理论研究

前言

随着城市化建设的持续深化，现代建筑结构在空间上正向更深、更高层次发展。因此往往需要在外部环境影响众多、地质条件复杂的情况下进行基坑边坡支护。作者在多年的岩土工程实践中，摸索了一些对现有锚拉桩工艺的改进思路，并申请了国家专利。目前已成功应用于多项工程，反映效果较好，为业主创造了良好的经济效益。

本文将通过力学的理论计算、工程的经济性对比以及现场施工经验总结等多方面，对现有的锚拉桩工艺提出革新工法，并对新型双向支座法的可行性、安全性、经济性等进行分析。作为新技术、新工艺，将对社会总体环境资源的节能减排做出一定的贡献。同时，欢迎广大工程技术人员及专家提出宝贵意见。

一、桩锚支护结构的发展变化

基坑工程发展初期，通常在深度不大的基坑支护中采用悬臂式护坡桩，随着基坑开挖深度的增大，环境对基坑的变形要求严格，悬臂式护坡桩无法满足结构强度、变形与稳定要求，增加单层或多层支撑的排桩在深基坑工程中应运而生，目前采用的支撑方式通常有两种，①内支撑型；②锚杆外拉型。后者俗称锚拉桩。

由于内支撑造价高，破除支撑震动大，废弃物多，内支撑对土方及地下室施工干扰大，通常情况下，如地质条件许可，多数基坑选择锚拉桩。

锚拉桩发展初期，通常采用在两桩之间钻孔，安置钢筋，注入水泥浆，形成锚杆，在锚杆的外露端焊接螺栓，通过预加应力，经型钢腰梁传力至护坡桩，如图1所示。

此传力体系为：锚杆→螺栓→钢垫板→型钢腰梁→护坡桩（排桩）。

随着钢绞线的普及应用，用钢绞线替代钢筋，将传统使用的锚杆变为锚索。由于钢绞线抗拉强度数倍于钢筋，同样抗拉能力的锚索用钢量远小于锚杆。

目前，锚索在深基坑支护中已基本取代锚杆，但由于思维定势，锚拉桩传力体系仍维持：锚索→锚具→钢垫板→型钢腰梁→护坡桩。

二、传统工艺中腰梁工法存在的问题

1. 腰梁传力体系用钢量大

设基坑深度为10m，桩间距1.6m，锚杆长度25m的情况下，计算不同水平荷载作用下（不同锚杆拉力）单根锚索的型钢腰梁及钢垫板耗钢量，见下表1。

由上表可知，当锚索锚固力为600kN时，但用于传递锚索拉力的钢梁重159.6 kg，锚索采用4根Φ15.2钢绞线，其用刚量为114.4 kg，显然不合理。

2. 腰梁与桩的施工间隙通病

在实际施工中，很难做到将混凝土护坡桩保持在一个侧向平面内，从而型钢腰梁也难以紧靠护坡桩，锚杆的预应力也不能有效的传递到桩身。造成此质量通病主要是原因有：①放线定位偏差；②钻孔孔位偏差；③钻孔倾斜度偏差；④塌孔引起的成桩偏差。

即使严格控制施工质量，使得各项偏差满足规范标准要求，仍会在排桩与锚杆的锁定位置间产生0～50cm的间隙。当锚索预应力施加后，容易造成腰梁的扭曲变形，使锚杆的受力不均，锚杆的预应力也不能有效地传递到每一根桩身。导致支护体系的变形难以控制，削弱整体安全系数。

根据“榆林高新开发区总部基地项目基坑支护工程”（基坑周长约900米，基坑深度约17米）统计，锚索计1716根，支垫型钢腰梁与护坡桩间隙耗损Φ18钢材五捆，每捆2.6吨，使用钢材计13吨，平均每根锚索腰梁部位使用7.6 Kg。

由于支垫腰梁与支护桩间隙的工作通常较差，一方面导致腰梁变形扭曲，预应力施加达不到设计要求（见图4）。另一方面极易导致锚索受力不均，部分锚索受力已达极限，另一部分锚索受力轻微，进而导致支护体系变形量加大，整体安全度降低。

3. 锚索倾角与张拉角度有较大偏差

由于支护桩位偏差及垂直度偏差，导致腰梁与支护桩间隙往往很大，腰梁安装后钢垫板与锚索不能保持相互垂直，导致张拉后锚索偏离原倾角。

4. 腰梁占用工作面较多

通常在基础外墙与基坑侧壁间预留的1～2m施工操作面，但是采用型钢腰梁须则必须占用0.3～0.4m宽度，导致预留宽度减小。严重时，腰梁、锚索凸出部分往往影响地下室外墙模板、防水及土方回填、夯实等作业施工。

