桩锚支护结构设计及支护结构变形监测分析.pdf

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第42卷第4期探矿工程(岩土钻掘工程)Vo1．42No．42015年4月ExplorationEngineering(Rock＆SoilDrillingandTunneling)Apr．2015：53—57．62桩锚支护结构设计及支护结构变形监测分析李芳，李强，于元峰，宗士昌(首钢地质勘查院北京爱地地质勘察基础工程公司，北京100144)摘要：结合北京一个基坑支护工程，从设计角度就桩锚支护结构在基坑支护中的应用及变形控制进行了阐述。根据受力情况，护坡桩主筋配筋采用不均匀布置方式，结合工程、支护结构特点分段配筋；为了满足基坑安全及现场施工用地，砖墙设计时，在砖墙中部增设混凝土腰梁；护坡桩施工中，运用不同的施工工艺，保证了护坡范围内古树的生命安全。从基坑开挖监测角度，对支护结构顶部水平位移进行了监测，对周边建(构)筑物进行了沉降监测，同时对锚杆进行了检测与监测。结果分析表明，基坑水平及垂直变形量均在设计控制范围内，基坑整体稳定，桩锚支护结构对变形起到了有效的控制作用。关键词：深基坑；基坑支护；桩锚支护；锚杆；变形；监测中图分类号：TU473文献标识码：A文章编号：1672—7428(2015)04—0053—05DesignofPile-anchorRetainingStructureandtheAnalysisonItsDeformationMonitoring／L／，LIQiang，YUYuan-feng，ZONGShi—chang(ShougangGeologicalProspectingInstitute，BeOing100144，China)Abstract：BasedonanexcavationretainingprojeetinBeijing，thepaperdescribestheapplicationofpile—anchorretainingstructureinexcavationretainingandthedeformationcontrolfromthedesignpointofview．Accordingtothestressfeaturesandstructurecharacteristics，mainreinforcementofslopeprotectionpileisunevenlyarrangedandsegmentreinforcementisa—dopted．Concretemiddlebeamwasaddedinthemiddleofbrickwalltoensuretheexcavationsafety．Intheslopeprotectionpileconstruction，differentconstructiontechnologieswereusedtoprotecttheoldtreesintheslopeprotectionrange．Fromtheexcavationpointview，horizontaldisplacementontopofretainingstructureandsubsidenceofsurroundingbuildingstructuresweremonitored，andtheanchorwastestedandmonitored．Theanalysisshowsthatthehorizontalandverticaldeformationofexcavationareinthescopeofdesignedcontrolrange，thefoundationpitisofoverallstability，thepile—anchorretainingstruc—turehasplayedaneffectivecontroleffectonthedeformation．