预应力锚杆与土钉墙复合支护体系在深基坑工程中的设计应用

预应力锚杆与土钉墙复合支护体系在深基坑工程中的设计应用

吴庭校

汕尾市公信建设工程设计审查有限公司516600

摘要：预应力锚杆复合土钉支护体系保持了土钉支护施工简便、工期短、造价低的优点，又改善了土钉支护水平位移和竖向沉降难以控制的缺陷，但其理论不成熟，设计多凭经验，因此本文对预应力锚杆复合土钉支护体系设计及在深基坑工程中的应用进行了分析。

关键词：预应力锚杆；土钉墙；深基坑；设计；应用

土钉支护具有施工简便、工期短、造价低等优点，在基坑支护工程中受到欢迎。然而土钉支护在土体变形受力后才能发挥支护作用，难以有效控制基坑变形和竖向沉降。预应力锚杆分自由段和锚固段，通过将被支护土体的荷载全部传递到锚固段上，是一种主动加固模式，对于基坑顶部水平位移和竖向沉降的控制较为有利。预应力锚杆与土钉复合支护可以改善单一土钉支护的不足，又能利用预应力锚杆变形控制之长，所以在基坑支护工程中得到广泛应用[1]。但预应力锚杆与土钉复合支护作用机理复杂，目前多采用经验设计，一定程度上影响到设计的精确性，设计结果多偏于保守[2]。因此，本文对预应力锚杆与土钉墙复合支护体系在深基坑工程中的设计应用进行了分析。

1预应力锚杆与土钉墙复合支护体系设计

1.1预应力锚杆复合土钉支护体系设计现状

目前，预应力锚杆复合土钉支护理论并不成熟，设计上也没有更好的办法。很多情况下，通过1+1=2进行叠加设计，然而1+1的特殊效应使得1+1小于2，甚至小于1。现有理论规范多认为，在预应力锚杆复合土钉支护体系中，土钉能发挥全部作用，通过对锚杆贡献的折减来确定基坑稳定性，但实际上因为锚杆刚度大，土压力会向锚杆集中，土钉难以充分发挥作用。《建筑基坑支护技术规程》（JGJ120-2012）第5.1.1条规定，土钉墙进行整体稳定性验算采用圆弧滑动条分法，并给出了公式（5.1.1-1）和（5.1.1-2）。而《复合土钉墙基坑支护技术规范》（GB50739-2011）第5.3.2条规定，复合土钉墙基坑稳定性采用简化圆弧滑移面条分法，并给出了公式（5.2.3-1）～（5.2.3-6）。在JGJ120-2012中，土钉与锚杆发挥的抗滑作用并无差别，而在GB50739-2011中因为采用了分项系数法，根据5.3.3条，土钉折减系数宜取1.0，即土钉不折减，而锚杆在≤300kN时，宜取0.5～0.7，并随锚杆抗力增大而减小。显然，GB50739-2011的方法更为合理，对锚杆进行折减相当于提高了锚杆的安全系数，工程实践也证明锚杆复合土钉体系破坏时，锚杆很少被拉断或拔出，从而保障了体系的可靠性。然而锚杆折减系数的取值仍存在争议。由于复合支护理论的不成熟，比较可靠的设计方法是根据经验取值，再通过现场试验或施工变形监测数据来指导设计；或者利用有限元模拟（数值计算法）结合实际监测数据来优化设计。

