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深及超深基坑支护新技术:预应力锚杆柔性支护

398 2020-06-08 17:19:12

预应力锚杆柔性支护是用于基坑开挖和边坡稳定的一种新的支挡技术,是由预应力锚杆与喷射混凝土面层或木板面层结合而成的一种支护方法,其中预应力锚杆是由众多吨位较小的预应力锚杆组成的系统锚杆。目前支护最深基坑深度约30m。其造价约为传统桩锚支护的四分之一到三分之一。具有广阔的应用前景。

1、研究背景

预应力锚杆柔性支护是用于基坑开挖和边坡稳定的一种新的支挡技术,是由预应力锚杆与喷射混凝土面层或木板面层结合而成的一种支护方法,其中预应力锚杆是由众多吨位较小的预应力锚杆组成的系统锚杆。按前述支护形式的分类方法,它属于柔性支护法,相对于传统的刚性支护方法,如桩、墙支护,该方法造价低廉、施工工期短、基坑变形小且安全可靠。基于预应力锚杆柔性支护法在经济上、技术上、安全上几方面的优良表现,因此,非常有必要对该方法进行系统的研究,以期该技术得到更广泛的应用。

1993年首次在大连胜利广场基坑支护中使用了预应力锚杆柔性支护法,并取得了成功,积累了宝贵的实践经验。该工程位于大连站前繁华商业区,基坑四周紧靠交通干路,其中南北两侧道路是大连市两条主干路。基坑占地面积约40000m2,深度达22.2m,喷射混凝土标号C20、厚150mm,锚杆采用2Φ28或2Φ25的预应力锚杆。该工程采用预应力锚杆柔性支护顺利完工后,由于施工快、造价低的特点,在后来的很多基坑工程中均采用了这种支护方法,其间也有数量不少的基坑支护工程采用预应力锚杆与木板面层相结合的柔性支护形式,如深度达15m的大连友谊商城深基坑支护。从1993年至今的近十年间,仅以大连为例,采用预应力锚杆柔性支护的基坑就达百余座。

基坑支护的方法很多,每一种支护方法均有各自特点、适用条件及适用范围。刚性支护的优点是:①支护结构的刚度大,整体性好;②支护基坑的深度大,对于桩锚支护体系,通过预应力可以有效地控制深基坑的坑壁位移。土钉柔性支护的主要优点是工期短、造价低及施工简便。预应力锚杆柔性支护法则综合上述支护方法的优点,即造价低、工期短、施工简便、支护深度大、坑壁位移小,并且安全性好。因此,预应力锚杆柔性支护法在基坑工程支护上具有更广阔的应用空间。

在安全、经济、快捷的设计原则下,与其它支护方法相比,特别是在下面几种情况下的基坑,预应力锚杆柔性支护法表现出很强的竞争力:

(1)位移控制严格的基坑。垂直开挖且紧靠建筑物、交通干道、地下重要管网的基坑,其位移控制较严格。由众多预应力锚杆形成的系统锚杆,其强大的预应力可以有效地控制坑壁位移。

(2)深度大的基坑。目前在基坑支护工程中当基坑很深时,如深度超过20m,一般采用拉支锚杆挡墙。如前所述,采用传统支护方法在经济、工期上是不合适的。目前土钉支护基坑最大深度是18m,土钉支护基坑的极限深度较难确定。但支护深度再增加,则容易导致变形过大,会造成严重的环境安全问题,土体单元在大应变状态下容易剪坏或拉坏,对其稳定产生不利影响,如果通过加长、加密土钉来解决稳定和变形问题,往往又是不经济的。而采用预应力锚杆柔性支护法则既可解决超深基坑的支护问题,同时又能做到造价上相对低廉、施工方便、工期短。目前国内采用预应力锚杆柔性支护法的最深基坑是大连远洋大厦深基坑支护,深度达25.6m,该基坑地处市中心地带,四周紧靠建筑物和交通干路,变形控制良好,建筑物未出现任何不良问题。

(3)钻孔费用高的基坑。对于土钉支护而言,其单钉承载力小,土钉密度大,这是由土钉支护的特性决定的,因此其钻孔的数量大,对钻孔费用较高地层,如风化岩、碎石等,土钉支护在工程造价上未必是经济的,因为钻孔费用的增加提高了土钉支护的单位造价。而上述岩土层的抗剪强度高,恰恰适合于抗拔力高的预应力锚杆,因此这对锚杆密度相对稀疏的预应力锚杆柔性支护而言,往往是经济的。

