（环境工程专业论文）预应力锚杆肋梁支护技术.pdf

此次是笔者首次对该技术进行系统整理以作为本人的硕士论文，由于原位测试 数据不足又无成熟理论参考，因此计算方法定显浅薄，望教授及同行专家指导完 善，更希望能与同行们继续对该技术进行进一步研究。作为一种应用技术，笔者 文中尽量详细地介绍该技术的设计、施工及应用实例，希望本文有一定的实用性 和参考价值。 笔者所在公司正在就“预应力锚杆肋梁支护技术”申请国家级实用专利，该 技术暂属技术和商业机密，因此特别声明：本文仅作为硕士论文供教授评审使用， 论文不能翻印或传至同行业其他单位中，笔者特向拥有本人论文的教授们表示感 谢。 最后学生恳请教授们对论文及“预应力锚杆肋梁支护技术”提出宝贵意见， 以使该技术能进一步完善成熟。 关键词：预应力锚杆肋梁帷幕支护结构结构设计工程实例 p r e s t r e s sa n c h o rr i b b e db e a ms u p p o at e c h n o l o g y a b s t r a c t o i r e c t e db y ：j i ax u f u ，m a l e ，b o r ni n 1 9 6 7 p r e f e s s o rl i ul l o n g j u n ，i n2 0 0 0 a p p l i c a n tf o re n g i n e e r i n gm a s t e rd e g r e e ：e n v i r o n m e n tp r o j e c t ( f i e l d s o f r o c ka n ds o l l ) c h i n ao c e a nu n i v e r s i t yj u l y2 0 0 3 “p r e s t r e s sa n c h o r r i b b e db e a ms u p p o r ts y s t e m ”j san e wp r a c t i c a l s u p p o r tt e c h n o l o g y w h i c hc a m ef r o ms o i l n a i li n g w a 1 s s y s t e m a n d ur l e m b e d d e dr a n ko fp i l e sw i t ha n c h o r ss u p p o r ts y s t e mt h a th a sb e e nu s e d s u c c e s s f u ll yf o r4y e a r sb yt h ea u t h o ra n dh i sc o m p a n ya a m e dq i n g d a od e e p f o u n d a t i o ns t a b i l i z a t i o ne n g i n e e r i n gc o l “i t sm e c h a n i s mi ss i m i l a r t or a n ko fp i l e sw i t ha n c h o r ss u p p o r ts y s t e mt h a tc a nn o tb ei n s e t l t e di n t o t h eb o t t o mo ff o u n d a t i o nt r e n c h b u ti t sr i b b e db e a m sa r eu s e dt or e p l a c e r a n ko fp i l e sm a d eb e f o r ee x c a v a t i o ns ot h ew o r kc y c l ec a nb es h o r t e n e d a n dt h es u p p o r ts y s t e mc o s tc a r lb er e d u c e d ：m e a n w h i l et hjss y s t e mm a in t a i n s t h es o l ln a i l i n gw a l l sc o n v e n i e n c eo fd i g g i n ga n ds u p p o r t i n g 1 1p r i n c i p l e so fc o m p u t e ro f fd e e pf o u n d a t i o nt r e n c ht h a ta r ei n v o lr e d jn t e c h n i c a l s p e c i f i c a ti o n f o rr e t a i n i n ga n dp r o t e c t i o no fb u il d i n g f o u n d a t i o ne x c a v a t i o n s i ne f f e c ta n da i if o u n d a t i o nb o o k sa r ea b o u ts o i t r e n c h e s d e e pf o