1.2预应力锚杆复合土钉支护影响因素分析

（1）土钉长度的影响。土钉全部长度注浆，也就是全长锚固。从抗拔力来说，长度越长，抗拔力越大。但试验也表明，当土钉长度超过基坑高度时，抗拔力不会再明显提高了。从经济角度考虑，土钉过长反而不利。由于布置在不同高度的土钉受力有别，根据不同部位的土钉受力大小选择相应的长度更有利于材料的合理利用。一般来说，中部受力最大，其次是顶部，底部受力最小，故应按中部最长、顶部次之、底部最短来布置土钉长度。另外，土钉长度与土钉形式、土质也有密切关系。GB50739-2011表5.2.1给出了土钉长度与土质的关系。（2）土钉间距影响。对于土钉支护结构而言，土钉间距过小不利于土钉与土体粘结力的发挥；土钉间距过大，不利于土钉与土体稳定加固体的形成。同时，较硬的土与较软的土对土钉间距的要求也是不同的，较硬的土间距可更大些。GB50739-2011表5.2.1给出了土钉间距与土质的关系。（3）土钉倾角的影响。土钉倾角不超过20°对支护影响不大，但为了便于注浆施工，土钉倾角也不宜小于5°，通常多选择10°～15°。（4）锚杆倾角的影响。锚杆倾角对基坑水平位移和稳定性有影响。锚杆倾角越大，所提供的水平分力越小，越多减少对基坑水平的约束。考虑到注浆施工，锚杆倾角不宜小于10°。（5）锚杆施加预应力大小的影响。如果预应力过小，锚杆对土体的约束力小；但预应力过大可能会损坏面层，甚至可能使边坡发生“脆性破坏”，所以锚杆预应力应控制在合理范围内，有研究[3]认为预应力为轴向承载力的75%较理想。（6）锚杆长度影响。改变锚杆锚固段长度对最大轴力影响不大，对基坑水平位移有一定影响。而锚杆自由段长度对基坑水平位移和稳定性影响较大。一般要求锚杆锚固段在坚固土层内（即在土体潜在滑移面之外），锚杆自由段可根据JGJ120-2012公式（4.7.5）计算。

2预应力锚杆与土钉墙复合支护体系应用

2.1项目概况

项目基坑长230m，宽200m，深8.5～10.0m。基坑北侧、西侧、南侧有道路，距基坑坡顶6～7m；基坑东侧有围墙，距基坑坡顶1m。地层从上至下为素填土、粉质黏土、黏土、粉质黏土、细砂、粉质黏土。地下水埋深1.9～2.7m。场地类别为Ⅲ类，特征周期0.45s，地震设防7度，加速度值0.1g。

2.2支护设计

基坑南、北两侧采用上部土钉、下部预应力锚杆复合土钉支护，东、西侧采用预应力锚杆复合土钉支护。选择西侧进行分析，设置6排土钉、6排锚杆。设计时，假定土钉水平间距和垂直间距均为1.3m，倾角10°，直径130mm。根据土体参数计算土压力为466kN/m。假定锚杆直径150mm，倾角10°。按照锚杆与土压力平衡原理，根据锚杆极限抗拉承载力公式，计算在滑裂面外的锚固段长度为8m。再结合土压力作用点位置，并根据锚杆水平间距1.3m，竖向间距第1排为0.9m，其余5排为1.5m。通过力系平衡方程初定锚杆参数，再利用理正软件来验算，结果基坑稳定性满足要求，但土钉参数不符合规范要求，重新调整土钉排数、间距，直至满足规范要求为止。最终结果如下：土钉选用Φ25mm二级钢筋，钻孔注浆钉。锚杆采用15.2mm钢绞线，锚固段用水泥砂浆注浆。基坑坡角设为73°。土钉6排，水平间距1.3m，第1排垂直间距0.9m，其余5排1.5m，倾角10°，前3排和第6排长度8.0m，第4、5排长度9.0m，钻孔直径130mm。锚杆6排，水平间距1.3m，第1排垂直间距0.9m，其余5排垂直间距1.5m，倾角10°，第5排锚杆长度18.0m，其余5排长度15.0m，对应锚固段长度为11.0m和8.0m，钻孔直径150mm，第5排施加预应力140kN，其余5排120kN。

3结语

近年来，预应力锚杆复合土钉支护体系在深基坑工程中获得广泛应用，然而理论研究滞后于工程实践的矛盾一定程度上制约了这种技术的应用范围，支护设计时需要根据设定参数反复试算才能获得较合理的结果，仍需要理论上不断突破，才能让该技术获得更好的发展。

参考文献：

[1]冯艳辉，王武刚，杨媛.预应力锚杆复合土钉墙在云南某基坑工程应用中的改进[J].建筑结构，2013，43（24）：72-75.

[2]周勇，张磊.深基坑土钉加预应力锚杆支护结构设计参数的灵敏度分析[J].岩土工程学报，2014，36（S2）：106-112.

[3]荆丽梅.基于变形控制的锚杆复合土钉支护的数值模拟研究[D].青岛：青岛理工大学，2017：3-6，85-86.