Keywords：deepfoundationpit；excavationretaining；pile—anchorretaining；anchor；deformation；monitoring0引言桩、锚杆、腰梁及锁口梁等几部分组成l4J，通过桩与锚基坑工程是一个综合性和实践性很强的岩土工杆、梁的共同作用，达到护坡及控制变形目的。基于程。所谓基坑，指为进行建(构)筑物地下部分的施工以上，本文以北京某一基坑护坡工程为例，从场地工由地面向下开挖出的空间¨。随着城市建设、工业化程地质条件、周边环境、设计方案优化、支护结构检测不断发展，建筑高度的增加，根据构造及使用要求，基等几个方面，对深基坑桩锚支护结构设计及结构变形础埋深也随之不断增加，使深基坑工程向大深度和大进行分析研究，总结经验，以便对今后类似的深基坑规模方向发展_2j。目前，深基坑的支护技术虽已取得支护工程起到指导作用。了长足的发展，但由于基坑开挖面积和深度加大，加1工程概况上深基坑支护受建筑物的基础特点、场地水文地质条1．1工程简介件、场地周边环境等诸多因素影响，使得基坑支护结拟建工程场地西侧为交大附属小学，建筑物最高构的设计不仅要考虑自身强度控制方面问题，更要从为3层，距离本场地约151TI。南侧紧邻现有校园道基坑变形控制方面加深设计。桩锚支护就是基坑工路，约121TI外为学生宿舍楼。东侧为交大二附中，建程中被大量采用的支护形式，它具有效果好、适应性筑物最高为4层，距离本场地约10m。北侧为规划道强和施工简便等特点J，桩锚支护体系主要由护坡收稿日期：2014—09—09；修回日期：2015—01—09作者简介：李芳，女，汉族，1978年生，主任工程师，工程师，国家注册岩土工程师，从事岩土工程勘察、设计工作，北京市石景山区晋元庄路23号11~993@163．con。 54探矿工程(岩土钻掘工程)2015年4月路、已有道路、临建及铁研专用线。基坑周边场地有控制要求高。基坑深12．35～l4．851"1"1。基坑长约142限，施工料场、生活区等均距基坑上口线较近，对变形m，宽约132Ill。基坑平面及周边环境如图1所示。6134．8O1136．7L=_2MG02B3-0口L0附定竞0■B2．7MGO7S1．45B6．因_J基坑深MG1313．15mL———]．卜一—ISl_84．2S量．聃～51R．G10B6～B4_l＼S2．6现状道路瞰护结构项部位移监测点，其上的数字表示该点位移／m；s—沉降观测点；—锚杆检测点；J—锚杆监测点图1基坑平面及周边环境示意图1．2场地工程地质条件表1土层物理力学参数1．2．1地层岩性度／锚杆极限层号地层名称厚(kN·粘结强度本工程覆盖地区50．0m深度范围内的地层主要mmI3)标准值／kPa为人工填土层(Q)及一般第四系冲、洪积层(Q)。根据场地的工程地质情况，将现场地层划分为8个大层，各土层主要物理力学参数见表1。1．2．2地下水地下水共2层，第一层为上层滞水，主要受大气降水及地下管道渗漏补给，地下水水位埋深9．5～9．8m；第二层为层间潜水，主要受大气降水及地面径流补给，地下水水位埋深15．6～17．5[II。应力场变化及地面沉降，支护结构在两侧压力差的作用下产生水平向位移因而导致支护结构后面的土2基坑支护设计方案体产生位移，卸荷引起的坑底土体产生向上的位移2．1方案选取也会导致支护结构后面的土体产生位移J。本基基坑开挖是卸荷的过程，将引起基坑周边土体坑周边环境复杂，基坑工程在保证安全的同时主要控制条件为变形控制。 第42卷第4期李芳等：桩锚支护结构设计及支护结构变形监测分析55目前规范提供的支护结构有支挡式结构、土钉(705)低松弛型钢绞线，强度1860MPa，锚杆位置及墙、重力式水泥土墙、放坡或采用上述型式的组合[1]。设计参数见表2。桩问采用挂网喷射细石混凝土保针对本深基坑周边情况及场地地质条件等多因素，选护。