u n d a t io nt r e n c h e si ns h a l l o wr o c k si ns o m ec i t i e sa l o n g as e a s h o r el i k eq i n g d a o ，d a l i a n ，z h u h a it h i n g s1 i k et h a to f t e nn e e dt ob e d u g o f e x p l o d e d i n t oh a r d r o c k ，t h e r e a r e h e n r i n gs a n d s o f t s o l 】 g r o u n d w a t e ru p o ni t i ti sd i f f i c u l tt om a k et h ep i l e si nr o wo rd i a p h r a g m s i n t ob a r dr o c k h 。wt ob u i l dt h i sk i n do ff o u n d a t i o nt r e n c h e s ? s o l ln a i l i n g w a l l sc a ne n s u r et h e s t a b i l i t y o f s o m et r e n c h e sb u t t h eh o r i z o n t a l d i s p l a c e m e n t i st o ol a r g et o s a t i s f yt h en e e d so fb u i l d i n go rc o n c e a l e d w o r k ss e c u r i t y h o wt or e d u c et h ed i s p l a c e m e n to ft b es o l ln a i l i n gw a l1 s y s t e m ? i ti st h e “p r e s t r e s sa n c h o rr i b b e db e a ms u p p o r ts y s t e m ”t h a tg a v e an e wp r a c t i c a ls u p p o r ts y s t e mt ob o t ho ft h e m w ec a n s a yt h a ti tc a nd e v e l o p t h eu s a g eo fs o i ln a i l i n gw a l lf i l lt h er a n ko fp i l o sd i s a d v a n t a g ea b r i g h t f u t n f eo fd e v e o p i n ga n du s i n g t h ed o v e l o p m e n t ，a p p l i c a t i o n ，a d v a n t a g ea n d d i s a d v a n t a g ea b o u tt h e “p r e s t r e s sa n c h o rr i b b e db e a ms u p p o r ts y s t e m ”i si n t r o d u c e d i nc h a p t e r 1 ：i t ss u p p o r t i n gm e c h a n i s ma n ds t r u c t u r a l f e a t u r ei si n t r o d u c e da n d c o m p a r e dw i t ht h es o i ln a i l i n gw a l l sa n du n e m b e d d e d r a n ko fp i l e sjn c h a p t e r2 ：d e s i g na n dc o m p u t e rs t o p sa n dm o r ed e t a i i sa b o u tt h ed e s i g n m e t h o d so ft h es u p p o r ts y s t e ma r ei n t r o d u c e di nc h a p t e r3 ：t h et w oi m p m r a n t p a r t sn a m e dd r a p e r i e sa n da n c h o r s a r ei n t r o d u c e do nt h e i rc o n s t r u c ti o n t e c h n o l o g y i n c h a p t e r 4 ：t h r e ef o u n d a t i o nt r e n c h e s i n s t a n c e sw i t h d if f e r e n td e p t hi nd i f f e r e n ts o i la r es h o w e di nt h el a