当基坑侧壁与主题基础结构需要无间隙、无施工面时，即无肥槽工法，型钢腰梁安装所占用的工作面影响很难消除。

三、腰梁对桩的整体约束到底有多大？

腰梁在基坑施工完成后，感官上形成一个整体的支撑作用，但实际并非如此，分析如下：

1. 型钢腰梁与混凝土冠梁的截面模量比较

梁对力的约束能力与自身的刚度和强度有关，采用型钢腰梁与混凝土冠梁的截面模量比较如下。

由上表对比可知，腰梁在基坑侧壁整体抗弯性能上远不及混凝土冠梁所起到的作用，对基坑侧壁刚度的贡献仅起到冠梁的1%，基坑设计中也往往忽略此部分作用。且由于钢梁的分段结合部为连接的薄弱环节（悬臂式约束），导致其连续性较差。

2. 腰梁对护坡桩的约束计算

(a) 我们把护坡桩、锚杆和腰梁之间的力的作用，相对应地简化为一个集中力F、支座反力Z和梁L的超静定结构。设定L长度8.8m，桩间距1.6m，设定F值的大小不超过梁的屈服强度，确保梁的正常工作状态。如下图5所示。在护坡桩集中力的作用下，分别计算梁的弯矩和挠曲变形。

我们选两根[25a槽钢为梁，经查表，该型号钢梁的屈服弯矩为:

通过结构计算，梁在受到集中力作用下的弯矩图以及挠曲变形图如下：

(b) 在同样条件下，若因为某种原因使其中一根锚索失效时，重新计算梁的弯矩及挠曲变形如下：

由上(a)、(b)对比分析可知，型钢腰梁在某根锚索失效的情况下弯矩增大，远超过梁的屈服弯矩91.66kN.m，实际中发生时将可能导致腰梁局部变形过大而失效。

综上所述，型钢腰梁必须在全部锚索均安全有效的情况下，才能承担锚锁对排桩的支撑传递，起到约束护坡桩作用。既然如此，我们只需找到更有效的桩锚连接的方法，便可放弃腰梁这种有很多弊端的桩锚连接形式。

四、已尝试的无腰梁工法及存在的问题

1. 正反锚具法

国家核心期刊文献（《岩土工程学报》2010年7月第32卷增刊1的《无腰梁预应力锚索护壁桩锚固新技术》）试图对腰梁工法改进(如图11所示)，提出如下措施：

将桩一侧的钢绞线绕过桩体与另一侧的钢绞线进行锁定加力，该法存在的主要问题是绕桩摩擦力将导致桩两侧锁定力不平衡。

设桩两侧锚索张拉力分别为 Ｔ1 与 Ｔ2 ，单侧张拉时，锚索对桩的正压力为：

设桩与钢绞线摩阻力为Ｔf，则有：

我们先预设不同的摩擦系数，将计算结果列如下表：

从表中可以看出，该工法无法对锚索进行均衡加力。例如，f=0.3时，桩两侧拉力比值达到0.538，按照规范，锚索锁定值为设计值的0.65倍，当锚索B已超过设计值时，锚索A尚未达到锁定值要求。也就是继续增大拉力，锚索B将达到破坏状态，而锚索A仍无法达到预设的工作状态，系统处于不安全状态。除上述问题外，锁定时锚具位置随着预应力施加会发生移动，给锁定带来困难。

2. 直接锁锚法

在实践中，也有直接将锚索设置在护坡桩桩身上（如图13），从而简化传力过程。施工时，在护坡桩上预留锚索通过孔，由该孔内完成锚索施工，并在护坡桩上完成张拉。

这种支护模式存在以下问题：

(a) 在护坡桩上预留（或凿除）锚索通过孔（约φ150mm），预留孔所占的断面分别会使直径为600、700、800的护坡桩有效截面分别减少了16.1%、13.75%、12.01%，这就使得护坡桩必须增加原截面积以满足设计需要。

(b) 按照通常护坡桩配筋，暂考虑10φ20的主筋，其均布分布在直径为600、700、800的护坡桩内，相邻两根主筋的距离分别为0.13m、0.16m、0.19m，间距较小，通常情况下，护坡桩中预留（或凿除）150mm的锚索通过孔时，会伤及护坡桩主筋。

(c) 如若满足护坡桩主筋间距150mm的条件，护坡桩直径在600、700、800情况下最多设置φ20钢筋分别为9根、12根和14根。

由以上可知，在护坡桩上预留（或凿除）锚索通过孔直接锁锚法，只能用于护坡桩配筋较少的工程，并不能广泛使用。

五、连接桩锚的新方法——双向支座法

1. 双向支座的结构

腰梁传力体系是锚杆应用条件下的产物，锚杆是由钢筋和水泥注浆体构成，其特点是难以弯曲，只能直线传力，在此条件下腰梁传力体系是必要的、合理的。

当锚杆改为锚索后，锚索由钢绞线和水泥注浆体构成。其特点是钢绞线具有柔性，在自由段范围内可转向，可绕桩拉结，在此条件下，采用腰梁传力毫无必要。根据钢绞线的特点，我们发明研制了双向交叉锁定锚索的装置（如图14所示），简称双向支座，该支座高度小于70mm，计入锚具尺寸后小于80mm，与桩间喷射混凝土厚度相同。喷射混凝土完成后，锚具及支座均被覆盖。基坑侧壁为平面，无凸出物。