预应力锚杆柔性支护法尽管没有土钉支护发展的那样快,但也得到了较为广泛的应用。鉴于上述的一些优点,预应力锚杆柔性支护法作为新型的支护方法将会有非常强的生命力和竞争力。因此,很有必要建立一套完整的设计、计算方法,以促进该技术的应用和发展,这正是本书所要研究的。

2、预应力锚杆柔性支护法

2.1 预应力锚杆柔性支护法的基本组成

预应力锚杆柔性支护法由预应力锚杆(索)、面层、锚下承载结构和排水系统组成。

预应力锚杆分自由段和锚固段,锚固段设置于潜在滑移面外的稳定土体中。预应力锚杆(索)可以采用拉力型、压力型或压力分散型等形式;预应力锚杆杆体可以采用钢筋、钢管、钢绞线等;注浆通常采用常压注浆,并且锚杆全长注浆,通过一定构造措施使锚杆在自由段内能自由伸缩,对抗拔力较低的地层,也可以采用二次高压注浆。

面层是预应力锚杆柔性支护法的必不可少的组成部分,常采用挂钢筋网喷射混凝土,也可以采用木板或者将木板和喷射混凝土结合共同用作面层,通常需根据具体土层情况和施工季节确定。由于面层厚度薄,相对于传统的桩锚支护、地下连续墙等支护而言,其刚度要小得多,柔性大,这就是称之为预应力锚杆柔性支护法的缘由,以示与桩锚支护的区别,按照支护面层刚度的大小将基坑支护分成了柔性支护体系和刚性支护体系。

锚下承载结构简称锚下结构,是预应力锚杆柔性支护法的重要组成部分。在锚杆上施加的预应力通过锚下承载结构传递至需要锚固的岩土体上。锚下结构通常由型钢(工字钢、槽钢)、垫板、锚具组成。型钢可竖直分段放置,也可水平多跨连续放置或通常连续放置。

排水系统,通常设置地排水沟,将地表水排走,防止地表水渗透到土体中。在地下水以下的坑壁上设泄水孔,以便将喷射混凝土面层背后的水排走。在基坑底部应设排水沟和集水坑,必要时采用井点降水法降低地下水水位。

预应力锚杆柔性支护法将锚杆锚固于潜在滑移面以外的稳定岩土体中,对锚杆施加的预应力通过锚下结构和面层对潜在滑移面以外的稳定岩土体进行锚固。由于在非稳定岩土体内设置了自由段,锚杆在自由段中可以自由伸缩,因此预应力对整个非稳定岩土体进行了主动的约束锚固。预应力还产生了如下效应:在锚杆周围岩土中产生压应力区,增加了潜在滑动面上的正应力和抗剪阻力,减少了非稳定土体的下滑力。因此预应力锚杆柔性支护法通过预应力有效的控制了坑壁位移,增加了基坑的稳定性,它是一种主动的支护形式,而土钉支护只有在土体发生变形后才能被动受力,土钉对土体的约束需以土体的变形作为补偿,这也是预应力锚杆柔性支护法有别于土钉支护的又一特征。

2.2 预应力锚杆柔性支护法的施工步骤

预应力锚杆柔性支护体系采用从上到下、分层开挖、分层支护的施工方法,具体施工步骤为:

(1)分层向下开挖一定的深度

开挖深度根据锚杆的竖向间距、土体自稳高度、锚杆钻机类型及锚下结构确定。预应力锚杆的间距通常为2.0~3.0m,开挖的深度一般约为2.0~3.0m,每层开挖位置在锚杆下约0.5~1.0m,由于预应力锚杆的间距大于土钉间距,每次开挖的深度也较土钉支护大。

(2)设置预应力锚杆

在该层作业面上设置预应力锚杆,包括钻孔、制作安装锚杆、注浆等几个环节。钻孔需按设计的长度和角度,采用适用于岩土条件的钻进方法成孔。通过一定措施使自由段内的锚杆杆体与注浆体绝缘,以使锚杆在施加预应力时能自由伸缩。

(3)安装锚下承载结构和喷射混凝土

先布设钢筋网,然后安放锚下承载结构,锚下承载结构与坑壁应保持一定的间距,喷射混凝土应将型钢翼缘喷满,这样可以提高型钢局部稳定性和整体稳定性,同时增加锚下承载结构的刚度。