s tc h a p t e r5 l h i si st h ef i r s tt i m et h a tt h ea u t h o rw r o t ed o w nt h et e c h n o l o g yt o b eat h e s i sf o rh i sp o s t g r a d u a t ed e g r e e t h ea u t h o rh o p e sg e o t e c h n i c a p r o f e s s o r sa n de x p e r t st or e s e a r c ha n dd e v e l o pt h iss u p p o r ts y s t e mf a r b e c a u s ei n i t i a ls u r v e y i n gd a t e sa r et o ol i m i t e da n dt h et h e o r yi st o os i m p l e f h a tt h ec a l c u l a t i o nm e t h o dm u s th es u p e r f i c i a l i ti sak i n do fp r a c t i c a l t e c h n o l o g ys ot h ea u t h o rg a v em o r ed e t a i l si nt h ist h e s i st oi n t r o d u c ei t s d e s i g n ，c o n s t r u c t i o na n ds o m e p r o j e c t i n s t a n c e st om a k et h ea r t i c l e p r a c t i c a la n dv a l u a b l e ，r h e c o m p a n yt h ea u t h o rw o r k e di ni sa p p l y i n gap r a c t i c a lp a t e n tf o rt h e “p r e s t r e s sa n c h o rr i b b e db e a ms u p p o r ts y s t e m ”s of a rt h i s t e c h n o l o g y jssl i l l at e c h n i c a la n dc o m m e r c i a l s e c r e t s ot h e r ei sa s d e c i a l a n n o u n c e m e n t h e r e ，t h i st h e s i si s o n l y o f f e r e dt o p r o f e s s o r sf o r e x a m in a t i o n ，s oa n yc o p ya n ds p r e a dt ot h es a m ep r o j e c tc o m p a n i e si s n o t a 1 o w e d ，t h ea u t h o rg a v eag r a t e f u l n e s st ot h ep r o f e s s o ；sw h oh o l dt h i s t h e s i sh e r e t h ea u t h o rh o p e dp r o f e s s o r sg i v es o m ep r e c i o u sa d v i c e sf o rt h et h e s i s a n dt h i s t e c h n o l o g yt od e v e l o pi t k e yw o r d s ：p r e s t r e s sa n c h o r ；r i b b e db e a m ；d r a p e r y ；s u p p o f ls y s t e m s t r u c t u r a ld e s i g n ；p r o j e c ti n s t a n c e 预、力锚张鼬粢支护技术 1 概论 1 1 预应力锚杆肋梁支护结构简介 1 1 1 预应力锚杆肋梁支护结构的诞生 1 1 1 1 深基坑工程 1 1 1 1 1 用于代替无嵌入或嵌入不足的排桩支护 深基坑功能有二，是为建筑物提供足够的埋置深度，二是为建筑物寻找并 提供好的持力层。对于岩石埋深较浅( i o 2 0 m ) 的山前洪积或海相沉积地区的深 捧坑，基岩以上二l 二层常以砂性士、软粘二k 碎石为主，若地下水丰富或遇海水倒 灌时孩类基坑必须进行排槛、地下连续墒或截水帷幕支护彳1 能挖至基岩持力层， 有时坑底需要爆破开挖。许多城市分布有类似基坑，如：青岛、烟台、威海、珠 海、大连、重庆、苏州新区、南京部分山前地区等。 此类基坑的常规挡土护壁结构是无法嵌入坑底基岩或嵌入不足的排桩) j u 多屡 讹柑。嵌凼不足引起的水平支撑力缺失锚杆代替，桩底部岩石采用锚喷支护。 