桩顶设钢筋混凝土冠梁，尺寸700mm×400mm取护坡桩与预应力锚杆相结合的支护结构方案。(DE、KL、NO段600mmx400mm)，锚杆锁在冠梁或2．2设计方案简介2根25b工字钢腰梁上，桩锚支护结构剖面见图2；桩地面超载按q=15—30kPa考虑。身及冠梁配筋见图3；桩身临坑侧配筋见表3。基坑护坡均采用护坡桩+预应力锚杆支护方式，除DE、KL、MN、NO段护坡桩位于地表外，其他处护坡桩桩顶标高位于地表下一3．0m，桩顶以上3In砌筑挡墙为370mm砖墙。在基坑MN段有一棵古树需要保护，在此处加大桩间距至2．0in，锚杆间距为两桩一锚；在顶部一0．3m处做拉锚，水平间距4．0～6．01TI；通过减少古树范围内水泥注浆量，从而减少对古树根茎的影响。为避免机械施工破坏古树根茎，桩顶以下3In采用人工挖孑L，一31TI至桩底采用机械成孔。桩长15．35in，其中嵌固段3nl，桩径800mm，桩顶之上做连梁，(a)AB、CD、EF、(1}1、1J、I，M、PQ、RS、I'V、VW、XY段尺寸800mm×500mlTl，强度C25，两侧各配4020HRB335级热轧螺纹钢筋，中间上下各加配““2016HRB335级热轧螺纹钢筋，箍筋8@200。锚一3．20L。杆配d15(705)低松弛型钢绞线，强度1860MPa。锚杆位置及设计参数见表2。＼．l表2锚杆位置及设计参数25b12字钢一锚杆锚杆水自由段锚固段钢筋设计设计锁＼．侧壁位置／平间距／长度／长度／线／拉力／定值／mmmm束kNkN磊78一2J53lb4．A．9355宁～ra钢。、＼．f14Mhm1＼，＼c25基坑其他段护坡桩桩长l2．35～15．35in，其中嵌(C)DE、Kl_、N0段固段31TI，桩间距1．2111，桩径600film，桩身强度C25。图2桩锚支护结构剖面锚杆孔径150mm，下倾角l5。。锚杆成孔后下入d15 56探矿工程(岩土钻掘工程)d)20C临临土坑{侧冠梁配筋图桃筋图3桩身及冠梁配筋表3桩身临坑侧配筋参数图4实测水平变形时程曲线图5学生宿舍楼、现状道路、交大附中沉降一时I司曲线3．2预应力锚杆测试3．2．1锚杆检测对本工程施工的15根锚杆进行验收试验。最桩顶挡墙为370mill砖墙，采用MU7．5机制大张拉荷载拉至1．0倍轴向设计荷载。检测锚杆各砖，M5．0水泥砂浆砌筑，挡墙顶设置370mm×200级荷载下锚头累计变形结果见表4，荷载与锚头累1Tim混凝土压顶梁，挡墙中设置370mm×370mm混计位移(9一S)曲线见图6。凝土立柱，立柱间距3600mm，挡墙中部设置3703．2．2锚杆监测mm×200mm混凝土腰梁。采用经率定的安装在锚头的负荷传感器以及应变仪进行了锚杆轴力监测，基坑各边第一排锚杆监3基坑开挖监测测锚杆的轴力随时间的变化曲线见图7。根据深基坑支护有关规范要求以及本工程项目表4分级荷载下各锚杆锚头累计位移mm特殊的位置影响，结构主体地下部分施工阶段必须对基坑支护系统和周边环境进行监测。3．1顶部水平位移以及建筑物沉降监测本基坑按I级基坑控制变形，基坑监测预警值、报警值根据有关规范确定，水平变形安全预警值为l9～22mm，安全报警值为25～29mill，垂直变形预警值13～15mm，安全报警值18～20mm。自2013年8月12口开始，按规定的监测要求，对布置在支护结构冠梁顶部的27个水平变形监测点进行了变形监测。监测点位置和整个基坑的顶部水平总变形量见图1，基坑各侧壁实测水平变形最大的监测点变形时程曲线见图4。沉降观测标明，建筑物沉降量都不大，相对沉降量较大的学生宿舍楼、南侧现状道路、交大附中的沉降一时间曲线见图5。 ；量＼第42卷第4期李芳等：7桩锚6叠支5护4结亘3构辑2章设据●计及支护结构变形监测分析57∞㈤三m07从锚杆检测情况看，锚杆受拔时，锚杆锚头累计变Hd．形最小为31mm，最大为65mm，平均值为44．