锚杆支护在基坑工程中的应用研究
【摘要】：本文根据锚杆支护结构体系以及锚杆对基坑土体的作用方式，从基坑开挖后土体应力状态出发，分析了基坑锚杆支护机理，得到锚杆对基坑土体出了支护作用外，还具有加固作用。
并结合苏州某基坑工程，结合具体工程地质概况及施工工艺，并通过现场测试，说明锚杆支护的可靠性，可为基坑锚杆支护工程设计和研究提供参考。
毕业论文网 【关键词】：锚杆支护，基坑，机理，应力状态，施工工艺 Abstract : According to the supporting structure system and the mode of the anchor to the soil of foundation pit, from the foundation pit excavation stress state of soils, we analyzed the mechanism of the bolt supporting of foundation pit, get out of the soil of foundation pit supporting role outside, and have reinforcement effect. And combined with Suzhou a foundation pit engineering, with specific engineering geology survey and the construction technology, and through the field test, explain the reliability of the bolt supporting, bolt support for foundation pit engineering design and research to provide the reference. Key Words: anchoring bolt, foundation pit, mechanism, the stress state, the construction technology 中图分类号：U455.7+1 文献标识码：A 文章编号： 1 引言 由于锚杆支护的经济技术优越性，已经成为岩土工程支护的主要形式，对岩土工程结构稳定性起着至关重要的作用，锚杆支护是以锚杆为主体的支护结构的总称。
自1912年,德国谢列兹矿最先采用锚杆支护井下巷道以来[1]锚杆支护以其结构简单, 施工方便、成本低和对工程适应性强等特点,在土木工程(包括采矿工程) 中得到了广泛应用。
国内外学者对锚杆支护也进行了大量深入研究，江文武等[2]采用三维显式有限差分法, 建立锚杆拉拔数值仿真模型, 进行计算机模拟。
得出： 数值模拟计算的结果和现场试验得到的结果基本吻合, 表明数值模拟锚杆拉拔过程是可行的，并对其机理进行了系统了分析。
王卫国等[3]推导了具有加固圈圆形隧洞的弹塑性解析解, 运用锚杆对圆形隧洞围岩物理力学参数提高的公式, 得出了锚杆加固圆形隧洞的加固效应. 通过计算验证了锚杆对围岩的加固作用。
本文根据锚杆支护结构体系以及锚杆支护对基坑土体的作用方式，分析了基坑锚杆支护机理，同时结合苏州某基坑工程，系统研究了锚杆支护结构体系在基坑工程中的应用状况。
2 基坑锚杆支护体系 基坑锚杆能充分发挥岩体能量，调用和提高岩土的自身强度和自稳能力，从而大大减轻支护结构物的自重，节约工程材料，并确保施工安全与工程稳定，具有显著的经济效益和社会效益。
锚杆是一种受拉杆件，它的一段与工程结构物或挡土墙连接，另一端锚固于地基土层中，以承受结构物上的各种载荷，利用锚固力维持基坑周围土体的稳定。
锚杆一般由锚固段、自由段、和锚头三部分组成，锚固段是锚杆在途中以摩擦力形式传递载荷的部分，它是由水泥砂浆等胶结物以压浆形式注入钻孔中，包裹着受拉的锚杆凝固而成。
（a）档土结构物(b) 锚杆受拉构件 图1锚杆支护体系示意图 3 锚杆支护作用方式及机理分析 基坑开挖后，打破了原有地应力平衡，基坑周围土体进行应力重分布，附近土体会产生应力集中，且基坑表面处于二向应力状态，在平行于基坑墙面方向应力为零，此情况下，基坑周围土体很容易变形失稳。
因此，对于基坑开挖后支护问题可以从两个方面进行，一是减小基坑土体的应力集中现象，二是改变基坑土体表面应力状态，变二向应力状态为三向受压状态。
如图2所示为锚杆支护力学模型图，锚杆托盘对土体作用力简化为一集中力P，锚杆锚固段对土体作用力简化为大小为q的均布力，从图中可以看出，锚杆对基坑表面土体施加一垂直于基坑墙面且指向土体内部的作用力，同时在土体内部有一垂直与土体表面向外的均布力，在这种情况下，土体的二向应力状态变为三向受压，由式（1）所示的经典摩尔库伦破坏准则可知，应力状态从二向应力状态变为三向受压状态，J2’会大幅度的减小，从而使屈服函数F减小，增加了锚固土体的强度。
由此可知，锚杆支护除了传统的支护作用之外，还有对基坑土体的加固作用。
（1） 式中，c为土体的内粘聚力，θ为lode角，φ土体内摩擦角，J2’为第二偏应力不变量，σm表示三个正应力分量的平均值。
图2 锚固土体力学模型图 4 工程应用 4.1 工程地质条件 苏州某大厦拟建场地周围有7层和6层的居民楼，基坑边距居民楼仅为1.5m 东侧为一条主要大街，场地狭窄，大厦主楼为18层，裙楼5层，采用框架剪力墙结构，占地面积为4500m2，基坑开挖深度分别为—15.0m和—9.5m 场地土层主要由以下五层构成： 1.填土：杂色～灰褐色，松散～松软状态，含大量砼块、块石等，部分为新近回填土，成分较杂。