(4)锚杆预应力张拉

待注浆体强度和喷射混凝土的强度达到设计要求,方可进行预应力张拉。张拉时可适当的进行超张拉,以减小预应力损失。预应力张拉同时也是对锚杆质量的一次检验。

(5)继续向下开挖一定的深度,并重复上述步骤,直至设计开挖深度。

若初始开挖无支护状态或完成一层锚杆支护后再行向下开挖而无支护状态下,开挖面的稳定性存在着问题时,可以通过下列途径予以解决:①开挖完后立即喷射混凝土对土体予以封闭;②开挖前设置竖向微型桩;③采用跳挖“马口”的方法分段支护。


3、预应力锚杆柔性支护法的特点

预应力锚杆柔性支护是通过“自上而下”地设置一定间距的预应力锚杆来锚固开挖基坑的原位土体。由于对锚杆施加了预应力,增加了岩土中潜在滑动面上的正应力和相应土的抗剪阻力,减少了岩土中沿潜在滑动面的下滑力,因此,预应力锚杆柔性支护是主动的支护形式。由于支护坑壁的面层厚度较薄,其刚度较小,柔性大,因此称为预应力锚杆柔性支护。

1)预应力锚杆柔性支护与传统的刚性支护相比,其主要优点是:

①造价低廉

主要体现在两方面:①使用材料(包括混凝土、钢材)较少,材料用量远低于桩锚支护及地下连续墙支护;②土石方开挖和回填工程量少。根据研究调查,预应力锚杆柔性支护仅为桩锚支护工程造价的1/3~1/2

②工期快

传统的桩锚支护或墙锚支护需在基坑开挖前进行混凝土桩或连续墙的施工,而预应力锚杆柔性支护为边开挖边支护,使土石方开挖和支护同步进行,因而工期大大缩短。

③施工占地小

预应力锚杆柔性支护法占用的空间小。在一些特殊的地段,如基坑紧贴建筑或基坑周围有地下管网,传统的桩锚或墙锚则无法做到,而采用预应力锚杆柔性支护则能满足这种要求。

④施工简单

预应力锚杆柔性支护所需要的设备主要为钻孔机、喷射机、注浆机及电焊机等,均为小型施工设备,操作简便,施工简单,对周边环境干扰较小,特别适合于城市施工。

⑤安全性好

由于锚杆均为预应力锚杆,对每一根锚杆均进行了张拉,这实际上也是对每一根锚杆的检验,发现有问题的锚杆可以及时进行补做,避免潜在的隐患。另一方面,在使用期间,由于锚杆数量众多,单根锚杆承受的荷载相对较小,即使个别失效对整体影响也不大。

(2)预应力锚杆柔性支护与土钉支护同为柔性支护,与土钉支护相比,尚有其优点:

①基坑变形小

土钉支护只有当土体发生一定变形后才能被动受力,随着开挖深度的加深,坑壁的位移也不断加大;而预应力锚杆柔性支护由于施加了预应力,在土体中产生压应力,减小了土体剪切变形,同时锚固段内砂浆锚固体与岩土间的剪切变形以及锚杆的弹性变形也随着预应力的施加而相继发生,因此,预应力锚杆柔性支护的坑壁变形大大减小。根据国内外的研究和实测资料,土钉支护的最大水平位移发生在基坑顶部,其最大值与坑深的比值约为1‰~4‰。基坑支护的变形性能对城市地区基坑开挖是非常重要的,尤其是在紧靠建筑物和重要管网基坑的支护,要求基坑变形很小,在这种情况下,预应力锚杆柔性支护在控制位移上则表现出良好的性能。

②施工工期短

由于预应力锚杆柔性支护中单根锚杆的承载力要比单根土钉的承载力大,锚杆的水平间距和竖向间距要比土钉的大,对相同深度的基坑,锚杆的层数要比土钉少,需要分层循环施工的次数减少,尤其浆体达到一定强度需要一定的时间。因此,相对而言,预应力锚杆柔性支护的工期较短。

③支护基坑的深度大

对两种支护方法基坑的极限深度做出估计是件困难的事情。由于预应力的存在,预应力锚杆柔性支护的坑壁位移比土钉支护的位移要小得多,特别是对坑壁位移有严格要求的城市区域,预应力锚杆柔性支护的基坑可以做得深一些。另一方面,由于预应力改变了土体单元的受力状态,延缓了土体单元发生剪切破坏或主拉应力破坏的过程,提高了坑壁的稳定性。因此,从理论上讲,预应力锚杆支护基坑的深度要大一些。国内工程实例表明,预应力锚杆支护的大连远洋大厦基坑深度已达25.6m,土钉支护的广州安信大厦基坑的最大深度达18m。


