桩锚支护结构在基坑工程中的应用及稳定性影响因素分析

贺炎九（中国建筑材料工业地质勘查中心安徽总队，安徽 合肥 230088）

基坑工程作为重要的地下空间基础设施建设形式，对于城市的发展起到了至关重要的作用。在基坑工程中，为了保证工程的安全和稳定，支护结构的设计和选择变得尤为重要[1]。其中，桩锚支护结构作为一种常见且有效的支护形式，通过使用锚杆将土体约束在桩体和锚杆形成的支护体系内，以保证基坑的稳定和安全，因此，桩锚支护结构被广泛应用于各类基坑工程中[2-3]。

本文依托龙泉广场（老龙眼居住区B1组团）项目，运用弹性分析法对桩锚支护结构的受力和变形进行详细计算，并基于灰色关联法对基坑支护的稳定性影响因素进行深入分析，研究成果可为基坑工程设计提供科学依据和技术支持，从而提高基坑工程的施工质量和安全性。

1 工程概况

该项目位于淮南市田家庵区，洞山路（现状）以南，项目拟建3栋高层建筑，分别为3#楼（33层）、2#（33层）和1#（26层），基坑内拟建1层地下车库，地表正负零高程为39m，基底高程为29.3m～34.4m，基坑用地红线与基坑坡脚开挖线的距离为4.06m～11.76m，基坑东侧为2 层低楼层建筑物，与基坑坡脚开挖线距离为6.27m～7.53m，西侧分布有5～7 层民用多层建筑物，与基坑坡脚开挖线距离为5.53m～19.45m。基坑支护工程为临时工程，基坑支护有效深度为4.6m～9.1m。如图1 所示，1-1断面、4-4断面基坑侧壁安全等级为一级，基坑侧壁重要性安全系数为1.1；2-2断面、3-3断面、7-7断面基坑侧壁安全等级为二级，基坑侧壁重要性安全系数为1.0；其他断面基坑侧壁安全等级为三级，基坑侧壁重要性安全系数为0.9。

图1 基坑平面布置图

2 基坑支护设计分析

基坑支护范围内岩土简单，自上而下依次为①杂填土、②黏土、③强风化泥质粉砂岩、④中风化泥质粉砂岩，土层分布稳定，支护范围内主要为①杂填土中的上层滞水以及③层强风化泥质粉砂岩中的裂隙水。综合分析工程特征和多方案经济与技术比较，确定基坑1-1断面～5-5断面采用排桩+锚索支护，6-6断面、7-7断面采用土钉墙支护。支护桩采用干作业成孔旋挖桩施工工艺，其直径为900mm，桩间距为1800mm，桩长范围为9.5m～14.8m，桩身混凝土强度等级为C30。桩锚支护结构的设计以4-4 断面为例，计算模型如图2 所示，各层土的物理力学指标见表1。

表1 基坑开挖范围内土层物理力学性质

图2 4-4断面桩锚支护设计计算模型

基坑开挖分为5 个步骤，分别为步骤①：从地面开挖至4.0m；步骤②：加第一道锚索支撑；步骤③：从4m开挖至7m；步骤④：加第二道锚索支撑；步骤⑤：从7m开挖至9.1m，基坑开挖完成，封闭坑底。基坑开挖过程中，共施作了2道预应力锚索支撑，锚杆的预加应力、几何尺寸等计算参数见表2。锚索采用的钢筋级别为HRB400，由7 根钢绞线组成，锚索强度设计值为1220MPa，强度标准值为1720MPa，锚索弹性模量为2×105MPa，注浆体弹性模量为3×105MPa，锚杆抗拔安全系数为1.6，锚杆荷载分项系数为1.25。

图3为基于弹性分析法的桩锚支护结构受力和变形计算结果。从图3中可以出，随着基坑开挖工作的不断推进，支护桩的位移从最初的桩顶最大，变为基坑开挖面下最大，最后在开挖至底部时，支护桩的位移最大值发生在基坑开挖面以上；基坑支护桩的弯矩受到预应力锚索的影响，由于锚索的支护、约束和荷载传递作用，支护桩的弯矩荷载转化为预应力锚索的拉力，并传递给周围土体，锚索对弯矩曲线具有削峰作用，支护桩的弯矩最大值也发生在基坑开挖面附近；基坑支护桩的剪力主要发生在基坑开挖面以下，预应力锚索对剪力具有直接的抵消作用，在加预应力锚索位置，桩身的剪力曲线出现反向突变。经过统计分析，基坑内侧最大弯矩为286.79kN·m，外侧最大弯矩为54.31kN·m，桩身最大剪力为137.13kN，第一道锚索轴力为125.61kN，第二道锚索轴力为127.71kN。

