基坑工程支护新技术及应用研究-秦鹏飞
[摘要]基坑支护是基坑工程的重要组成部分，工程建设规模的扩大和建设速度的加快推动着基坑支护技术的蓬勃发展。近些年来涌现出一系列新型基坑支护技术，如双排桩支护技术、玻璃纤维土钉墙支护技术、预应力锚索支护技术及浆囊袋锚杆支护技术等新技术。本文简要介绍了这几种基坑支护新技术的基本工作原理、工程适用条件及工作特性等，期望对工程技术人员参加工程建设有所裨益，对基坑支护技术的创新发展有所帮助。
[关键词] 基坑工程 支护 双排桩 预应力锚索 浆囊袋锚杆
1 引言
随着“十三五”规划纲要的出台和一系列稳增长措施的不断落实，国民经济持续健康发展，城镇化规模不断加快，新建基坑工程项目不断增多。基坑工程在施工与维护过程中具有较高的复杂性和不确定性，从而使其成为目前极具挑战性、高风险性、高难度的岩土工程技术课题和复杂的系统工程。近些年来高层建筑高度不断增加，基坑开挖深度愈来愈深，在工程建设中涌现出了大批深、大基坑工程建设项目，对基坑支护结构的安全性、经济性和稳定性能等提出了更高的要求。安全可靠、科学合理的基坑支护结构是进行它后续地下工程施工的重要前提和保证，工程技术人员在目前工程项目建设中发现，基坑工程支护设计与施工方面存在的问题比较突出，已成为工程界亟需解决的一个重大问题(杨光华，2004；何世秀等，2005；徐建平，2010；何长军等，2013)。
基坑工程是一个复杂的系统工程，影响基坑支护设计和施工的因素是多方面的，主要包括拟建建筑的基础类型、建设场地的工程地质和水文地质条件、周边紧邻建筑情况、基坑设计开挖深度及拟降水位深度、气象条件、地下管网分布情况和支护结构使用年限等。基坑开挖之前应对基坑支护方案充分调研和论证，精心设计，严格做好施工监控工作，才能确保基坑支护结构的安全和质量。近些年来涌现出一系列新型基坑支护技术，如双排桩支护技术、预应力锚索支护技术、浆囊袋锚杆支护技术和玻璃纤维土钉墙支护技术等新技术(刘润等，2006；金雪莲等，2007；刘井学等，2007；丘建金等，2012；程建华等，2014)。本文简要介绍了这几种基坑支护新技术的基本工作原理、工程适用条件及工作特性等，期望对工程技术人员参加工程建设有所裨益，对基坑支护技术的创新发展有所帮助。
2 双排桩支护结构
双排桩支护结构是近些年来随着基坑开挖深度增大而发展起来的一种新型支护结构型式，它的主要组成部分是前后两排互相平行的钢筋混凝土桩体及连接桩体的连梁。目前常用的双排桩桩型为钻孔灌注桩，双排桩支护结构见图1所示。
2.1 基本原理
双排桩支护结构形式相当于插入土体的空间门式钢架，紧靠基坑侧壁的后排桩体受到土压力作用时产生～定的侧向变形，通过连梁的作用推压前排桩体，引起前排桩体协同变形。双排桩主要依靠基坑以下桩前土的被动土压力和刚架插入土中部分的前桩抗压、后桩抗拔所形成的力偶来共同抵抗倾覆力矩(韩雪松等，2010；杜秀忠等，2012)。双排桩的整体抗侧拉压刚度明显比单排桩结构大，因此在相同的土压力作用下其抵抗侧向变形的能力更强，整体稳定性能和安全性能更好。
由于双排桩支护结构具有较高的安全工作性能，基坑内部一般不需设置内支撑支护结构。这不仅节约了支护结构的成本，同时还为基坑内部施工提供了较为宽阔的作业空间。双排桩支护结构独有的工程优势使其得到了较广泛的应用。
2.2 计算假定