4、预应力锚杆柔性支护法与其它支护方法的比较

土钉支护是一种原位加固的方法,预应力锚杆支护与土钉支护二者均属于柔性支护,在外观上有相似之处,但在作用机理上是有区别的。拉锚式支护结构包括桩锚支护和墙锚支护,属刚性支护体系,它与预应力锚杆柔性支护法在施工方法、变形形态等方面存在着一些差异。

4.1预应力锚杆柔性支护与土钉支护的比较

(1)二者的相似点

①施工方法均是自上而下分层开挖,分层支护,随挖随支;

②均是对原位土体的支护;

③相对传统的支护而言,二者坑壁面层的刚度较小,均属于柔性支护;

④基坑坑壁位移的形态是相似的,在地面处最大,随深度的增加逐渐减小,只是预应力锚杆支护的位移要比土钉支护的位移小得多,如图2-3所示。

(2)二者的区别

①作用机理不同

预应力锚杆支护对潜在滑移区内的岩土体进行锚固,锚杆设置时施加预应力,预应力增加了岩土体潜在滑动面上的正应力和相应抗剪阻力,减少了沿潜在滑动面的下滑力,增加了岩土体整体稳定性,对岩土介质的潜在滑移面起“超前缝合”作用,具有主动的约束锚固机制。土钉支护是对原位土体进行加固,以土钉与其周围被加固的土体形成的复合土体作为挡土结构,类似重力式挡墙。土钉一般是不加预应力,只有当坑壁发生位移后,土钉才能对土体产生约束,使土钉被动受力,因此土钉主要取其加固机制。

②稳定验算的内容有区别

预应力锚杆柔性支护的锚固段位于潜在滑裂面以外,其只需进行滑裂面以内岩土体的稳定验算(包括施工阶段的最不利工况)和坑底隆起验算。土钉支护除进行上述两项验算外,还需进行外部稳定验算。

③锚杆沿全长分为自由段和锚固段,锚杆杆体与土体之间的剪切荷载传递只发生在锚固段(抵抗区),在自由段(活动区)不允许传递剪切荷载,锚杆在自由段长度上拉力大小是相等的。土钉杆体与土体之间的剪切荷载传递沿全长发生,一般是中间大、两头小,因此二者在杆体长度方向上的拉力分布是不同的,如图2-4所示。

④锚杆通过自由段将最大的锚固荷载传递给坑壁上,因此需要锚下承载结构,以防止“刺穿”挡土结构面层。而土钉最大荷载只有一部分通过土钉传到面层,因此面层上只需较小的传力结构即可,一般说来其端部用一小钢板与土钉相连后直接喷于混凝土中即可满足承载要求。

⑤预应力锚杆柔性支护和土钉支护中,单根锚杆的承载力比单根土钉的要大,因此锚杆的间距要比土钉的间距大,预应力锚杆的间距通常为1.8~3.0m左右,土钉的间距通常为1.0~1.5m左右,当然锚杆或土钉间距大小与岩土性质有关。

4.2 预应力锚杆柔性支护与拉锚式支护结构比较

预应力锚杆柔性支护与拉锚式支护结构的区别主要体现在以下几个方面:

(1)预应力锚杆支护属柔性支护体系,面层受力较小;而拉锚式支护结构属刚性支护体系,挡土结构受力很大。

(2)从施工方法上,前者施工是分层开挖、分层支护;后者施工则是在基坑开挖前先进行桩或墙的施工,开挖后进行锚杆施工。

(3)二者的锚杆均是预应力锚杆,其做法和受力状态是相同的,但前者的锚杆密度和数量比后者锚杆要大得多,而前者单根锚杆的承载力则比后者锚杆的承载力小得多。因此,可以形象的说,预应力锚杆柔性支护是由数量多的、承载力较小的系统预应力锚杆构成的。

(4)预应力锚杆柔性支护开挖面最大变形发生在坑壁顶部,而拉锚式支护结构的最大变形发生的位置取决于锚杆的位置和如何受力。


5、 预应力锚杆柔性支护的适用土层及应用范围

5.1 最适用于预应力锚杆柔性支护的土层

一般来讲,从经济效益看来,预应力锚杆柔性支护的经济使用要求土层在垂直或陡斜边上开挖2m左右高时,不加支护条件下能保持自稳1~2天。另外,特别要求钻孔孔壁能保持稳定至少数小时。