该支座呈梯形，有三个受力面，其中2个面用于锁定沿护坡桩两侧切线方向穿越支座的钢绞线，另一个面将钢绞线的合力以支撑方式传向护坡桩。由于三个面均为承压面，受力条件极好，因此结构尺寸较小，重量为3.5～4.5kg。

2. 双向支座法的三种支护结构形式

通常，可采用单桩单锚的支护形式，双向支座锁定如图15所示。

为了节约工程成本，减少护坡桩的数量，在地层等条件许可的情况下，可以采用“单桩双锚”的支护形式，如图16所示。

为了进一步加大桩间距，当地层环境良好时，可在两桩之间加入一列或多列土钉，形成桩锚与土钉复合结构的支护形式，如图16所示。

3. 双向支座的优点

(1) 用钢量大幅度减少。由于原来每只锚索传力至护坡桩所需型钢及钢板约90～160kg，现在减为3.5～4.5kg,用钢量减少约95%，预计本项新技术的应用每年可节约钢材用量达千万吨以上，将对节能降耗、环保做出贡献。

(2) 劳动强度大幅度减少。由于型钢腰梁单根重量通常为200kg～400kg，需6～10名工人安装，劳动强度大，见图18。

采用双向支座，由于其重量为3.5～4.5kg，安装及锁定仅需3名工人配合，劳动强度低，劳动效率大为提高，见图18。

(3) 锚索受力均匀，控制变形好。本工法将每支锚索拉力均直接锁定至每根护坡桩，与护坡桩定位偏差完全无关。锚索受力均匀，由于无腰梁环节，不存在腰梁变形产生的预应力损失问题。

(4) 腰梁通常占用0.3m宽的操作空间，当无腰梁影响时，可减少0.3m土方开挖、回填量，以长宽均为100m、深20m的基坑为例，减少土方量4×100×20×0.3=2400 m3，如以土方外运、回填单价各为100元/ m3计算，则节约造价48万元。

(5) 锚索锚头外露钢绞线可与相邻锚索钢绞线绑扎在一起，无需割除。

传统锚索由于其垂直于基坑边壁施工，锚索外露钢绞线直指基坑内部，影响施工操作面，只能齐平锚具末端割除。割除钢绞线后，无法再次施加预应力。如图19为某工程腰梁脱落后，由于无法重新锁定腰梁，采用斜支撑加固基坑侧壁的案例。

使用双向支座，锚索外露钢绞线贴近基坑侧壁，不影响后期施工，故可采用铁丝等将相邻锚索异向钢绞线绑扎在一起，使外露钢绞线紧贴基坑边壁，其后续优点有：a.基坑边壁变形过大或需要加力的其它情况下可进行锚索的二次预应力施加；b.后期基坑回填时，可使用相应的工具将锚具及双向支座分层回收。

(6) 在具备一定的条件下，如地下室外墙与基础底板外沿平齐时，可采用无操作面施工，本工法将显示出极大的优越性：

①可减少土方开挖与回填量

以100m长、100m宽、20m深的基坑为例，按施工操作面1.5m宽计算，由操作面增加开挖外运、回填土方12000 m3，如以土方外运、回填单价各为100元/ m3计算，增加土方开挖外运、回填费用总计240万元。如采用无肥槽施工法，不仅减少土方外运及回填费用，也减少了土方回填对施工进度的干扰。

采用无肥槽施工时，由于桩位偏差，会导致地下室外墙浇筑时，增加混凝土浇筑量，以上述基坑为例计算，依规范允许的15cm的偏差量计算，相应增加的素混凝土量为4×100×20×0.15=1200m3，素混凝土单价按每立方350元计算，增加费用42.万元。

以上两项相抵，节约造价198万元。

②改善施工现场布置条件

采用无肥槽情况下，现场施工场地大幅度增加，改善了施工布置条件。

③可减少地下室墙体厚度，并加快地下室施工进度

在地下室较深情况下，地下室墙体厚度往往是由水平土压力决定，而非上部垂直压力决定，在此情况下，如采用无肥槽施工，护坡桩与地下室墙体将呈叠加梁状况，而桩与墙共同工作可以减薄地下室墙体厚度。