北京机械化施工公司与烟台二建承包的芝楚大厦基坑，青岛深基加固工程有限公 刮完成的世纪大厦基坑、汇丰j “场a 座基坑，铁三局完成的汇泉商业广场基坑均 采 j 了这种挡土结构，也获得了成功。 此类支护结构在分层开挖时支护桩有一定埋深和嵌固性，但竣工后的基坑就 其整体稳定而言，竖向支护桩只是一 4 ，尉肜肋梁，横向腰粱也可看作肋梁，若把 桃改为方形的喷射砼肋梁并随丌挖施：r ：，同时把横向腰梁改为与竖向肋粱钢筋交 接适续面形成的肋梁，这样豹挡护壁结梅分层刃- 绍列的受力与挡土桩不同，但 麟坑竣工后的整体受力与吊脚排桩类似。 这种预应力锚秆加纵横连续肋梁支挡结构1 9 0 8 年应用于具有以上所述地质 条什的青岛福州路公交车站永久性基坑支护工程中，代替人工挖孔吊脚桩加锚卡r 支护结构，获得成功，基坑至今使用完好。 1 1 1 。1 2 拓展土钉墙支护结构的应用 建筑基坑支护技术规程在土钉墙章中虽未涉及预应力锚杆，但国内大 量资料在介绍土钉墙支护技术时都强调了预应力锚秆与土钌的结合应用。虽然预 应力集中部位与士钉墙砼面层的连接方法及受力分析都不详细，做法各异，但锚 卡r 施加预应力的目的是明确的：就是减小基坑的水平位移及出其引起的沉蹄。 预戍力锚杆肋梁支护技术 j j 二钉墙虽然可以保证基坑携体稳定，但支护后的基坑位移可以商达千分之三， 这个水平位移值及由此引起的沉降足以引起坑顶供水管线、煤气管线及浅基础房 屋的破坏。在这种情况下通过加长锚朴，增加注浆压力提高锚固力，变数量多的 一雠丁为预应力锚杆；同时把土钉墙砼面层加强为纵横肋梁，通过主动施加预应力 约束基坑位移，这就形成了预应力锚杆肋梁结构。 中困科学院海洋研究所院内地下水池距离海水不足百米，地下水丰富且受潮 汐影响，在距离坑顶l 米处有一配电宣和供科研用的临时砖砌水池，基坑岩土层 主要为砾砂和碎石土，预应力锚杆肋梁支护结构在这利条件下得到了成功的应用 ( 详见实例部分) 。 1 1 1 2 公路高边坡加固工程 国外资料如英国t h 汉纳锚固技术在岩土工程中的应用和国内资料如水 l 乜舰划设计总院的预应力锚幽技术都介绍了大量预应力锚朴门_ j 二_ f 二公路边坡加 固的工程实例。广深高速公路、济南绕城高速公路边坡都有应用预应力锚杆( 索) 的路段。这些实例中的锚固支挡结构多为预制梁板或现浇锚墩梁，将其改变为现 场喷射砼而形成纵横肋梁其机理是相同的。 同三线的栖霞段路瓤边坡考虑景观因素采用了非预应力锚杆加竖向砼板，顶 部边坡采用了纵横肋梁。 由青岛深基加固工程有限公司与青岛机械化施工公司共同承担的青医附院肿 瘤中心基坑在观象路一侧和平原路段采用了预应力锚杆( 索) 肋梁支护结构。项 部l o 米内用于支护土层，1 0 “2 0 米深段用于支护不稳定岩体2 0 3 0 米完整的基 岩j i ：挖段采用了锚喷支护。这一基坑挖深近3 0 米，是青岛历史上最深的基坑( 详 见实例部分) 。 1 1 - 2 预应力锚杆肋梁支护定名 预应力锚杆是承载土压力的一种杆件，是支护体系中的一部分，可用在不同 的挡土护壁结构中如排桩、锚墩、地下连续墙、板梁等形成不同的支护体系。当 支护面层由钢筋网喷射砼加强为纵横肋粱传递锚杆预应力时，形成了一种类似于 双向板肋梁楼盖结构，因此定名为预应力锚杆肋梁支护结构。 名称中的“预应力”主要用于区别土钉墙或加筋上c 1 的非预应力锚杆，因为 m j _ 墙支护机理与主动施加约束的预应力锚杆肋梁支护是完全不同的。 预廊力锚卡1 肋梁盘扩一陂j k 1 2 颊应力锚杆肋梁支护适用范固 j 出坡分层丌挖能月稳不小刁2 小- 删! j ：层或经械水帷幕预期i 孔霄能分层稳定的 上层均阿吼应用该种支护结构。 1 2 1 土钉墙可以支护的各种基坑均可应用 凡：【= 钉墒c j _ i 以支护的基坑，通过列嘴r 端砼面层的纵横肋粱加强，加k 锚杼 铘闯段，安装自出段，减少土钉数量，最终土钉总的锚圈力山预应力锚轩锚固力 豁f t ：l l 吲+ 形成肋梁支护结构。 埘软。i ! l 层因其边坡上体承载力有限，单支锚杆预应力不能施加太大，阏此 c t , h ；r - 密度仍然很大，这时预应力随软土骤变而丧失，锚杆也变为土钉，预廊力铈 柑肋梁近似予土钉墙。此类基坑没有必要没汁为预应力锚杼肋粱支护结构。 青岛天泰广场基坑n t ，u 、 j ：层粉质粘土土层锚秆f、 预应力值实测图如右：l 一1 ：k 、 w 心一：_ 二= ”e iljj ，l jjj jiijj l jo 1 4 6 7 j 卜1 砸心力1 j ! f 和叫问曲线 11 2 t 2 砂性土、碎石土及含地下水基坑 砂性二匕、碎石土类基坑中的锚轲可以荻得很高的锚固力，只是锚杆成孔阑难； 若含地下水时，这种土层分层开挖不能自立，必须预先施工止水帷幕。上钉墙不 能j _ i 于这类基坑，因为分层支护开挖时。! j ：水帷幕会因为水平位移剪断造成流砂 从而无法分层自立。预应力锚杆肋梁因为断层喷射砼和肋梁刚度好并且有预应力， 所以吲以保证帷幕分层稳定不致破坏。 这类j ：层基坑中施工锚杆时应采用双管钻进二次注浆、自进式铺杆等先进技术。 1 - 2 _ 3 坑底挖至基岩的基坑 坑底挖至基岩或进入基岩一定深度的綦坑，这类基坑排桩帷幕都很难进入基 岩。