新型装配式桩锚连接装置受力性能分析与设计方法

王建安 徐传召 雷方超 戚长军 樊 凯

（1.机械工业勘察设计研究院有限公司，陕西西安 710043；2.陕西省特殊岩土与处理重点实验室，陕西西安 710043）

0 引言

锚拉式支挡结构通过深入稳定岩土体的锚杆（索）提供支点反力,以平衡设置在被防治对象侧壁并嵌入底面的挡土构件上传递来的岩土压力，从而实现被防治对象的安全稳定，在基坑支护、边坡防治等岩土工程防治领域中应用广泛。锚杆（索）与挡土构件连接的可靠性关乎支挡结构的有效性以及被防治对象的安全性。

桩锚式支挡结构是锚拉式支挡结构的一种，由护坡桩、腰梁（又称横梁）及锚杆三部分组成[1]，由于其良好的支护效果而得到广泛应用，该支挡结构效果的好坏是腰梁、锚索、桩体及其后土体共同协调作用的结果；腰梁的刚度、支护桩的刚体位移、锚索的材料性能、加固区土体的蠕变特性都会对锚索预应力的损失产生影响。

目前，有众多学者对桩锚式支挡结构进行了大量研究，通过理论分析、现场检测试验和数值模拟对桩锚的连接做了更深入分析，总结出一些有实用价值的结论以及一些创新性的工艺技术。徐 勇等[2]在腰梁与支护桩之间以细石混凝土填充，采用20 mm 的厚钢板作为垫板并且焊接在腰梁上，加强了支护的整体稳定性。王稹筠等[3]、刘 泉等[4]利用混凝土支撑腰梁和结构墙体二合一的施工技术，解决临时腰梁与侧墙冲突问题，不但加快了施工进度，还节省了工程费用。习铁宏[5]通过对传统桩锚支护技术进行改良，将腰梁及锚头全部嵌入桩内皮连线以外的桩间土位置，并采用特殊方法解决了腰梁与桩体间的有效传力技术；在不增加造价的情况下成功地解决了腰梁占用肥槽空间的技术难题。王宪章等[6]提出了无腰梁预应力锚索护壁桩的施工工法，该技术使建筑基坑支护施工更加简便，节省空间与施工成本。韩凤霞等[7]阐述一种新型的在基坑及边坡支护工程中的传力装置−双向支座法，在基坑支护工程中具有较高的推广和实用价值。孙建乐等[8]利用高性能复合灌浆料植筋锚固技术重做腰梁，由于植筋工艺对原结构破坏较低，锚固效果好且性价比高，在腰梁的修复中有较好的应用前景。蔡冠军[9]发明了一种采用两个锚具反向放置锁定的方式将锚杆的钢绞线连接起来的新型方法，可有效限制基坑位移的增加。王传鹏[10]对腰梁在桩锚支护中的应用及对锚索预应力的损失影响做了初步分析，结果表明腰梁稳定性在桩锚支护中起到非常关键的作用，在以后的实际工程中应重视腰梁的设计、施工及稳定性验算。

本文在分析现有桩锚式支挡结构连接问题的基础上，提出了一种新型的桩锚连接装置，介绍了该连接装置的受力性能和设计施工方法。

1 传统桩锚支挡结构连接方式存在的问题

目前用于深基坑支护的支护桩与锚索的连接，一般是采用以腰梁作为预应力锚具的支托，锚索张拉预紧后，锚具将锚索的锚固拉力经腰梁传给支护桩[11]。图1 为传统的锚拉式支挡结构现场施工图。锚杆（索）与挡土构件的传统连接方法为钢腰梁、钢筋混凝土腰梁连接，近年来新出现了无腰梁连接工法。

图1 传统的锚拉式支挡结构

（1）型钢组合腰梁，该连接装置往往因为挡土结构施工偏差，挡土结构临空面不在同一平面，腰梁不与挡土构件有效接触，挡土构件无法将力有效传递至最近锚杆（索），从而导致腰梁局部受力过大而发生扭转、翻背等局部失稳现象，进而可能危及被防治对象的安全。腰梁受力不均发生破坏现场施工图见图2。

图2 腰梁受力不均情况

（2）钢筋混凝土腰梁刚度大，与挡土构件可以紧密连接，但存在模板加工困难、施工周期长、混凝土硬化慢、自重大等缺点[12]。

（3）锚杆（索）常通过锚具对腰梁施加预应力，再通过腰梁传递到挡土构件上以减少土体变形，确保坡顶被保护建（构）筑物安全，但经常因为传力不直接，造成预应力损失大，影响预应力施加效果。

