桩锚支护结构参数分析
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摘要：本文结合某工程实例详细分析了深基坑桩锚支护结构设计的影响因素。
1工程概况
某企业办公楼工程平面形状大致为矩形，长55.5m，宽50.1m，地上六层，地下一层，框架结构，拟采用桩筏联合基础。地下一层基础平面标高-3.900m，考虑地基处理厚度以后基坑开挖深度约6.0m。从现场周边环境看，基坑北侧有一围墙；基坑西侧左下角处紧邻一五层既有办公楼，其距坑边2.0m，该办公楼采用浅基础，基础埋深1.8m；基坑南侧紧邻2.5m宽的马路；基坑东侧地势较为开阔。考虑到基坑开挖过程的安全，对基坑周边局部位置采取支护措施。在基坑支护设计深度范围内，场地地层分布顺序自上而下分述如下：
① 杂填土（ ）：杂色，主要由粉土组成，含混凝土碎块、建筑基础杂土和少量生活垃圾、砾石等杂物，土质不均匀，稍湿，稍密状。该层在场地内均有分布，厚度：0.4～1.2m，平均厚度0.7m；层底标高：98.21～98.8m。
② 粉质粘土（ ）：浅红色，稍湿至湿，土质较均匀，稍密—中密状，局部含薄层砂、砾石。硬塑至坚硬状态。该层局部为砂质粉土。该层在场地内均有分布场区普遍分布，厚度：2.4～5.6m，平均厚度3.8m；层底标高：96.71～97.95m。
③ 砂质粉土（ ）：浅红色，稍湿，土质较均匀，中密状，摇振反应中等，无光泽，干强度中等，韧性低，平均厚度14.1m。
2 支护方案
（1）基坑支护土体参数
基坑开挖设计深度6.0m，基坑土体参数根据岩土工程勘察报告工程选取见表1。
（2）基坑支护结构设计
经过比较分析，针对现场实际情况，基坑西侧紧邻五层办公楼的位置采用排桩预应力锚拉杆支护，排桩之间采用土钉挂网喷射混凝土；基坑西侧、南侧采用土钉墙支护。
此处设计计算仅讨论基坑西侧紧邻既有五层办公楼区域的排桩预应力锚拉杆的设计。计算采用《深基坑支护结构设计软件》进行，设计过程中，既有办公楼的楼层荷载按每层10kN/m2考虑，设计嵌固深度4.0m，桩距2.0m，基坑重要性取1.1。锚杆材料选用HRB400级精轧螺纹钢筋，直径28mm，锚杆孔径150mm，锚杆水平倾角10°。支护桩桩径800mm，混凝土强度等级C25，混凝土保护层厚度取50mm。
3 单支点桩锚支护结构设计参数的影响分析
影响单支点深基坑桩锚支护结构的设计参数很多，具体有土体参数：土体重度 、粘聚力c、内摩擦角 、土体与锚固体间的界面摩阻力 ；地面荷载 ；锚杆参数：锚杆离支护桩顶部的距离 、锚杆孔径 ；支护桩参数：桩径 、混凝土强度等级。在上述参数中，土体参数针对具体的工程是不可改变的。因此，为了进一步了解各参数对支护结构设计的影响或者他们之间的相互关系，下面的计算分析中以某企业办公楼工程的计算分析为基础，保持其余参数不变，而计算某一参数的变化对其余相关量值的影响，以其所得结论能够对工程设计提供指导依据。
3.1坑顶荷载的大小与作用区间
在采用桩锚支护结构的深基坑工程中，一般都紧邻既有建筑物，基坑的开挖施工需要充分考虑建筑物的安全。从计算理论上分析，既有建筑物对支护结构的影响都等效为地面荷载，地面荷载对支护结构的影响体现在两个方面：一方面是地面荷载本身的大小，另一方面是地面荷载的作用范围，即建筑物离坑顶的距离。根据民用建筑框架结构在计算框架柱截面尺寸的近似计算时的荷载近似取法，楼层荷载一般按10～14 kN/m2考虑。如果保持锚杆作用位置和支护桩的嵌固深度不改变，图2～6给出了地面荷载大小和作用范围变化对锚杆内力和支护桩内力的影响。由图2～6.可知：
（1）锚杆的轴力随地面荷载的增加而逐渐增加，两者呈近似线性关系。当地面荷载为50kN/m2，锚杆轴力设计值为147.94kN，当地面荷载为100kN/m2，锚杆轴力设计值为284.5kN，此时如果仍然采用HRB400级钢筋，直径为28mm，锚杆本身的抗力为221.6 kN，很显然，此时单根锚杆已不能满足支点力的要求。解决上述问题的办法有两种，一是加大锚杆直径，提高单根锚杆的截面面积；二是减小支护桩的水平间距。
（2）随着地面荷载的增加，支护桩的弯矩设计值也逐渐增大，当地面荷载小于90kN/m2，弯矩设计值的增加速度较快，此后增加速度变缓。从图4可以看出，尽管弯矩一直随地面荷载增加而增加，但是支护桩的剪力设计值却表现出先减小后增加的趋势，在本例分析中，当地面荷载为40kN/m2，支护桩的弯矩设计值为428.41 ，剪力设计值为252.42 kN。
（3）当地面荷载在坑顶周围满布时，锚杆轴力设计值最大，达到147.94kN。如果既有建筑物离坑顶有一定距离，锚杆轴力会大大减小。比如当此距离达到2.0m时，锚杆轴力设计值减小为111.97kN，而且当距离超过2.0m后，锚杆轴力减小的幅度会降低，这说明随着既有建筑物离坑顶距离的增加，锚杆轴力大小受到的影响逐渐降低。当此距离达到5.0m时，锚杆轴力仅为85.93kN，因此从工程经济的角度考虑，可以考虑将排桩预应力锚拉杆的支护方案变更为复合土钉预应力锚拉杆的联合支护方案。
