扩大头锚杆结合控制性降水桩锚支护设计研究

孟宪伟，刘玉峰，刘胜梅，齐阁，李小倩

(1.青岛瑞源工程集团有限公司，山东 青岛 266555；2.山东科技大学 地球科学与工程学院，山东 青岛 266590；3.青岛市勘察测绘研究院，山东 青岛 266032)

0 引言

滨海地区地下水位较高，工程性状较差的软土、粉细砂等分布较广，给基坑支护带来很大不利影响。特别是在建成区进行基坑施工，周边环境条件比较复杂，如果基坑支护措施不当，往往会造成不可估量的损失。

桩锚支护是常用的一种支护形式，该支护形式能够有效地控制基坑变形。其原理是钻孔灌注桩和锚杆共同作用，共同抵挡桩后土体的压力。此支护形式受力明确，施工方便，但在滨海地区高水位地层中施工锚杆时存在如下问题：①淤泥等软弱土抗剪强度较低，提供的抗拔力较小，计算得出的锚杆锚固段非常长。但大量试验结果表明，锚固段长度超过某个数值后，抗拔力并不能得到相应明显提高[1-2]，即单纯依靠增加锚固段长度提高的抗拔力是有限的。②饱水砂土中锚杆施工极易造成涌砂冒水现象。随着砂土的流出，支护体系外侧出现空洞，导致基坑周边地面塌陷，危及周边建(构)筑物的安全。③锚杆施工不可避免地破坏止水帷幕，影响帷幕止水效果。

为了克服传统锚杆在支护施工中存在的缺陷，国内外学者进行了大量研究。Mickovski 等[3]通过对洋葱等植物根系对砂土的锚固机理进行了系统的试验研究，得到了其抗拔力与深度和直径成正比的规律。胡建林等[4]、陈维华、季树凯[5]、孙涛等[6]对扩大头锚杆的抗拔承载力进行了现场试验，得出扩大头锚杆较普通锚杆的承载力平均提高20%～30%，最大为66%。

采用扩大头锚杆可以显著提高锚杆的抗拔力，减小锚固段长度，减少锚杆道数，较好地解决了滨海高水位砂土地层中基坑支护施工时出现的涌砂冒水问题。但由于一般只在水位以上设置一道扩大头锚杆，在水土压力作用下，与之相匹配的桩的弯矩比较大，配筋也比较大。为了解决这一问题，本文提出了结合控制性降水措施的扩大头锚杆桩锚支护技术，将基坑外的水位控制在某一深度，在确保基坑周边建筑物安全的前提下可以有效降低支护桩的弯矩。

近几年来，工程技术人员对周边存在位移敏感建筑物条件下的控制性降水进行了大量试验研究，目的是既要保证降水效果，又能有效控制降水引起的周边环境变形。缪俊发等[7-8]、刘军等[9]、姚天强等[10]对降水和由此引起的地面沉降作了大量研究。研究表明，合理、可行的降水方案能够兼顾降水效果与周边环境变形要求。下面将结合工程实例对结合控制性降水措施的扩大头锚杆桩锚支护技术进行介绍。

1 工程概况

拟建污水泵站主要包括一座污水泵站及进水转折井、进(出)水闸门等配套设施。污水泵站基坑周长约100 m，开挖深度约10.7 m。

1.1 基坑周边环境

拟建地下室外墙距基坑北侧原有泵站约8.8 m；东、西两侧距现有建筑物距离均大于10 m，但1 倍基坑深度范围内有多条暗渠、污水管道等，南侧紧临东海路，管线较多(见图1)。

1.2 工程地质条件

工程场区地形平缓，地貌类型属滨海浅滩，后经人工改造。场区第四系厚度约12.6 m，第四系由全新统人工填土层、海相-海相沼泽化沉积层、洪冲积层及上更新统洪冲积层构成。场区基岩为燕山晚期花岗岩，局部穿插后期侵入的细粒花岗岩岩脉。岩土层的物理力学性质如表1 所示。

场区地下水稳定水位埋深约2.5 m，地下水类型主要为第四系孔隙潜水-弱承压水。

2 基坑支护设计

2.1 方案比选

2.1.1 传统桩锚支护体系与扩大头锚杆桩锚支护体系

两种支护体系均设计钻孔灌注桩桩径1000 mm，桩心距1500 mm，桩顶标高-1.50 m；锚杆水平间距1500 mm。计算采用理正深基坑支护结构设计软件Fspw6.0，计算结果见表2。

