）：1781-1785.

［5］沈龙运，余云燕.独立微型桩加固边坡的内力计算［J］.兰州交通大学学报（自然科学版），2007（4）：81-83.

［6］吕凡任，陈仁朋，陈云敏，等.软土地基上微型桩抗压和抗拔特性试验研究［J］.土木工程学报，2005（3）：99-103.

［7］高伟.微型桩预应力锚杆复合土钉作用机制研究［D］.郑州：郑州大学，2012.

［8］白晨光，贾立宏.抗弯功能微型桩在基坑支护工程中的应用［J］.岩土工程学报，2006（28）：1656-1658.

［9］闫金凯，门玉明.基于模型试验的滑坡防治微型桩设计方法［J］.工程地质学报，2012（20）：355-361.

（责任审编赵其文）

Discussion on Design Method of Supporting Structure of Anchor Cable Combined with Micro-Pile Used in Foundation Pit

CHEN Libo
（Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China）

M icro-pile as a pre-support measure has been widely used in foundation pit engineering，and always used with other reinforcement structures，mainly depended on bending and shearing action，not given full play to its advantage of the high tensile strength.Aiming at the composite structure of anchor and micro-pile，according to the relative design theory of concrete structures and combined with relevant experimental results，a new design method puts forward by analyzing the mechanical characteristics and failure modes，that is not concrete playing the role of supporting the load.M icro-pile works mainly by steel bar to maximize its tensile property，so called“tensile strength method”.T he method has been successfully applied in the practice of foundation pit support with good effect，compared with the traditional design method can save engineering investment by 15% ～20%.

Foundation pit；M icro-pile；Cable；T ensile strength method

U417.1+16

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2016.08.29

1003-1995（2016）08-0116-05

2016-03-09；

2016-05-25

陈丽波（1980— ），男，工程师，硕士。