浅谈深基坑工程中锚拉桩支护设计与应用

汪 旭（中国建筑材料工业地质勘查中心广西总队，广西 桂林 541002）

土木工程中，建筑物施工阶段必然会涉及岩土工程，其中一方面就是基坑工程，基坑支护则是基坑工程中的关键步骤。而岩土工程本身具有不确定性的特点，使岩土工程在施工过程中始终存在安全隐患，若设计安全储备不足，又与恶劣环境叠加，使施工中更易发生工程事故，给工程各方带来损失，所以，为了使地下工程安全施工和满足施工质量，必须充分了解基坑工程特性，特别是支护措施的选择和使用，从而保证工程的整体质量。本文通过护壁桩的方案分析必选，并结合工程案例，对锚拉桩进行设计与探讨。

1 悬臂桩与锚拉桩支护原理分析

悬臂桩支护结构是采用排桩作为挡土结构，无侧向支撑，依靠足够的入土深度和结构的抗弯能力来维持整体稳定和结构安全[1]。悬臂桩力学模型为静定结构，仅嵌固端提供抗力，抵消荷载作用。

锚拉桩是在排桩的基础上添加一个或者多个侧向支撑，力学模型由静定结构变成一次到多次超静定结构，支撑的作用使该位置位移显著减小，结构内力重分布，最大位移量降低，见图1。

图1 悬臂桩与锚拉桩挠度曲线分析图

根据桩的力学模型及前人的推导[3-4]不难发现，悬臂桩上的最大位移大于锚拉桩，单支点锚拉桩最大位移不大于多支点锚拉桩。由于桩挠度与其侧向支点间距的n次幂成正比，因此减小侧向支点间距或者增加侧向支点数量是减小桩最大位移的有效方法。

在锚拉桩工程中，若锚索布置层数过多，会形成群锚效应，对锚索的锚固能力削弱，锚索材料不能得到充分利用。再者实际工程中，允许护壁桩发生位移，但需在限制范围内。故锚拉桩设计需要结合多种因素进行分析，选择合理的锚拉层数。接下来通过工程实例介绍锚拉桩的设计思路。

2 工程概况

本场地主要为某市拟建办公楼及配套设施[2]，办公楼地上17层及地下2层，框架剪力墙结构，裙楼2层，框架结构。场地西北角和东南角为地下室出入口，办公楼周边设有道路通道、地面停车位及景观绿化。

本项目设2 层地下室，拟建基坑底投影面积5841.61m2,支护底周长308.73m,基坑相对深度约为9.4m。根据规范[4]确定支护结构设计安全等级为一级。

3 工程地质条件

据钻探揭露资料，场地内岩土层按其成因及物理力学性质差异自上而下分为：人工填土层（Q4ml）、第四系冲积层（Q4al）、第四系残积层（Q4el），及上第三系基岩（N）四大单元层。由新至老分述如下：

3.1 人工填土层（Q4ml）

素填土（层序号1）:场区内钻孔均有分布，灰褐色、黄褐色，湿，松散状，主要由黏性土组成，局部由少量碎石块、砖块、混凝土块等建筑垃圾回填而成，部分地段顶部0.20m为混凝土，为新近人工堆填（堆填时间约2～4 年）。层厚0.60m～3.10m，平均1.72m；层顶标高3.90m～4.74m，平均4.29m；层顶埋深均为0.00m。

3.2 第四系冲积层(Q4al)

淤泥（层序号2-2）:少量分布，场区内仅ZK4 孔有分布，深灰色，灰黑色，饱和，流～软塑状，以黏粒为主，含有机质及粉细砂。层厚2.30m；层顶标高2.31m；层顶埋深1.90m。

黏土（层序号2-3）:局部分布，场区内于ZK1～ZK3、ZK7、ZK12、ZK17、ZK20共7孔有分布，灰色、灰黄色，湿，软塑，以黏粒为主，次为粉粒，含较多粉细砂，干强度较差。层厚0.40m～1.50m，平均0.97m；层顶标高1.98m～3.21m，平均2.53m；层顶埋深0.90m～2.60m，平均1.80m。

细砂（层序号2-3）:局部分布，场区内于ZK3、ZK4、ZK9～ZK11、ZK14～ZK17、ZK19、ZK20共11孔有分布，灰色、黄褐色，饱和，松散状为主，局部稍密，主要成分为石英细砂颗粒，局部含少量黏粒及淤泥质，部分夹有中砂粒，级配较差，分选性一般。层厚1.50m～4.20m，平均2.95m；层顶标高0.01m～3.9m，平均2.3m；层顶埋深0.60m～4.20m，平均1.99m。

粉质黏土（层序号2-4）:广泛分布，场区内ZK1、ZK5、ZK6、ZK8、ZK10、ZK13～ZK20 共13 孔有分布，黄褐色、褐红色、灰色，湿，可塑状为主，主要由粉粘粒组成，含少量砂粒，干强度较高。层厚1.10m～7.70m，平均3.78m；层顶标高-1.01m～2.52m，平均0.91m；层顶埋深1.80m～5.60m，平均3.38m。

3.3 第四系残积层（Q4el）

粉质黏土（层序号3）:局部分布，场区内于ZK1～ZK8，ZK10～ZK14、ZK16、ZK18～ZK20共11孔有分布，棕红色、浅红色，湿，硬塑，为泥质粉砂岩风化残积土，主要由粉黏粒组成，含砂，局部含风化砾石，遇水易软化。层厚1.10m～4.60m，平均2.58m；层顶标高-7.09m～2.01m，平均-1.55m；层顶埋深2.10m～11.50m，平均5.84m。