图1 基坑周边环境平面图

表1 各岩土层物理力学指标汇总表

由表2 可以看出，①经济性：普通锚杆需要4道，锚杆总长为82 m；而扩大头锚杆只需1 道，长度为20 m。虽然方案2 比方案1 的灌注桩配筋要大，但由于锚杆的总长度大大减少，综合测算工程造价方案2 比方案1 降低了约25%。②工期：由于减少了锚杆道数，方案1 锚杆施工需要的时间是方案2 的4 倍，且方案2 对土方的分层开挖要求大大降低。可见，采用扩大头桩锚支护技术可以大幅度缩短工期。③施工：方案1 的第2、3、4 道锚杆的施工均在水位以下，锚杆施工难度较大，成孔时易引起塌孔、涌砂、冒水等现象，容易造成基坑周边地面、建(构)筑物、地下管线的开裂、坍塌、沉陷，严重时甚至会导致支护体系失稳。方案2 的锚杆在水位以上施工，而且扩大头锚杆采用跟管钻进工艺，降低了上述问题发生的可能性。因此，在本工程中采用扩大头锚杆桩锚支护技术具有造价低、工期省、施工方便的优点，故最终选用方案2。

2.1.2 不降水方案与控制性降水方案

降低地下水位可以有效降低水土压力，提高土体黏聚力和内摩擦角，降低支护结构的最大剪力和弯矩，利于基坑稳定；但降水会引起周边环境的附加沉降，对基坑周边的建(构)筑物及管线带来不利影响。故设计计算时必须综合考虑上述两方面因素，对水位降深和周边沉降进行计算，通过优化设计选择最优水位降深。

(1)降水沉降计算：计算参数如表3 所示，考虑降低钻孔灌注桩的弯矩和剪力的同时保证降水时基坑周边建筑物、地下管线的安全，按照《建筑地基基础设计规范》方法，采用《基坑工程手册》公式，使用理正降水沉降分析软件进行验算，得出降深与办公用房和地表的最大沉降量关系曲线(如图2)。

图2 降水与建筑物、地表沉降的关系

由图2 可以看出，建筑物最大沉降量和地表最大沉降量均随水位降深的增加而增大，由于建筑物距离基坑较远(约15 m)，由降水引起的建筑物附加沉降不大，地表最大沉降量均大于建筑物最大沉降量。当水位降深≤3 m 时，建筑物最大沉降量曲线比较平缓，由降水引起的建筑物最大沉降小于0.2 cm；当水位降深≥3 m 后，建筑物最大沉降量曲线变陡，当水位降深为5 m 时，建筑物最大沉降达0.6 cm。当水位降深≤2 m 时，地表最大沉降量曲线比较平缓，由降水引起的地表最大沉降小于0.60 cm，当水位降深≥2 m 后，建筑物最大沉降量曲线变陡，当水位降深为5 m 时，地表最大沉降达1.9 cm。

表2 两种锚杆计算结果对比表

表3 降水沉降计算参数表

(2)内力计算：计算采用理正深基坑支护结构设计软件，对基坑周边不采取降水措施和不同水位降深情况分别进行计算，得到每种情况下灌注桩的最大弯矩和最大剪力。图3 为水位降深与灌注桩最大剪力关系图，图4 为水位降深与灌注桩最大弯矩关系图。

图4 降水与灌注桩弯矩关系图

由图3、图4 可以看出，随着水头的降低，钻孔灌注桩的最大剪力和弯矩均不断减小。当水位降深由0 m 增加到2 m，钻孔灌注桩的最大弯矩和最大剪力均显著下降，此后，曲线呈平缓下降状态。这表明当水位降深大于2 m 后，灌注桩的最大弯矩和最大剪力变化不明显，继续降低水头意义不大。

2.2 支护设计

经过以上综合比选，最终确定基坑的东、南、西侧采用扩大头锚杆桩锚支护形式，其外侧布置井点，水位降深控制在2 m。

设计钻孔灌注桩桩径1000 mm，桩心距1500 mm，桩长15.2 m。配19 根Φ28 三级螺纹钢主筋。设计锚杆杆体材料为6φs15.2 钢绞线，锚杆长度20 000 mm ，间距1500 mm，钻孔直径150 mm，锚固段长度10 000 mm，其中扩大头段长度5000 mm，直径800 mm，入射角度30 °，锚杆预应力锁定值360 kN，锚杆内力设计值720 kN。基坑支护剖面见图5。