本土层在全场均有分布，揭露厚度一般在1.5～3.5m，最厚达7.1m，由于静探孔施工浅挖除了浅部的部分填土，所以静力触探孔揭露的填土的厚度和实际有一定的差异。
层面标高一般在2.0～3.3m之间，该层工程性能差。
2.粘土：黄褐色，可塑状态，较均匀，无摇振反应，光泽反应光滑，干强度高，韧性高，含铁锰结核及灰色条纹。
本土层在整个场地大部分布，局部缺失，揭露层厚0.8～3.70m，层面标高—2.01～1.16m，静力触探比贯入阻力Ps平均值1.91MPa，压缩模量7.64MPa，土层承载力特征值fak=180kPa，工程性能较好。
3.粉质粘土：灰黄~黄灰、灰色，可塑，夹粉土，性质欠均匀，无摇振反应，稍有光泽，干强度中等，韧性中等。
本土层在整个场地大部分布，局部缺失，揭露层厚0.8～2.4m，层面标高—3.17～—1.45m，静力触探比贯入阻力平均值为2.79MPa，压缩模量6.85MPa，土层承载力特征值fak=160kPa，工程性能一般。
4.粉土：灰色，饱和，中密状态，摇振反应迅速，无光泽反应，干强度低，韧性低，性质不均匀。
本土层在整个场地分布广泛，揭露层厚1.1～3.8m，层面标高—5.02～—2.75m静力触探比贯入阻力Ps平均值为6.63MPa，标准贯入锤击数N平均13.9击，室内试验压缩模量9.53MPa，土层承载力特征值fak=140kPa，工程性能一般。
4.2 基坑支护设计方案及参数 鉴于该建筑物场地相当狭窄的情况 深基坑开挖时必须采取支护措施，经过多种方案分析比较后 确定该工程采用钻孔桩与锚杆支护方案，其对周围环境不会造成破坏，护坡桩之间土层采用挂网喷浆维护，该方案的主要技术参数为： （1）裙楼—9.5m基坑 锚杆：规格φ130@2200，设置在—5.3米处，长度L=22m，倾角15°，锚固段长18m，锚杆设计承载力为350KN 护坡桩：规格为φ600@1100，长度L=11m，桩顶标高—1.5m。
（2）主楼—15m基坑 第一层锚杆：规格φ130@2200，设置在—5.3m处，长度L=20m，倾角15°，锚固长度为14m，锚杆设计承载力为350KN 第二层锚杆：规格φ130@1100，设计在—10.0m处，长度L=18m，倾角为15°，锚固长度为15m，设计承载力为350KN。
护坡桩：规格φ600@1100，长度L=15.5m，桩顶标高—1.5m。
（3）桩顶 —1.5m处设置370挡土墙，在桩顶处设置钢筋混凝土冒梁，裙楼基坑支护剖面图如图3所示。
图3 楼群基坑支护剖面图 4.3 施工工艺 施工中，先进行支护桩施工，然后开挖场地至设计标高，浇筑混凝土帽梁，同时施工砖砌挡土墙，开挖至5.3m基坑底，打设第一层锚杆，并进行锚杆抗拔试验，安装锚头及腰梁，张拉锁定第一层锚杆，开挖主楼基坑至9.5m处打设第二层锚杆，并进行第二层锚杆抗拔试验，安置腰梁，张拉锚定第二层锚杆，腰梁与护坡桩连成整体，形成基坑锚杆支护结构。
施工中 ，要确保护坡桩的规格和强度符合设计要求 ，混凝强度等级为 C25，桩长允许误差额垂直误差应控制在 ±100mm 和1% ；确保锚杆的倾角、强度和长度等规格满足设计要求 ，锚杆钻孔在注浆前不能发生坍塌，进行拉筋施工时要每两米架设定位器。
在锚杆试验满足设计要求时才能进行锚杆的施工，在锚杆水泥浆凝固养护七天后进行张拉锚固 ，锚固应力为 80% 设计值。
当锚杆水泥浆具有足够强度后进行焊接加强筋和钢筋网的安装工作。
喷射混凝土作业时，混凝土有配合比为1:2:1.5的水泥、细石和中砂组成 ，要确保最终完成喷射作业的厚度为,100mm。
4.4 支护效果监测 为了确保整个施工的安全进行，严格监测整个工程进行时基坑周边变形，可以及时分析反映突发情况，确保整个施工过程的安全顺利进行，防止突发事件对基坑工程造成的损失。
为了观测桩的位移在冒梁上设置15个观测点 ，在基坑工程邻近小区和道路分别布置20 和22个观测点 ，分别在基坑开挖、开挖至坑底以及底板混凝土浇筑后进行观测。
监测数据分析 ，开挖基坑底部时南侧护坡桩发生5.6mm 位移之外其余阶段护坡桩的位移都得到很好的控制，满足设计要求。
基坑工程建筑物在各个阶段施工沉降量也在规定值范围内，道路最大沉降量为18.8mm，小于警戒值26mm，邻近建筑物沉降值为0.00102 小于警戒值0.0033，在尽可能的情况下减小了对邻近建筑物和道路的影响，满足设计要求。
4 小结 本文根据锚杆支护结构体系以及锚杆对基坑土体的作用方式，从基坑开挖后土体应力状态出发，分析了基坑锚杆支护机理；并以苏州某基坑工程为背景，结合具体工程地质概况及施工工艺，并通过现场测试，说明锚杆支护的可靠性。
参考文献 [1] 杨松林.锚杆抗拔机理及其在节理岩体中的加固作用. 武汉:武汉大学, 2001. [2] 王卫国，薛卫，邵国建. 锚杆支护机理及其工程应用J].焦作工学院学报，2002,21(6)：427—430. [3] 江文武，徐国元，马长年. 快速拉格朗日法在锚杆拉拔数值模拟试验方面的运用[J].2008,29（6）：50—54. [4] 贾颖绚，宋宏伟. 土木工程中锚杆支护机理研究现状与展望[J],地基基础工程，2003,6(8)，53—55. [5] 廖珊珊, 方大勇, 李思平. 广州某超深基坑监测结果分析[J].广东水里水电，2011(4)，47—49. 注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。