预应力锚杆柔性支护可适用于下列土层类型:

(1)无不良方向性和低强度结构的残积土和风化岩;

(2)粉质粘土和不易于产生蠕变的低塑性粘土之类的硬粘土;

(3)天然胶结砂或密实砂和具有一定粘结力的砾石;

(4)天然含水量至少为5%的均匀中、细砂。

5.2 不适合用预应力锚杆柔性支护的土层

任何一种支护方法均有其适用的土层条件,在此条件能做到安全、经济、快捷。在不太适宜的岩土地层中可以通过技术措施来实施某种支护方法,但往往导致该方法在经济上是不合理的。

下列土层被认为不适用或应有限制的使用预应力锚杆柔性支护法:

(1)现场标准贯入击数N值低于10或相对密度小于30%的松散规则粒状土,这些类型的土通常没有足够的自稳时间,并对施工设备的振动敏感性很强。

(2)不均匀系数小于2的粒度均匀的粒状无粘性土(级配不良),非常密实的除外。在施工过程中,这些类型的土缺乏明显的粘聚力,在暴露时将趋于松散状态。

(3) 有过高含水量或潮湿的土,这类土暴露时趋于滑坍或产生开挖面不稳定问题,即明显的粘聚力损失。

(4)液性指数大于0.2,不排水抗剪强度小于50kPa的有机质土或粘性土。该类土体中会产生连续长期蠕变,在饱和状态下施工还会明显减小土体与水泥浆粘合力和抗拔阻力。因此,锚杆在这类土中应用是应事先进行长期蠕变状态的试验测试,符合要求时方可投入使用。

(5)对具有张开节理或孔隙的高度破裂岩石(包括孔状灰岩)和多孔、级配粗糙的粒状材料(如卵石),因难在于难以获得令人满意的灌浆锚杆而要特别小心。低坍落度灌浆之类的施工措施有时可优先在这类材料中使用。

(5)有软弱结构不连续面的岩石或风化岩(如填满的断层泥)。

5.3预应力锚杆柔性支护的应用范围

(1)临时性支护

主要用于高层建筑、地下结构的深基坑支护,面层可以使用喷射混凝土,也可以使用木板。

(2)永久性支护

城市地区的建筑边坡加固,公路、铁路路堑边坡加固,隧道洞口挖方工程加固等。垂直或近乎垂直的开挖施工使开挖量降至最少,同时还减少了公路用地。

(3)原有支挡结构修整加固

预应力锚杆可通过原有挡土墙来设置,用来加固或加强原有失效或危险的挡土结构。这些挡土结构主要有:①已遭受结构破坏或过量挠曲的毛石挡墙或钢筋混凝土挡墙,造成的原因通常是由于松散或软弱回填土以及墙后渗水;②由于钢筋腐蚀或回填质量差,损坏了加筋土墙。

在二十世纪七、八十年代,我国修建的一批加筋土桥面和路堤,不少出现了侧向过量挠曲的问题,现已有部分工程采用了本方法进行了加固,效果良好。


6、 预应力锚杆柔性支护的局限性

就像大多数支护方法一样,预应力锚杆柔性支护技术不是普遍适用的,必须清楚的了解其局限性。在通常情况下,通过恰当的设计或施工预防措施,从技术上可以解决这些局限性,但这样又往往导致该方法不再具有经济实用的特点。

(1)锚杆施工要求在土体中形成一般为2m左右高的路堑。因此,土体必须有一定程度的天然“粘结”和胶结,否则就需要进行掏槽、护道或减少路堑开挖层高度以稳定开挖面,这就增加了施工的复杂性和施工费用。

(2)现场需要有允许设置锚杆的地下空间。在城市中心地带,拟开挖基坑邻近的建筑有地下室或建筑物基础且水平距离较小,锚杆无法设置,这时可用桩锚技术来完成支护,通过下调锚杆的位置和加大倾角使锚杆在地下室或建筑物基础下穿过,如图2-5所示。

(3)对钻孔困难的地层或限于当地设备条件而钻孔困难的地层,钻孔费用过高,导致整体造价提高。

(4)在软粘土或易发生蠕变的粘土等土层,由于锚杆在这些土层中的摩阻力低,锚杆不可能有效的发挥其支撑能力,为了保持足够的稳定水平,需要较长和高密度的锚杆,这在经济上是不合理的。


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