但锚打因有倾角可以进入基岩以获得很高的锚固力：而且因为肋梁支护结构 施t 【j n 预应力，可以有效地防止坑底基岩丌挖爆破时产生的震动对坑壁的影响。 3 预鹿力锚杆肋粱支护技术 1 2 4 边坡工程 j f j 于边挖边支护的软岩边坡和破碲岩体边坡十分实用，尤其在公路高边坡和岩 “- | 1 | ! | q 建筑深基坑中。这类基坑按：卜力学理论无法进行土压力计算，只能按照软岩 一稃力学和岩石力学有关理论对破缔岩体边坡进行封6 述厉再进行钊列性f ； j 设计。 边坡1 i 稳定岩体受锚杆予页应力后应力状态可以改善，节理岩体滑动嘶的摩擦 值j j l 】大从而使节理的抗剪强度提高，大的破碎岩体甚至断层均可得到有效加问。 1 3 预应力锚杆肋梁支护优点及局限性 1 3 1 预应力锚杆肋梁支护的优点 适应范比：j ：钉墙更广：水位以i 、的占坑) l ：挖通过捉1 ) i 施工j l ：水帷稚、! 她随 分层l 挖对边坡土体注浆、捅筋等加吲后，可以采j j 预应力锚杆肋梁结构进行支 护：而j ：钉墒支护因为无法与1 【：水帷幕结合使刚，水一f 基坑或流砂层中很少应j f 。 j 二钉墙支护般要求基坑有一定的放坡，而预应力铺十i ：肋梁支护结构可作到 喱龃外挖支护。 支护后的基坑水i 严位移比一i ：钉埔小：山 ：铺预戍力对滑动j t ：体的预先约束， 小象1 ：钉墙要待上体发生一定位移厉才受力，i 飘此支护后的水平位移小。 而且预应力锚卡| ：肋梁支护丽层在钢筋网喷射砼撼础上又加了纵横连续钢筋砼 肋梁，其整体性和刚性更好，也有利于减小坑顶位移和沉降。 在r ，j 铺性较好的土层- j 造价比二| 二钉墙低。锚幽段进入砂性土或强风化崭时预 j 札力铺杆可以得到很高的铺同力，俐筋聆肋梁的抗弯和抗冲切性明罹优j ：普通砼 喷层，因此预应力铺杆的水平问距可以加大为3 米，轻向问距视 ：体或岩石的自 稳性1 1 u 以肌犬至2 4 米，干h 剥于土钉锚打1 2 米的问距，其数量叫减少5 0 左1 仪仅是而层的费用略微增加，而锚杆的费用则可大大减少。 施工j ：序与上钉墙类似，方便灵活。预应力铺杆肋梁支护j 土臼墙一样足 利i | 碴”挖随支护的基坑支护结构。锚杆的成7 l 、注浆，喷射砼i 酊层工艺都完一样， 5 i 是增加了肋梁和预应力的施加，仍不失为种施l ：机械简单、方便灵活、快速 经济的支护形式。 在土、岩结合的基坑中代替排桩可收到良好的支护效果。 预应力锵杆肋梁支护结构最人的优势是朋r 二层j 岩层共同存在的丛坑支护 。程。由于锚杆钻孔入岩相对于大直径钻孔容易，应力值高，布置灵活。在这类祭 坑巾结合备种帷幕非常方便实用，低廉的工程造价也是其他支护结构不可比拟的。 4 预应力锚杆肋粱支护技术 1 3 2 预应力锚杆肋梁支护结构的局限性 软土基坑锚杆预应力值很难提高，当锚杆锚固段全部位于软塑或流塑状态土 体中时，因其锚固力太低，锚杆密度必须加大，而且面层必须加厚，预应力也会 随软土的蠕变丧失，采用此种支护结构就不经济了。如果上部土层为软土，下部 为砂性土或密实的粘性土，通过加大预应力锚杆的倾角可以进入可锚性较好的土 层时，该支护结构仍可采用。 支护结构受施工质量影响很大，预应力锚杆施工技术性很强，同一个基坑中 不同施工单位施工的锚杆抗拔力值差别很大。分层开挖土层不能自稳时需及时加 固以防造成片帮导致塌方，这也需要施工中各环节配合良好。预应力的施加、检 测、补加十分重要但同样受施工因素影响很大。 设计及计算理论尚未成熟。基坑支护工程是实践先于理论的一种复杂的工程， 预应力锚杆肋梁支护结构尽管已在十几个工程中得到了成功的应用，但由于缺乏 大量的测试数据和深入的研究，沿用传统土力学和结构力学的设计、计算理论， 有时偏于保守，有时又可能潜在危险。 2 。预应力锚杆肋梁支护原理 2 1 预应力锚杆肋梁支护原理 2 1 1 预应力锚杆肋梁支护体系构造发展变化 通过以下几个工程实例中的典型支护体系构造及剖面示意介绍该种支护体系 的发展变化。 预应力锚杆加锚板支护结构。 位于青岛市福州路东侧的万星大厦基坑上部回填土较深，福州路泄洪暗渠距 离坑边仅3 、5 米，为防止坑顶位移过大造成暗渠开裂，首次应用了预应力锚杆， 锚头部位加一厚1 6 m m ，4 0 0 * 4 0 0 m m 钢板，施加预应力超过2 0 0 k n ，钢板开始变形， 若再加厚钢板则造价太高。见示意图2 - 1 。 5 预应力锚杆肋梁支护技术 2 一l 预应力锚杆加锚扳支护结构 搅拌桩止水帷幕加预应力锚杆和锚板垂直支护结构。 绿岛基坑靠近佳世客步行街，土层以租砾砂和粉砂为主，水位较高，用粉喷桩 作帷幕兼对分层开挖的加固；市北五金交电大厦紧靠辽宁路，土层以粘性土为主 但地下水丰宦，也甩粉喷桩帷幕截水。 2 - 2 搅拌桩止求帷幕加预应力锚杼和锚扳垂直支护结构 帷幕施工后开挖并施工预应力锚杆锚头部位安装钢筋砼垫板。砼垫板为 6 0 0 6 0 0 r n ，锲角与锚杆倾角致。 注浆土体加固后的预应力锚杆肋梁支护结构。 基坑局部分层开挖不稳定时可以采用注浆，插筋等进行加固。中科院海研所 地下水池深6 米上部3 米为回填土混粘性土，不含地下水可自立。