（4）地面荷载离坑顶的距离对支护桩的弯矩和剪力设计值影响较为明显。其中，对支护桩弯矩的影响规律类似于对锚杆轴力的影响规律，即弯矩设计值随既有建筑物离坑顶距离的增加而逐渐降低；对支护桩剪力的影响该规律类似于地面荷载大小对支护桩剪力的影响规律。
3.2 锚杆设计参数
锚杆的设计参数主要包括锚杆离坑顶的距离 、锚杆孔径 。其中锚杆的作用位置即离坑顶的距离 影响锚杆的内力和支护桩的内力，而锚杆的孔径影响锚杆的长度。图7～10反映了这几者之间的关系，由图7～10经分析知：
（1）锚杆离坑顶的距离
根据深基坑排桩预应力锚拉杆支护结构的计算模型，在不考虑桩顶冠梁的作用条件下，排桩在锚杆支点以上相当于悬臂结构。所以从结构的受力状态考虑，锚杆不宜过于靠下，因为过于靠下会致使锚杆受力较大，而且在支点位置支护桩的弯矩和剪力都较大。该基坑深度6.0m，如果将锚杆设置在离坑顶2.0m的位置，锚杆轴力设计值为147.94kN，支护桩最大弯矩497.99 ，支护桩最大剪力279.19kN；当锚杆设置在离坑顶4.0m位置时，锚杆轴力设计值为250.18kN，支护桩最大弯矩262.06 ，支护桩最大剪力370.68kN。由此可见，随着锚杆作用位置的改变，支护桩最大弯矩和剪力的位置也发生改变。很显然，随着锚杆位置的下移，最大剪力的位置发生在锚杆支点处，而最大弯矩刚开始产生在锚杆作用位置与支护桩的嵌固端之间，但是在锚杆下移到3.5m以下后，支护桩的最大弯矩作用位置产生在锚杆支点处。由于支护桩的作用原理与民用建筑结构中的工程桩主要受压不同，此处的支护桩主要是承受水平推力，因此要充分利用嵌固部分土体的被动土压力，如果将锚杆设置过于靠下，土体的被动土压力则不能有效利用。一般来讲，对于单支点排桩支护结构，将锚杆设置在基坑深度的H/3处是比较合理的。
（2）锚杆孔径
锚杆的设置长度受到多个因素的影响，包括孔径、锚杆水平倾角、锚杆穿越土层的性质、锚杆的受力大小、既有建筑物的基础型式。如果既有建筑物采用桩基，则锚杆的设置位置受上述因素的影响较小。如果建筑物采用筏基，则筏基下面很可能为卵石层，此时锚杆成孔较为困难。理论上讲，锚杆成孔越大，则锚杆受力越好，锚杆长度可以设计得越短，本例分析中锚杆孔径设计为150mm，此时锚杆长度设计为11.5m，而当锚杆孔径为90mm，锚杆长度须达到17.7m，当锚杆孔径为200mm时，锚杆长度可以减小为9.6m。而且由图11可见，锚杆孔径在超过130mm后，孔径的大小对锚杆长度的影响逐渐削弱。在实际工程中，锚杆孔径可以设计为130mm左右，这还需要考虑成孔机械的影响。如果既有建筑物的基础为筏板基础，锚杆一般紧贴筏板底面设置，此时可以将锚杆的水平倾角尽量设小，否则成控过程中容易引起塌孔。
3.3 支护桩设计参数
根据《建筑桩基技术规范》，当桩径达到800mm时即为大直径桩。影响支护桩配筋的主要因素是桩径和桩的混凝土强度等级。图12和13给出了桩径和混凝土强度等级对支护桩配筋的影响。
由图12可知，当桩径增大时，支护桩的配筋量减小。如桩径为800mm时，所需配筋量为5655.8mm2，而当桩径达到1200mm时，配筋量减小为3429.3mm2，减小幅度达到39.4%。因此，理论上讲，增大支护桩的直径也是减小其配筋量的有效措施。但实际施工时，增大直径对于在卵石中来讲难度较大，所以综合考虑一般不采取这种方法。
（2）混凝土的强度等级
混凝土强度等级对支护桩配筋量的影响没有桩径的影响明显，由图13可知，当采用C20混凝土时，配筋量为5787.3mm2，而采用C45混凝土时，配筋量下降为为5354.0mm2，下降幅度仅为7.5%。所以采用提高混凝土强度等级的办法来减小支护桩的配筋量的做法是不可取的，再考虑到支护桩是临时性支护结构，混凝土强度等级一般采用C25足够了。
4 结论
本文结合某工程实例详细分析了深基坑桩锚支护结构设计的影响因素，具体包括地面荷载的大小和作用范围、锚杆离支护桩顶部的距离、锚杆孔径、桩径、混凝土强度等级。所的结论如下：
（1）地面荷载增大，锚杆轴力和支护桩弯矩均增大，而支护桩剪力则先减小后增大；地面荷载的作用位置距离坑顶边缘越远，锚杆轴力和支护桩弯矩都有明显减小趋势，而支护桩剪力则先减小后增大，在实际工程中，应该充分考虑既有建筑物离坑顶的距离，当此距离超过5.0m时，应该考虑更加经济的支护方案。
（2）锚杆的作用位置对锚杆支点反力和支护桩内力影响明显。根据计算分析和以往的工程经验，锚杆一般布置在离坑顶H/3的位置较为合理。
（3）支护桩的桩径对其配筋量影响较混凝土强度等级的影响要明显，但是桩径过大会造成机械成孔困难，所以现在常用的支护桩的桩径为800mm，而混凝土强度等级一般采用C25。