图5 基坑东、南、西侧支护剖面图

基坑北侧毗临地下室，无法采用桩锚支护形式，故采用旋喷桩水泥土重力式挡墙支护。设计水泥土墙宽度7 m，嵌固深度6.5 m，格栅状布置。设计旋喷桩桩径1200 mm，桩心距1.0 m，采用三重管工艺。

3 基坑监测

为了动态获取基坑开挖和使用过程中支护结构及周边建(构)筑物的受力及变形信息，确保基坑开挖使用过程中的安全，在基坑周边布置了支护结构顶部水平位移、垂直位移监测、预应力锚杆轴力监测、地下水位监测和周围环境沉降监测等监测项目，监测点平面布置如图6。

图6 监测点平面布置图

3.1 围护结构顶部水平、垂直位移监测

图7 为基坑监测点的水平位移曲线图，反映了水平位移在整个监测过程中的变化。由图7 可知，基坑北侧SP1 测点水泥土重力式挡墙部位在开挖初期位移没有变化，在开挖接近基底时位移有所发展，但位移量很小，且很快趋于稳定。基坑东侧SP3 监测点在开挖初期位移变化明显，随后进入稳定状态，SP2 则在开挖初期位移很小，在开挖接近基底时位移变化速率变大。基坑南侧SP4 在开挖过程中位移一直在变大，在使用阶段后期趋于平稳。基坑西侧SP5、SP6 位移变化与SP4 类似。总体来说，基坑水平位移均未超过报警值，其变化呈阶梯状，与土方分层开挖有较好的对应性，基坑开挖至基底后10 天内，各测点位移基本不再增大，趋于定值，围护结构处于安全稳定的状态。

监测期间，基坑整体垂直位移变化不大，最大位移发生在基坑西侧，变形量为2 mm，其它地段变化较小。

在整个监测期间内，周边环境垂直位移较小，未到达报警值，保证了周围建筑物和管线的安全。

3.2 预应力锚杆轴力监测

为了监控基坑施工期间预应力锚杆内力状态，分别在基坑东(E-1)、南(S-1)、西侧(W-1)进行了预应力锚杆轴力监测。在监测锚杆端部设置振弦式锚杆轴力计。轴力计量程根据锚杆设计轴拉力确定，最大量程大于设计轴拉力值的120%。测得锚杆轴力变化数据如表4 所示，锚杆轴力变化曲线如图8。

表4 锚杆轴力监测表 kN

图8 锚杆轴力变化曲线图

由表4 和图8 可知，锚杆张拉后其锁定值均小于设计锁定值400 kN。其原因可能有两个方面：①锚杆锁具在张拉过程中存在自锁现象，导致轴力监测数据小于千斤顶油压表显示张拉数据；②锚杆张拉后未锁定到位，产生预应力松弛现象。图9 表明，E-1、S-1 锚杆轴力随基坑开挖而略有增加，但增加幅度不大；而W-1 则出现明显应力松弛现象，锁定后预应力损失超过63 kN。鉴于以上分析，锚杆设计锁定值应以轴力监测数据为准；考虑预应力松弛现象普遍存在，张拉过程中可适当进行超张拉，以保证锁定值满足设计要求。

3.3 监测结果总结

本工程基坑四周整体水平位移较小，平均位移小于2 mm。最大位移发生在基坑西侧北段，可能与此处受细粒花岗岩岩脉的影响，钻孔灌注桩施工未达到设计桩长有关。在基坑开挖及使用过程中，基坑北侧、南侧支护结构顶部垂直位移变化不大。最大垂直位移2 mm 出现在基坑西侧，远未达到报警值，说明支护结构是安全稳定的。基坑北侧垂直位移一直变化不大，说明毗邻地下室部位采用水泥土重力式挡墙支护型式是可靠的。基坑周边建筑物最大沉降量1 mm，说明基坑开挖及降水对周边建筑物的影响不大。

监测结果表明，基坑位移，锚杆轴力均小于设计值。考虑本工程周边环境条件较为复杂设计安全系数较大，扩大头锚杆抗拔承载力远未发挥；此外，可能与设计计算中未考虑降水引起基坑周围土层物理力学参数的提高有关。

4 结论

(1)在滨海地下水位较高且存在饱水砂层的情况下，可通过设置扩大头锚杆来解决在地下水头较高的部位设置多道锚杆引起的涌砂冒水的问题。

(2)控制性降水可有效减小作用于支护体系上的水压力，对支护体系的安全起积极作用。

(3)通过优化设计选择控制性降水的最优降深，既可以有效降低水头，又能达到保证基坑周边建(构)筑物、地下管线的使用安全的目的。