4 ，5 米以后为 粘土碎石胶结层，该层透水但可自立；3 、4 5 米是砾砂层，主要透水层且受潮汐影 响分层直立开挖不能稳定，采用放坡开挖注浆加固后再修坡的方法解决了这一 难题。图2 3 6 预应力锚杆肋梁支护技术 ： 第一步第二步 l 一 广一一 r 獬? 尹l津、 卜题邀鼍一r “、。t u 第三步一塑i j 4 23 注浆加固土体后的预应力锚杆肋粱支护结构 预应力锚索肋梁支护结构。在无地下水以粘性土或强风化岩等能自稳的粘土 层开挖时可以直接应用预应力锚索肋梁支护结构，只要面层底土体承载力允许， 肋粱抗弯和抗冲切允许，锚索间距可以加大以减小锚杆工作量。见图2 4 现象路 2 4 预应力锚索肋粱支护结构 2 1 2 与土钉墙和无嵌入排桩多锚结构的主要区别 以下给出两个工程实例中土钉墙与无嵌入排桩多锚典型支护结构的剖面图 2 5 。 ” n k 、萨 毽。 俨 n 炉毽弋o 2 - 5 1 非预应力锚杆( 土钉墙) 结构 7 乏一 # 堕垦g ，、一j 占! j 鎏 ：产；= ；一- 一 0 6 6 啪鲫r _ e刈 一 * + ； 2 - 5 2 世纪大厦基坑西侧剖面 r。li；一 预应力锚杆肋粱支护技术 通过典型剖面对比可见预应力锚杆肋梁支护结构与两者的主要区别如下： ( 1 ) 土钉墙中的非预应力锚杆全长注浆，全长产生锚固力，雨预应力锚杆在 自由段不产生锚固力；土钉锚杆较短。 ( 2 ) 预应力锚杆肋梁支护结构的面层加了承受预应力的级横肋梁。 ( 3 ) 桩截面较肋梁截面面积大，截面为圆形，含筋量高。 ( 4 ) 刚性腰梁在锚点两侧为简支，而纵横向锚杆肋梁底承受岩土体和砼喷层 传来的反力。 ( 5 ) 土钉墙的面层在加钢板作锚固垫板的情况下类似无梁楼盖，而肋梁面层 是一典型的双向板肋梁楼板结构。 2 _ 2 预应力锚杆肋梁支护结构受力分析 本节将预应力锚杆肋梁与土钉墙和无嵌入排桩支护结构受力结构作比较分 析。图2 - 6 26 一l 1 钉受力简图2 - 6 - 2 预应力锚秆肋粱受力简图 2 - 6 3 无嵌八排桩支护结构受力简图 3 预应力锚杆肋梁支护设计 3 1 设计计算 计算原则： i 如前述的预应力锚杆肋梁的支护机理，此种结构的分层开挖计算及锚杆计算等 于无嵌入排桩多锚支护，即按桩锚理论进行计算但不计被动土压力( 水平抗力) ij 经顸应力锚杆肋梁加固后的基坑整体稳定性验算与土钉墙类似； i i i 面板及肋梁是种典型的现浇双向板肋梁楼盖结构，而层层底土体反力视为 r 预应力锚秆肋粱支护技术 屋丽活荷裁，锚杆拉力即为柱荷载 3 1 1 水平荷载与抗力( 主动与被动土压力计算) _ h 一掌一鼢_ 量一二一掌室丁。 3 1 1 1 砂层及碎石土有止水帷幕的基坑 水位以上土层水平荷载标准值 e q i k ：- k “一2 c a 、k a - 地下水位以下土层水平荷载标准值 k 一2 气+ ( z j h 。) 一( m j - h 。) m k 。 * 该计算法已计算水压，对于无止水帷幕，随分层开挖明排降水或井点降水 后的撼坑不适用。 a 预应力锚杆肋粱支护技术 3 1 1 2 粘性土或粉土、无水回填土或降水后的基坑 e 啦：o 啦k 。一2 c m 、3 k m 对于预应力锚杆肋梁基坑底部常遇的全风化、强风化岩可简化为该类土层， 根掘地质资料及经验性给予风化宕一定的c 、中值。青岛地区强风化粗砾花岗岩岩 的c 、【p 值一般在1 0 、2 0 k p a 和3 0 、4 5 “之间。 3 1 2 分层开挖高度验算 丌挖前确定分层开挖高度是预应力锚杆肋梁支护结构的关键，分层玎挖的土 体稳定高度最少应达到2 米，否则锚杼的竖向间距太小，不但不经济而且锚杆分 层施工延长了工期。分层丌挖土体自稳高度还是确定锚杆排数和止水帷幕宽度的 关键。 日前国内各种资料上对这个问题没有成熟的计算- h 法，以下是笔者经常使用 ，i ：多次与土钉墙分层验算的软件的计算结果对比后的两种简便验算方法。 3 1 2 1 含粘性土无水或降水后的基坑 当坑项有无限均布荷载q 时，由：d 硫k 一2 c m 女“ 知：( + a ) 屯。一2 k 土压力为0 点处的容重为札深度为z 。则。蕊1 z 。 1 翌 贝4z ，= y ，( 七“一q 。) 分层经预应力锚杆肋梁支护后的边坡土体，对于当前开挖的第i 层可视为均 嘶i 无限荷载q 。：q o + 莩一乓。q 0 为坑顶附加荷载，n 为坑底以上土层数，由此计 算首次开挖及后续分层开挖土的自稳临界高度z 。，z 。 1 2 1 堕 玩= y 。( 属)z 。：，( 石- q 1 ) 根据i 蠡界高度z 。可决定每次开挖高度h 。( h ，z 。) 。 1 0 预应力锚秆肋粱支护技术 3 1 。2 2 砂层及碎石土含止水帷幕基坑 同样把预应力锚杆肋梁支护后的边坡土体视为当前开挖层i 层的均布无限荷 裁q i ：q + ；h ，然后应用搅拌桩重力式挡墙的稳定性验算方法讨算分层临界 高度z 。 e 。：第j 层处总土压力 t j 。：筇i 层以上土体简化为附加荷载 、f 薛。：分层土被动土压力 w ：搅拌桩每米自重 h 。：第i 层主动土压至帷幕底高 h 。