33m¨lTl。图在7图6(Q—s曲线)中，5根锚杆锚固段基本相同，穿过的地层为粘质粉土一砂质粉土、施工与注浆工艺也基本相同，从曲线可看出，锚杆锚头变形相差不大。由于锚杆的抗拔承载力不但与土层和锚固体22．5901'3518022,5之间的界面摩阻力有直接的关系，同时与锚杆的施工质量密切相关，因此，说明本工程施工质量比图6荷载与锚头累计位移(Q—s)曲线较稳定。+锚杆轴力变化与作用在支护结构上的土压力以及支护结构的变形有关。从图7中可看出，所监测的锚杆轴力未达到设计锁定值的50％(J1～J4设计锁定值分别为180、180、135、135kN)，说明支护结l(卜18l(卜25l1_08111．5l1-'22l2_06l2-'20构的土压力小于计算值；曲线有较为明显的波动，说¨期明支护结构在此时间段变形稍有发展；后曲线趋于锚杆轴力T—t曲线平稳，说明基坑整体基本稳定。4基坑监测结果分析5结论桩顶水平位移在监测点水平变形时程曲线表现(1)针对桩锚支护结构特点，本设计对护坡桩为从开始到开挖结束，桩顶整体趋势是一直向基坑配筋进行了优化，即护坡桩主筋采用不均匀布置方内倾斜的。开挖引起的各侧壁顶部水平变形的增加式，在受力大的临坑侧按受力配筋计算布设，在临土量均在10film内。图中看出，曲线有明显波动，说侧按结构配筋布设，在满足支护结构强度要求下，减明随着基坑开挖深度加大，支护结构受到桩后土体少配筋量；同时经理论计算、验算，桩身弯矩在不同的压力作用变化比较明显，表现在桩土锚杆之问发深度大小分布不同，结合以往类似工程经验，桩身配生相互作用，慢慢达到平衡的过程，后曲线比较平筋按弯矩大小采取分段配筋方式。基坑监测结果表稳，是锚杆施工后对支护结构的整体拉拽作用，使得明，本桩锚支护设计方案满足工程需求。通过以上支护结构变形变小并趋于稳定。水平变形最大位置对设计方案优化，大大减少了护坡桩配筋量，收到了处变形量为9mm(设计水平变形安全预警值为19很好的经济效益。1TII'II)，经分析，此部位因冬季暖气管道渗漏加上此处(2)由于本工程场地狭小，为了更大限度利用上层滞水较大导致局部地方桩问土流失，出现流砂有限空间，桩顶砖墙设计时，在砖墙中部增设了370空鼓现象，通过采取自渗井加注浆加固措施，很好的mmx200mm混凝土腰梁，提高了砖墙的整体稳定解决了变形问题，确保了基坑稳定。性，实践证明，在坡顶2m外范围堆放钢筋等杂物经观察，与基坑紧临近的现状道路未出现开裂时，基坑稳定且能满足变形要求。等异常情况，周边建筑物相对沉降大的学生宿舍楼、(3)基坑护坡范围内，有古树需要保护，为了确交大附中，均未出现墙体开裂等异常情况。沉降变保古树生命安全的同时工程顺利进行，对古树实行形除现状道路西侧沉降量为8．36mm(设计垂直变了躲避措施和保护方案，在设计时，为了避免机械施形安全预警值为13mm)外，其他建筑物沉降量均小工对古树根茎破坏，特明确在地面以下3m范围内于5mm。经分析，现状道路沉降量大的原因，是因采用人工挖孔成孔工艺，在躲过古树根茎后采用机为此处回填土较厚，密实度较差，在行驶重车后，造械成孔。此方法在保证古树生命安全的同时保证了成此处局部下陷，经处理后，道路恢复稳定状态，沉施工质量，可在基坑开挖范围内有树木保护的地方降变形趋于稳定。推广应用。(下转第62页) 62探矿工程(岩土钻掘工程)度为7．8m，局部开挖深度为9．0m。基坑四周均临排桩外拉、锚杆(索)加固、基坑内斜撑、坑内土加道路，其东侧邻天津地铁一号线区间隧道，隧道侧墙固、预留反压土等多种方法。在悬臂式支护结构设距拟建地下室外墙24．0m左右。工程实践表明，在计中，可根据工程地质条件、周边环境、基坑的形状天津地区采用单排桩悬臂式支护的开挖深度一般不与尺寸、施工作业空间的大小、主体施工方案、施工超过6．0m，但支护桩桩顶水平位移可达10em以季节变化等各项因素，选择前述的一种或几种方法上。对于本工程来说，大面积开挖深度达7．