图3 桩锚支护结构的受力和变形计算结果

3 基于灰色关联法的基坑支护稳定性影响因素分析

基坑工程具有复杂多变性、时空变异性，桩锚支护结构的内力、变形和稳定性的影响因数众多，因此，在确定桩锚支护结构设计参数时，应对不同的影响因素进行敏感性分析[4]。灰色关联理论的本质为单因素敏感分析方法，它能够在有限资料、数据量较少、信息不完全、结构不复杂的情况下，通过改变一个因素变量而其余变量保持不变，定量分析多个敏感因素中某个指标变量的影响程度，并运用关联系数指标来判断各个影响因数与参变因数之间的强弱关联程度，关联度越大，表明比较变量因数（比较列）与参考变量因素（参考列）之间的相关程度越高，反之则越小[5-6]。具体而言，关联系数是两个变量之间的关系及相关方向，取值范围在-1～1之间。当关联系数为-1时，表示两个变量呈现负相关；关联系数为0时，表示两个变量没有相关性；关联系数为1时，表示两个变量呈现正相关。在桩锚支护结构中，对基坑支护稳定性的影响因素众多，包括支护桩结构、锚索结构、土体强度等。在灰色关联法理论中，比较变量和参考变量的矩阵表达形式如式（1）和式（2）所示[7]。

式中A为比较列矩阵；aij为比较因变量因素；B为参列矩阵；bij为参考因变量因素。

对式（1）和式（2）进行无量纲化后，得到两者的关联系数，如式（3）所示[8-9]。

式中λ为分辨系数，可取值为0.5。

对式（3）中计算的各项关联系数进行求平均，得到关联度ζi，如式（4）所示。

基于龙泉广场（老龙眼居住区B1 组团）项目基坑工程桩锚支护设计结果，可以通过改变桩直径、桩间距、桩嵌固深度、锚索预应力、锚索长度和锚索倾角，研究这些变量对基坑稳定性的影响程度。每个影响因素的取值见表3。

表3 基坑稳定性影响因素取值

按照式（1）～式（2）可以得到比较列矩阵和参考列矩阵如式（5）和式（6）所示。

由此可以按照式（4）得到桩直径、桩间距、桩嵌固深度、锚索预应力、锚索长度和锚索倾角的灰色关联度，依照关联度大小对各因素进行排序，关联度越大表示该因素与参考因素的关系越紧密，结果见表4。

表4 基坑稳定性影响因素灰色关联度计算结果

通过式（3）可以得到关联系数，如式（7）所示。

由此表明，关联度由大到小排序为桩直径、桩间距、桩嵌固深度、锚索长度、锚索预应力、锚索倾角。其中，桩直径、桩间距、桩嵌固深度的关联度均大于0.7，表明基坑稳定性对这三个影响因素较为敏感，在实际工程可以通过调整桩直径、优化桩间距和增加桩嵌固深度的方法改善基坑的稳定性。

4 结语

以龙泉广场（老龙眼居住区B1 组团）项目基坑工程设计为研究对象，运用弹性分析法对桩锚支护结构的受力和变形进行计算，并基于灰色关联法对基坑支护稳定性影响因素进行分析，得到以下结论：

（1）随着基坑开挖工作的不断推进，支护桩的位移从最初的桩顶最大，变为基坑开挖面下最大，最后在开挖至底部时，支护桩的位移最大值发生在基坑开挖面以上；锚索对弯矩曲线具有削峰作用，预应力锚索对剪力具有直接的抵消作用。

（2）基于弹性分析法表明，桩锚支护结构基坑内侧最大弯矩为286.79kN·m，基坑外侧最大弯矩为54.31kN·m，桩身最大剪力为137.13kN，第一道锚索的轴力为125.61kN，第二道锚索的轴力为127.71kN。

（3）基于灰色关联度法计算结果表明，影响因素关联度由大到小排序为桩直径、桩间距、桩嵌固深度、锚索长度、锚索预应力、锚索倾角。其中，桩直径、桩间距、桩嵌固深度的关联度均大于0.7，表明基坑稳定性对这3个影响因素较为敏感，在实际工程可以通过调整桩直径、优化桩间距和增加桩嵌固深度的方法改善基坑的稳定性。