：j 层土被动土压至帷幕底高 e 矗阿+ o 5 w b k 。= e “n a ， k 。为抗倾覆安 r “翼“ ，1 ；，二 fjf、 k j _ 。彳一一j ，m j - m “l - 、川 1 ，i l 。1 寸】j 一u 全系数不小于1 5 3 一z 临界高度z 泔算简嘲 b 为雄幕宽度 0 点为帷幕终止点，根据进入隔水层或是否入岩可确定；通过调整不同的帷 幕宽b 和h 。h 。值可确定不同2 ，值。 由z 确定的分层开挖高度h t ( h 。z 。) 与b 是密切相关的，而且决定整个方案 的造价。若土层太差h i 很小是需匀f f 大b 值，即榷幕排数增多，当然b 灼加大，j l i 提高，锚柯：排数可减少。 3 1 3 预应力锚杆设计计算 以有止水雌幕基坑为例，分屠开挖对褴幕底部的被动土压列最后支护系统f 勺 整体稳定没有意义，因此计算锚杆时仅计算主动压力，i 层以上土体仍简化为附 自u 荷载q ，：q 。+ 等y ，曩， h 。：i 层主动土压至开挖工作面的高度， 也是i 层锚杆至分层开挖面的高度。 h ：锚杆水平抗力设计值， n 。：锚杼轴向承载力设计值。 1 】 3 3 预应力镪中i _ 设讨计算硒图 预席力锚杆肋梁支护技术 ：锚桐：倾角 锚杆承载力计算( 每延米) ： r l = e 。n 。= c o s g r 竖圣兰 a s 肿。8 d f o 。：预应力钢绞线、钢筋抗拉强度标准值 锚杆锚固段 为便于肋梁配筋，尽量使锚柙：水平问距s 与垂直开挖高度h i - 致u i js ：l l i 玉旦 单支锚杆轴向拉力值n t = n 。= c o s 甜 竺出 锚杆锚固段l d = r m q , , k b ：锚固段长度安全系数( 1 4 2 2 ) q s ：土层与锚固体问粘接强度( k p a ) d ：锚杆直径 锚杆自由段： l ，s i n ( 4 5 。2 1 - o k ) i 。：s i n ( 4 5 ”+ 堕2 + 2 ) 啡：各土层厚度加权摩擦角标准值 l t ：分层锚杆锚头中点至分层开挖坑底外侧主动土压与被动土压相等处的距离 锚杆预应力值的确定： 肋梁养护时间而定：若对坑顶位移要求不敏感，要求开挖快，肋梁养护强 度达不到没计值时，可以减少预应力的施加。 土质而定：砂性土承载力高，可适当提高预应力值。 坑顶预应力值要求而定：若坑顶位移要求严格，应适当加大预应力值。 应力锁定值一般为n 。值的6 0 、8 0 。 1 2 预应力锚杆肋梁支护技术 3 1 4 基坑整体稳定性验算 现有基坑支护规程和多种软件中对土钉墙进行整体稳定性验算时，大都采用圆 弧滑动简单条分法，这一方法同样适用于预应力锚杆肋梁支护，不同的是土钉墙 设计软件计算出的土钉圆弧滑裂面外锚固体与土体间的抗拔力t 。应由预应力锚杆 的n 。代替。 因此保证预应力锚杆肋梁荟虬，蔷( m n ) 即可保证基坑的整体稳定性。 在进行预应力锚杆n 。值确定时，也可用简单的替代法，如通过加长锚固段， 用根预应力锚杆代替几根土钉，即n 。：再巧 3 1 5 肋梁设计计算 预应力锚杆肋梁的面层结构最初是在土钉墙面层基础上在锚杆锚头部位加板 形成，曾称锚板支护。这一结构近似无梁楼盖，在汇融广场、广电调度中心、天 泰广场、万里大厦等近十个基坑中应用。经应用发现这种结构抗弯刚度小、挠度 大，锚头部位剪应力集中，锚杆预应力值难以提高。 后该种结构改为有连续浇注( 或喷射) 的纵横有筋肋梁结构，结构受力与双 向板肋梁楼盖结构类似，且此肋梁为多跨连续梁。锚杆水平垂直间距不同时，纵 横肋梁间距不同，间距小的肋梁可以设计为次梁，间距大的肋梁设计为主梁。为 便于现场喷射砼肋梁施工，实际设计时尽量使其纵横间距一致，这样就无主次梁 之分，纵横肋梁位于同一平面内，以下的计算就以这种典型结构为例。 3 2 预应力锚杆肋梁结构设计 3 2 1 锚杆设计 锚杆倾角：倾角一般为1 5 2 5 。，且不大于4 5 。当边坡开挖时，尽量使锚杆与 边坡垂直，这样可以使锚杆垂直于肋梁所在平面。为使锚杆寻找底部好的锚固土 层，倾角可以大于4 5 。，但锚杆预应力沿边坡的分力是否会对肋梁造成破坏要进行 验算，该力应小于面层与土体的摩擦力。 锚杆长度：锚杆自由段不小于5 m ，在强风化岩地层中只要自由段超过滑体滑 动面即可；由于岩土体与锚固体之间的摩阻力值不好确定，各种岩土层经验性很 预应力锚杆肋粱支护技术 强，尤其是在风化岩中，岩石结构构造不同，锚杆钻孔方法不同，其极限摩阻标 准值q ，差别也很大，j g j 9 4 9 4 桩基规范和c e c s 2 2 ：9 0 土锚规范给出的土体q s 差 别很大。以下是经过几十个工程的锚杆基本试验推算出的青岛几种典型锚固土层 的摩阻参考值： 表1 内容极限摩阻锚杆基本试验 土层性质 七层名称、 标准值试验次数工程名称 淤泥质粉质粘土 3 0 5 02 0 粉质粘土1 5 0 2 0 02 0 中细砂2 0 0 3 5 05 租砾砂4 0 6 05 汇泉湾改造 砾砂混粘性土2 0 0 2 5 05 粗粒强风化花岗岩2 5 0 3 5 01 2汇丰大厦 细粒强风化花岗岩 3 0 0 3 5 01 2 裕龙科技大厦 中微风化花岗岩4 0 0 6 0 02 0青岛国际会展中心 拉杆设计：拉杆的截面尺寸除满足配筋安全系数k b 外，拉杆类型的确定很关 键在粘性土或某些砂性土层中成孔的锚杆，受锚杆长度和肋梁面层底土体强度所 限，单根锚杆承载力一般不超过5 0 0 k n ，这时用二级螺纹钢很方便：当锚固段位于 强风化岩中可获得较大的锚固力时。