（4）传统腰梁回收困难，耗钢量大，腰梁的制作安放困难，劳动强度大，与保护环境及节约资源要求不符（见图3）。

图3 传统腰梁施工图

（5）新出现的无腰梁工法具有传力直接、操作简单等优点，但缺乏整体性，桩两侧锁定力不平衡。

传统的锚拉式支挡结构由于设计直观，施工简便，已在基坑支护工程中应用了数十年，但是经过对多个工程实践的总结，传统的锚拉式支挡结构存在着较大的弊端。其腰梁与支护桩的施工间隙在支护工程中普遍存在，在实际的施工过程中，很难保证将支护桩的侧立面保持在一个平面，从而导致腰梁不能与支护桩紧密连接，存在一定的缝隙，致使锚索的预应力不能有效地传递给支护桩，而且导致腰梁的受力不均，很有可能影响支护结构的安全性。图4 为施工现场支护桩与腰梁间隙过大，导致锚索预应力传递不均，致使腰梁发生破坏，基坑坍塌。

图4 传统腰梁的破坏[13]

在实际的施工过程中，造成腰梁与支护桩的施工缝隙质量问题的主要因素有[7]：①放线定位偏差；②钻孔孔位偏差；③钻孔倾斜度偏差；④塌孔引起的成桩偏差。如果在现场的施工过程中严格把控施工质量，使得每个施工步骤中的施工误差都能满足规范要求，但是依然会在腰梁与支护桩之间形成0~50 cm不等的缝隙。当锚索施加预应力时，若支护桩的侧立面保持在一个平面内，腰梁会与每一个支护桩之间形成支点，确保腰梁具有连接排桩的整体作用；如支护桩的侧立面没有保持在一个平面内，腰梁与每一个支护桩的连接中会有多个支点存在缝隙，导致腰梁的支点跨度增大，弯矩将大幅度增加，超过腰梁的屈服强度，最终使得腰梁发生变形甚至破坏，使其失去连接排桩的整体作用，严重影响锚拉式支挡结构的安全性。

2 装配式桩锚连接新装置的研制

针对存在的上述问题，需要对传统的锚拉式支挡结构进行优化，研究了一种新型的桩锚连接装置，保证复杂环境条件下的边坡工程安全，节约工程材料用量，降低支护工程造价，加快施工进度，减少建筑垃圾排放，创造更大社会和经济效益。装配式支挡结构连接装置，解决了现有技术中存在的钢腰梁容易因局部受力过大而发生扭转、翻背的局部失稳现象以及钢筋混凝土腰梁模板加工困难、施工周期长的问题。

2.1 新装置的结构

采用新型装配式桩锚连接装置的支挡结构（见图5），挡土构件连接件置于挡土结构支护桩上，通过钢楔与型钢组合腰梁紧密连接；锚索被锚具锁定后通过钢角度垫块与型钢组合腰梁紧密连接。

图5 新型装配式桩锚连接装置支挡结构布置图

挡土构件连接件包括弧形钢板，弧形钢板的下表面连接有两个平行设置的肢腿，弧形钢板的弧度与支护桩相适应，两个肢腿伸入型钢组合腰梁的间隙内（见图6）。

图6 挡土构件连接件的结构示意图

两个肢腿和型钢组合腰梁之间形成矩形空隙且矩形空隙内还嵌设有楔形钢板，楔型钢板上设置有预留孔，每个挡土构件连接件内嵌设的多个楔形钢板通过钢丝穿过预留孔依次连接为一个整体（见图7）。

图7 楔型钢板示意图

2.2 新装置受力分析

某深基坑工程基坑深17.2 m，采用桩锚支护，支护桩直径0.8 m，桩间距1.5 m，锚索于桩间设置，第二道锚索的承载力设计值为400 kN，腰梁采用本新型装配式桩锚连接装置。

根据《建筑基坑设计技术规程》（JGJ20−2012），腰梁可以按简支梁或连续梁进行设计计算。本文采用连续梁进行计算，将支护桩、腰梁和锚索之间的力的作用相对应地简化为一个集中力F（锚索承载力设计值）、支座反力z和腰梁L（腰梁长度取5 跨计7.5 m）的超静定结构（见图8）。