8m，基来满足基坑局部对变形的要求，从而发挥悬臂式支坑平面尺寸又很大，采用内支撑方案造价将会非常护结构的优势，保证周围环境的安全，使基坑工程既高，同时架设水平支撑又因工期限制而不允许。采安全可靠，又经济合理、方便施工。用外围设止水帷幕、帷幕内放坡开挖的方案周边条件不允许。综合考虑各种因素，为了解决悬臂支护参考文献：基坑变形过大的问题，对开挖深度为7．8I'／1的部位，[1]陈福全，吴国荣，刘毓氚，等．基坑内预留土堤对基坑性状的影响分析[J]．岩土工程学报，2006，28(S1)：1470—1474．采用0600mm单排灌注桩加预留反压土的支护方[2]李顺群，郑刚，王英红，等．反压土对悬臂式支护结构嵌固深度案，排桩外设水泥搅拌桩止水帷幕。排桩支护的悬的影响研究[J]．岩土力学，201l，32(11)：3427—3431．臂高度为3．2m，反压土顶宽为1．0m，高度为4．6[3]罗战友，夏建中，刘筱．基坑内土体加固对悬臂式支护结构的影响分析[J]．岩土力学，2006，27(10)：931—934．m，底宽为5．01"1。对开挖深度9．0m处，采用双排[4]苏德利．悬臂式基坑支护结构选型与整体稳定性分析[J]．河桩悬臂式支护加止水帷幕的设计方案。南城建学院学报，2010，19(5)：2O一23，52．基坑开挖后经实测，预留反压土部位悬臂式支[5]张明中，李江．不同支护形式在北京西环广场摹坑工程中的应用[J]．探矿工程(岩土钻掘工程)，2003，(S1)：61—63．护结构的最大水平位移为6．1cm，在规范允许的范[6]付涛，艾晓辅，池秀文，等．悬臂式排桩支护结构位移和弯矩的围内。周围环境的监测结果表明均处于安全状态。分析研究[J]．建筑科学，2013，29(3)：11—16由此可见，悬臂支护结构的基坑中在条件允许的情[7]杜甫志，王宪章，吴旭君，等．饱水砂层深基坑中悬臂式双排桩支护及地下水处理方法[J]．探矿工程(岩土钻掘工程)，2013，况下，预留反压土的做法可以有效减小基坑的变形，40(4)：55—59．控制支护结构的位移，降低支护工程的造价。[8]刘利平，刘晶晶，张鹏，等．土钉和桩锚组合式支护体系受力和变形的数值模拟[J]．探矿工程(岩土钻掘工程)，2014，41(8)：53—573结语控制悬臂式支护结构局部变形的常用措施有双(上接第57页)学，2000，(S1)．[3]吴恒，周东，李陶深，等．深基坑桩锚支护协同演化优化设计(4)锚杆轴力与作用在支护结构上的土压力以[J]．岩土工程学报，2002，24(4)．及支护结构变形有关，同时也能间接的反映基坑的[4]姜晨光，林新贤，黄家兴，等．深基坑桩锚支护结构变形监测与整体稳定性。．初步分析[J]．矿产勘查，2002，(8)．[5]王曙光．复杂周边环境基坑工程变形控制技术[J]．岩土工程(5)通过基坑开挖监测及分析，证明本桩锚支学报，2013，35(7)．护设计是安全可靠的，并具有一定的安全储备。[6]GB50497-2009，建筑基坑工程监测技术规范[S]．(6)桩锚支护结构能很好有效的控制基坑水平[7]ASCE／SEI7一_o5，MinimumDesignLoadsforBuildingsandOtherStructures[s]．AmericanSocietyofCivilEngineers，2006．变形，当深基坑周边环境需要对变形进行严格控制[8]许录明，楚丽爽，戴建阳，等．桩锚结构在深基坑支护中的应用时，可选用桩锚支护方案进行处理。分析[J]．探矿工程(岩土钻掘工程)，2013，40(6)：57—6O[9]刘利平，刘晶晶，张鹏，等．土钉和桩锚组合式支护体系受力和参考文献：变形的数值模拟[J]．探矿工程(岩土钻掘工程)，2014，41(8)：53—57．[1]JGJ12O—2012，建筑基坑支护技术规程[s]．[2]桂国庆，涂铿．深基坑工程的研究现状与发展趋势[J]．工程力