尤其是在岩石边坡使用时，使用锶绞线可以用 较小的配筋截面获得较大的抗拉强度；当在水下砂层中施工无法成孔时，可使用自 进式锚杆兼拉杆，拉杆材料多为中空厚壁无缝镪管。 市场常见钢筋及钢绞线力学性质如下：列表说明 表一常见钢筋力学性质 二级钢牌号公称直径屈服值( k n m m 2 )伸长率( ) 2 5 m n s i8 “2 5o 3 42 5 2 5 m n n b2 8 5 00 3 2 1 6 1 4 预应力锚杆肋梁支护技术 表二常见钢绞线力学性质 公称直径( 硼)强度级别( k n m m 2 )屈服荷载 1 6 77 0 6 6 9 o ( 7 中3 ) 1 7 01 4 7 7 1 5 71 1 8 0 9 1 2 0 9 ( 7 巾4 ) 中 1 6 71 2 5 4 4 1 4 71 7 3 1 7 1 5 0 ( 7 中5 ) 1 5 71 8 4 7 3 锚头锚具： 钢筋与自进式锚杆的锚头一般用2 0 号或4 5 号圆钢自制螺栓，配备经热处理 的螺帽作为锁具。螺栓的屈服值和极限抗拉强度均要高于拉杆，螺栓与拉杆的焊 接在锚杆施工前应做抗拉试验，以确保焊接接头抗拉强度高于拉杆的抗拉强度。 以钢绞线作为拉杆的锚杆的锚具有定型产品，但在有地下水渗漏的基坑中施 工锚杆时，应作好防锈处理工作，以防止基坑使用期间的预应力损失。 3 2 2 止水帷幕设计 对含地下水的砂层和软土基坑开挖段，经临界自稳高度的计算和帷幕宽度的确 定后，选择帷幕种类是设计阶段的关键。国内常用的帷幕止水方法有搅拌桩( 干 法或湿法) ，旋喷桩( 单管或二、三管) ，压灌素砼桩，多头长螺旋压浆桩，其 选择原则和优、缺点如下： 3 _ 2 2 1 高压旋喷桩帷幕 高压旋喷桩成桩机理：旋喷桩喷浆成桩前先用常规方法钻一小孔( 直径 9 0 。1 3 0 r a m ) ， 然后在孔内下入高压旋喷管。单管旋喷时成孔钻杆和旋喷管可合二 为一，利用高压浆( 或与气、水的混合体) 旋喷切削土体，使浆液与土体混合， 硬化后成桩。浆液自孔底起喷，靠提管速度控制成桩直径。单管及二重管的浆液 压力一般不小于2 0 m p a ，三重管的浆液压力也不小于2 0 m p a 。单管成桩直径较小， 一般为0 4 0 8 米，三管可达2 0 米，但桩体强度弱。 旋喷帷幕是单个旋喷桩互相咬合并与支护桩交接形成。 1 5 预应力锚杆肋梁支护技术 工艺缺陷：受前述工艺影响在不同环境下存在如下缺陷。 l 、砾石层成孔困难。 卵砾石层钻进历来是钻进工艺中的难点，合金和金刚石钻进都很困难，而且 高压风极易使钻孔坍塌。 2 、卵砾石层和岩石中成桩桩体缺陷多。 基坑工程中卵砾石层往往是透水层，是帷幕止水重点。有的基坑持力层在岩 层，要求止水帷幕深入岩层顶板一定深度以防基坑底涌水。 旋喷桩浆液无法穿透卵砾石层和岩层，造成这些部位的桩体缺失( 见示意图) 。 青岛兴源大厦基坑、麒麟大厦基坑都因这些缺陷造成基坑大面积漏水或流砂。 么7 髟 j f i i ) 【。 ： - _ - ：jo _rtf， 。 - _r 3 - 4 高压旋喷幕示意 帷幕 3 、受提管速度所限成桩速度慢 为保证桩体密实度和直径，拔管速度不能太快，这就影响成桩速度而且孔口 冒浆量加大。 4 、i 天i t l i z l 冒浆导致浆液浪费，造成旋喷桩造价太高 因孑l 底喷浆口细，加之浆液携带高压，孔口冒浆量势必增大，不仅浪费也造 成现场环境污染。 3 2 2 _ 2 深层搅拌桩帷幕 搅拌桩成桩机理： 搅拌桩是通过有喷浆( 粉) 的钻头钻至预定土层，随钻头倒转提钻( 孔口不 出土) 把浆液或干水泥与土体搅拌、固结成桩。由于桩机短小，仅钻头部位有2 3 片短螺旋，即使是多搅拌头，螺旋片都不通长。 1 6 礤应力锚杆肋粱支护技术 出于是搅拌成桩，系统压力仅保证浆液或干粉从钻头出口喷出即叮，因此泵 压仪1 o 、l _ 5 m p a 便可满足工艺要求。 搅拌槛帷幕缺陷： l 、因孔口不出土桩身加灰量少造成桩体强度低 由于搅拌头为短螺旋，孔口不出土，加灰量受狠，般为i 2 、i 涮，若想提高 加狄量只能复搅，因此在粘土层中桩体强度很难超过l o m p a ，砂层中也很难超过 1 5 m p a 。 2 、短螺旋为平底钻头根本无法穿越卵砾石层或入岩 因锥形搅拌头不利于浆液或干粉流均匀搅拌于土体中，所以厂家的钻头都为平 底，一旦遇卵砾石或岩石，甚至密实砂层，钻头便无法穿越，也就不能成桩，形 不成止水惟幕，因此其应用大大受限。 成桩示意图如下： 卵砾石层 j 蛳州t谫 l t4 l q j j i - i - i - i ：i - ：叫 k ：1 ：。，r jj 。f 【u 。二u = 二一二二+ i 成桩 3 - 5 搅拌桩帷幕示意 3 2 2 3 多头长螺旋钻孔高压浆搅拌排桩帷幕 成桩机理： 1 7