目前关于双排桩工作性能的力学计算理论尚不成熟，但学术界普遍认为，桩间土与前、后排桩间的相互作用主要是水平荷载，理论分析上可以把桩间土假定为具有一定刚度的弹簧，相互作用的大小与弹簧的刚度及前后排桩的位移量有关(杨德健等，2007；李栋等，2015)。开展深入的力学计算和分析需以下列理论和假定为基础：(1)前后排桩与桩顶连梁组成一个整体钢架，钢架节点可以传递弯矩；(2)连梁刚度视为无穷大，不产生挠曲变形；(3)前后桩顶的水平位移相等。
2.3 研究现状
丁洪元等(2015)通过计算发现，当双排桩桩径取0．8m—1．0m、排间距取桩径的3～4倍时，排桩的弯矩分布和桩身的位移比较合理，可以最大化地发挥双排桩的支护作用，相比于后排桩桩长，增加前排桩的桩长对提高支护结构的稳定性更有效。有关学者对某基坑工程所采取的高强预应力砼双排管桩支护结构进行了分析计算，指出双排高强预应力砼管桩兼具双排桩及预应力高强管桩的优点，能有效地提高施工效率、缩短工期、降低工程造价，且整体性能好，对控制基坑及周围环境变形极为有利(丁洪元等，2015)。已有学者指出双排桩支护结构往往是在对支护结构侧移限制要求较高时使用，因此进行基坑支护结构设计时，主动土压力应予提高，而被动土压力值则应降低(杨德健等，2007)。也有研究者通过Plaxis有限元软件计算发现，增加连梁刚度，可使前、后排桩的水平位移减小，但当增加到一定程度后，对桩身水平位移的限制并不明显。而且还发现双排桩之间排距的变化直接影响桩体两侧土压力的变化。排距过小，主要表现悬臂式特性，而排距过大，后排桩主要起拉锚作用。当排距适当时，双排桩支护结构有较好的性能表现(林鹏等，2010)。
目前双排桩支护结构已经在一些地区采用并取得成功，对双排桩的受力与变形的理论虽然进行了一些研究，但还不够完善，例如前后排桩的土压力分布、结构的内力与位移的计算方法、基坑支护中各因素对结构侧向变形及内力的影响等问题都有待进一步研究。
3 预应力锚索支护技术
预应力锚固体系由锚头、锚索和内锚固段等3个部分组成。预应力通过外锚头作用于岩土体表面，形成一个牢固的锚固端，另一端则通过内锚固段与岩土体之间的砂浆粘结作用于岩土体，从而对边坡或岩土体起到预期的锚固效果。目前学术界普遍认为，预应力锚索的作用机理主要包括深层锚固作用、注浆约束作用以及锚索沿长上的摩阻作用等几个方面。
3.1 深层锚固作用
预应力锚索的外锚头一端固定在边坡岩土体的坡壁上，另一端通过预应力张拉锚固在深部稳定岩土之中，这样坡体内部的土压力便通过锚索传递给了深部稳定的岩土体。岩土体深部的土层经过锚索的锚固作用，其自稳潜能得以充分发挥，便达到了预期的锚固效果。
3.2 注浆约束作用
注浆在预应力锚索支护中起着重要作用，注浆能明显增强预应力锚索的锚固效果。通过注浆不仅可以约束和固定土钉锚索，使其发挥预期的锚固作用，而且注浆后渗透到土体孔隙中的浆液往往还可以对土颗粒起胶凝作用，从而改善了土体的物理力学性能，并大大增强了土体的稳定性。
3.3 沿长摩阻作用
注浆改善了土体的物理力学性能，使原本松散的土颗粒胶结在一起，它们通过孔道内的水泥浆结石体将锚索紧紧握裹，起到了良好的摩阻作用，从而阻止钢筋从土体中拔出。拉拔力沿锚索长度的变化规律是逐渐减小的，这样锚索就能够稳固在岩土体内部，发挥其自身的功能。
4 浆囊袋锚杆支护技术
浆囊袋注浆锚杆支护技术是伴随着我国南方地区经济建设发展而产生的一种新型基坑支护方案。与传统锚杆支护技术相比，浆囊袋注浆锚杆支护技术通过加设浆囊袋扩大了锚杆锚固段的直径，增加了锚杆与泥土之间的接触面积，这样就增大了锚固体与土体间的摩擦阻力，从而提高了注浆锚杆的抗拔力，大大改善了锚固体的工作性能(孔剑华，2013)。