3.4 上第三系基岩（N）

全风化泥质粉砂岩（层序号4-1）:局部分布，场地内于ZK2、ZK6、ZK8、ZK10、ZK11、ZK12、ZK14、ZK15、ZK16共9孔有揭露，黄褐色、黄色，原岩结构尚可辨认，岩石已风化成坚硬土状，浸水易软化。层厚1.30m～5.50m，平均3.40m；层顶标高-3.80m～-0.46m，平均-2.11m；层顶埋深4.90m～8.30m，平均6.42m。

强风化泥质粉砂岩（层序号4-2）:场地内各孔均有揭露，棕红色、浅红色，岩石已风化成半岩半土状，岩块手可掰开，裂隙发育，浸水易软化，干钻难钻进，局部不均匀夹较多中风化岩块。揭露厚度4.10m～18.50m，平均11.44m；层顶标高-9.79m～-2.36m，平均-5.70m；层顶埋深7.10m～14.20m，平均9.98m。

中风化泥质粉砂岩（层序号4-3）:场地内钻孔均有揭露，棕红色、浅红色，岩芯呈短柱状、长柱状，泥质胶结，层状构造，晒干或风干后易开裂，合金钻头钻进缓慢。揭露厚度3.00m～8.75m，平均5.84m；层顶标高-24.71m～-11.18m，平均-17.14m；层顶埋深15.30m～29.30m，平均21.43m。

场地地层物理力学性质指标取值见表1。

表1 场地地层物理力学性质指标取值

场地与钻孔平面位置如图1所示。

图1 场地与钻孔平面位置图

4 锚拉桩设计计算

通过上述工程背景及土工参数，根据规范[4]规定，锚拉桩需要进行整体稳定性验算、隆起稳定性验算和渗透稳定性验算。计算模型如图2所示。

图2 锚拉桩计算模型

基坑深度9.4m，嵌固深度7.1m，桩长16.5m，采用圆形钢筋混凝土桩，直径0.8m，桩间距1.6m，桩顶设冠梁，（b×h=0.9m×0.6m），混凝土强度等级均为C30。地下水埋深1.2m，基坑采用降水措施使基坑部位地下水降至地面以下11m处。

本工程锚拉桩采用两道锚索，锚索设计参数见表2。

表2 锚索设计参数

4.1 锚索计算

根据规范[4]公式进行锚索设计计算，结果见表3。

表3 锚索计算结果

4.2 整体稳定性验算

采用圆弧滑动条分法进行计算。公式如下：

经过理正基坑软件计算，最不利滑裂面为圆心坐标X=-1.251m，Y=10.896m，半径R=18.112m；整体稳定安全系数Ks=2.287。

4.3 抗倾覆稳定性验算

抗倾覆稳定性按下式计算。

Mp-被动土压力及支点力对桩底的抗倾覆弯矩,对于内支撑支点力由内支撑抗压力决定;对于锚杆或锚索，支点力为锚杆或锚索的锚固力和抗拉力的较小值。

Ma-主动土压力对桩底的倾覆弯矩。

当基坑开挖至设计深度时，基坑壁处于最不利状态，经计算抗倾覆安全系数Ks=2.695。

4.4 抗隆起稳定性验算

（1）从锚拉桩支护底部开始，逐层验算抗隆起稳定性，公式如下：

结果如图4所示，Rh2-S诱导K562和KG1a细胞24 h后，与对照组比较，促凋亡蛋白Bax与抑凋亡蛋白Bcl-2的比值增加；周期蛋白Cyclin D1表达水平降低（P＜0.05）。说明Rh2-S可以促进K562和KG1a细胞凋亡，并有效阻滞细胞周期。

经计算，锚拉桩支护底部抗隆起稳定性系数为Ks=7.073≥1.800。

（2）坑底抗隆起按以最下层支点为转动轴心的圆弧条分法计算，公式如下：

最下层支点为转动轴心计算抗隆起稳定系数为Ks=2.474≥2.200。

通过上述计算，锚拉桩支护稳定性满足要求，再进行桩和冠梁的内力计算和配筋，即完成锚拉桩的设计。

5 工程监测

在基坑支护工程中，应在支护结构、周边地面和建筑上布置监测措施，实时监控支护工程的变形动态，检验支护措施的效果，同时为今后基坑变形监测和预警提供依据[6]。

针对锚拉桩布置监测点有桩顶位移监测，坡顶土体沉降监测点，周边建筑物、道路变形观测点，锚索应力监测点，地下水位观测点等。

工程中派专人进行变形观测，定期巡查，超前预报，主要以全站仪量测、计算为主。在降雨过后应加密基坑巡视、观测次数，判断是否有超限的变形或位移。若发现基坑壁出现宏观变形或支挡结构有明显位移变形，应迅速上报并采取妥善处理，确保基坑内的设施和人员的安全。

本工程基坑监测全过程中发现基坑壁和支护结构均出现过变形位移，但均满足规范限制。

6 结语

回顾本项目，通过锚拉桩支护深基坑的方案是确实可行的。基坑支护结构的设计满足规范要求的同时，也要考虑方案的可行性和经济性[7]，以此保障深基坑支护工程的安全和设计的合理，结合全面的监测措施，促使基坑工程安全开展，以达到高质量地完成地下工程的目的。本文为锚拉桩在深基坑支护工程中的应用提供了实践经验及参考依据。