图8 超静定梁的计算简图（单位：kN·m）

腰梁设计以并不超出屈服强度，确保梁能够正常处于工作状态为准（见图8）。计算梁的弯矩及剪力见图9、图10。

图9 梁的弯矩图（单位：kN·m）

图10 梁的剪力图（单位：kN）

上述连续梁的最大弯矩：

Mmax=102.63 kN·m,

最大剪力：Qmax=263.16 kN。

Q235 材质的抗弯强度设计值f＝205 N/mm2，抗剪强度设计值fv＝120 N/mm2。由于采用双道工字钢，故腰梁的弯矩、剪力均减半，即：

M=51.32 kN·mQ=131.58 kN

腰梁所需的截面模量：

Wx=M/f=250341 mm3

腰梁所需的截面面积：

A=Q/fv=1097 mm2

经查表得，选取两根[20b]槽钢为腰梁。

在同等的条件下，采用传统腰梁，由于腰梁与支护桩之间会存在一定的间隙，导致部分支护桩不能有效地与腰梁接触，故取上述连续梁中支点3 不存在（见图11）；重新计算梁的弯矩和剪力见图12、图13。

图11 支点3 失效的计算简图（单位：kN·m）

图12 梁的弯矩图（单位：kN·m）

图13 梁的剪力图（单位：kN）

上述连续梁的最大弯矩：

Mmax=201.02 kN·m

最大剪力：

Qmax=405.53 kN

腰梁所需的截面模量：

Wx=M/f=536834 mm3

腰梁所需的截面面积：

A=Q/fv=3379 mm2

经查表，需选取两根[28b]槽钢为腰梁。

经上述计算分析，传统锚拉式支挡结构由于部分锚索预应力不能有效地传递给支护桩，导致腰梁的弯矩大幅度增加，需设置较大腰梁，造成支护成本增加；如在施工过程中存在多根支护桩与腰梁无法有效传力情况下，则会导致支挡结构发生破坏，严重影响支护体系的安全性。而采用本新型装配式桩锚连接装置，既可以使锚索的预应力得到有效传递，确保腰梁与支护桩连接的整体性，也可以优化腰梁的设计参数，节约钢材用量，提高支护体系整体的可靠性。

2.3 新装置的施工方法

装配式支挡结构连接装置，包括在岩土体内竖直设置的多根支护桩，多根支护桩背离岩土体的一侧沿支护桩的长度方向至少设置有一道呈水平放置型钢组合腰梁，型钢组合腰梁的间隙内均匀穿设有多个挡土构件连接件，挡土构件连接件与支护桩一一对应设置，挡土构件连接件另一端卡接在与其对应的支护桩上，相邻两个支护桩之间设置有锚索，锚索内固定有多根钢绞线，多根钢绞线的另一端穿过型钢组合腰梁的间隙连接有锚具。

如图14所示为一种装配式支挡结构连接装置的结构示意图。图15、图16 为其剖面图。

图14 一种装配式支挡结构连接装置的结构示意图

图15 A–A 剖面图

图16 B–B 剖面图

装配式支挡结构连接装置施工步骤如下：

（1）支护桩及锚索施工完成并达到设计强度要求后，将型钢组合腰梁水平放置于设计位置，将挡土构件连接件的两肢腿插入型钢组合腰梁中两根型钢之间的间隙，将钢角度垫块通过弯钩挂于型钢组合腰梁上；

（2）调整挡土构件连接件及钢角度垫块位置，使其分别与支护桩和锚索对齐；

（3）将楔型钢板置入并塞满由挡土构件连接件的两个肢腿和型钢组合腰梁之间的矩形空隙中，用钢丝通过预留孔将楔型钢板连接为一个整体；

（4）用锚具通过钢角度垫块将钢绞线固定后，通过千斤顶对锚索施加预应力，并锁定锚头，完成对锚索的张拉锁定；

（5）卸载千斤顶，完成支挡结构连接。

3 结论

针对现阶段桩锚式支挡结构中，腰梁与支护桩之间施工间隙的通病，提出了一种新型的桩锚连接装置，该连接装置由弧形钢板和两个平行的肢腿构成，与支护桩一一对应设置，通过楔形钢板与型钢组合腰梁连接牢固，与传统连接方式相比具有以下优点：

（1）锚索（杆）与支挡结构通过本连接装置连接牢固，既充分发挥腰梁的支座作用，又避免腰梁扭转、翻背等局部失稳情况，可有效避免因局部失稳引起的整体破坏。

（2）本连接装置具有自重小、施工便捷、即装即用、刚度可充分利用等优点。

（3）采用本装置的预应力施加及锁定方法具有预应力传力直接、预应力损失小的优点。

（4）本装置采用装配式构件，可根据锚索（杆）及支挡构件间距和位置灵活调整装置配件位置，组合及拆除简单易行，可方便回收并循环使用。

（5）通过该装置将锚索（杆）与挡土构件连接起来，多个支挡构件组合的支挡结构整体协同受力，整体性好。