浆囊袋注浆锚杆主要由锚杆主筋和柔性浆囊袋两部分组成。柔性浆囊袋一般设置在锚杆主筋的外侧，注浆后与锚杆协同作用抵抗拉拔力，其结构示意图见图2所示。柔性浆囊袋一般由韧性较好、抗拉强度较高的软塑料膜或土工膜材料制成。从外形上看柔性浆囊袋是长筒状结构，其直径略大于钻孔直径，以保证注浆后能与土体紧密挤压，发挥摩擦和锚固作用。
柔性浆囊袋外部通常设有一定数量、等间距布置的约束带，约束带的作用是封闭袋口，承受注浆压力，并将柔性浆囊袋限定为“糖葫芦”串状形态，从而增加支护结构的抗拔力。浆囊袋注浆锚杆支护技术具有结构简单、生产成本低等优点，特别适合在淤泥、淤泥质土等软弱地层中应用。现场测试发现浆囊袋锚杆抗拔力约为10kN／m，比普通土钉支护的抗拔力(4 kN／m～6 kN／m)高出一倍左右。
5 玻璃纤维土钉墙支护
5.1 基本原理
土钉支护是由放置在土中的土钉体、被加固土体和喷射混凝土面层共同组成的一种挡土结构。其主要作用机理是充分利用原状土的自承能力，把本来完全靠外加同护结构来支挡的被动土体，通过土钉技术的加同使其本身成为一个复合的挡土结构(丘建金等，2012)。工程实践表明，土钉钢筋体与注浆体间的粘结强度远高于注浆体与土层的粘结强度。例如工程技术人员通过专门的室内试验发现，螺纹钢筋与水泥结石体的粘结强度可达2MPa～3MPa，而注浆体与土体间的粘结强度却不足1MPa。天然土体通过土钉的加同并与喷射}昆凝土面层相结合，共同抵抗支护后面传来的土压力和其它荷载，保证了基坑开挖面的稳定(见图3)。
5.2 工程特点
玻璃纤维(GFRP)土钉墙是由玻璃纤维增强材料制成的支护结构(徐永浩，2014)。与传统土钉墙支护结构相比，玻璃纤维(GFRP)土钉墙具有以下优势：(1)质量轻。玻璃纤维的天然密度介于1．5g／cm3～1．99／era3之间，仅为钢材密度的25％左右。(2)耐腐蚀性强。玻璃纤维在潮湿和腐蚀环境条件下比钢材具有更优异的工作性能，抵抗氯化合物和其它化合物侵蚀的能力强。(3)易切割、施工方便。玻璃纤维材质较脆，方便适宜于手工切割或机械切割。(4)混凝土结合力强。玻璃纤维的热膨胀系数等物理力学参数与普通硅酸盐水泥较为接近，在土中能与水泥水化反应产物紧密结合，协同工作。(5)绝缘隔热：玻璃纤维属非晶体材料，导热性差且绝缘，因此具有更高的安全性能。(7)透磁波性能强。玻璃纤维材料同时还是一种非磁性材料，在强磁场环境中同样能发挥正常功能，无需做脱磁处理。如上所述，GFRP筋具有强度高、轻质、易切割等传统土钉支护不具备的优势，解决了钢筋残留影响坑边其它后续工程施工的问题。玻璃纤维(GFRP)土钉墙施工工法安全、投资合理、场地小、工期短，在后续交叉作业的基坑工程中有较大的推广价值。
6 结论
基坑支护是基坑工程的重要组成部分，工程建设规模的扩大和建设速度的加快推动着基坑支护技术的蓬勃发展。近些年来涌现出一系列新型基坑支护技术，如双排桩支护技术、预应力锚索支护技术、浆囊袋锚杆支护技术及玻璃纤维土钉墙支护等新技术。简要介绍了这几种基坑支护新技术的基本工作原理、工程适用条件及工作特性等，期望对工程技术人员参加工程建设有所裨益，对基坑支护技术的创新发展有所帮助。
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