④有腰梁工法情况下采用无肥槽施工时存在的问题：

腰梁的设置位置受到限制，通常腰梁需设置在各层水平板之上约1.0m处（以避让墙体预留钢筋）。这种情况下往往将导致锚索位置不利于护坡桩桩身结构优化，使护坡桩桩身弯矩增大，进而导致桩径及配筋增大。

在水平板强度满足支撑强度要求时，方可拆除腰梁，导致地下室施工周期加长。

与有腰梁工法相比，采用双向支座条件下的无肥槽施工，则锚索位置取决于支护结构优化计算，地下室施工进度完全不受任何影响。

六、双向支座法的力学分析

1. 桩身抗压强度计算

支座挤压桩身按照局部受压构件计算，为偏于安全按未配置间接钢筋的混凝土护坡桩，计算公式如下：

对于直径为700的C30混凝土桩，采用我们目前已生产的常规双向支座，验算如下：

根据上述计算结果，已能满足普通土层锚索拉力条件对护坡桩的要求；对于某些超过此拉力的工程，可采用扩展底面积的双向支座。

2. 钢绞线绕桩身摩擦力试验分析

钢绞线绕桩身产生的摩擦力对于锚索张拉锁定力的影响，由于其受力的复杂性，数学模型难以解答，此部分受力状态采用试验方式确定。

在护坡桩外侧采用A1、B1锚索测力计，内侧采用A2、B2锚索测力计测出锚索内力值，根据两个差值求得不同锚索锁定力下锚索绕桩身后锚索与护坡桩身摩擦力造成的锚索内力值的损失百分比，试验装置如图21所示。

根据在实施工程中初步试验结果：钢绞线绕钢筋混凝土桩身后钢绞线内力因绕桩产生的摩阻损失约为30%。在实际施工过程中，张拉、锁定时，由于锚索锁定力为设计标准值的0.4～0.9倍（不同规范给定的范围差异较大），考虑到本方法存在绕桩摩擦阻力，故建议按设计值的0.9倍进行锁定。

3. 一桩一锚相关受力分析

(1) 限位环受力分析

设T为锚索设计张拉力，T1为受限位环影响后锚索张拉力，则T- T1即为限位环产生的摩擦力。F为限位环承受的正压力，μ为钢绞线与限位环摩擦系数（钢与钢之间的静止摩擦系数：无润滑条件为0.15～0.20，有润滑条件为0.10～0.15），限位环受力简图如图21所示。

由于: T-T1＝μ·F ，将拉力 F 按正弦分解： F＝T·sinα

代入可得： T-T1＝T·μ·sinα ，则锚索应力的损失比为：

(T-T1)/T＝μ·sinα

按护坡桩间距1.6m、桩径0.8m，锚索自由长度5.0m，则sinα =0.08。得到锚索的应力损失百分比如表4所示：

结论：在正常情况下，锚索的张拉和锁定时，由于限位环产生的摩阻力较小，不足2%，对整个锚拉系统影响极小，可以不予考虑。

(2) 限位环内力计算及配筋设计

取限位环安全系数K=1.5，锚索设计张拉力300kN，锚索自由段5.0m，计算直径0.8m的护坡桩在不同间距条件下限位环的内力及配筋（桩间距越大，限位环的拉力越大）见表5所示。

(3) 一桩一锚条件下钢绞线拉力值随时间衰变试验及其结果

一桩一锚条件下，钢绞线从限位环至桩体之间呈弧形，其拉力是否随时间而衰减非常重要，特进行试验，使用锚索测力计分别对5组钢绞线进行长期观察，测得其张拉力随时间衰变情况如图23所示：

在半年观测期间，由锚索测力计数据可知，以千斤顶卸压后10分钟锚索测力计读数为基数，锚索应力衰减在3.0%～7.2%之间，基本不影响锚索正常使用。

七、施工注意事项

1. 一桩两锚条件下锚索倾角设置

采用一桩两锚支护形式时，应保持锚索紧贴桩身，如图23所示。

为了减小群锚效应，桩两侧宜用不同倾角，建议锚索倾角交替变化，如图12。A锚索倾角12.5度，B锚索倾角17.5度，计算时采用平均倾角15度。

2. 一桩一锚条件下锚索位置与锁定力的施加

(1) 边侧锚索B1采用相邻锚索1/2配筋量，其位置距桩边缘10～20cm，如图25 。

(2) 按梯次锁定。

1. 第一轮张拉按设计锁定值的50%对称张拉每个双向支座上的钢绞线，张拉配对为：B1 A2、 B2 A3、B3 A4、B4 A5（可采用单根对称张拉方式）。
2. 第二轮张拉按设计锁定值对称张拉每一根锚索上的全部钢绞线，张拉配对为：A2 B2、A3 B3、A4 B4、A5 B5（必须同时张拉每根锚索上的全部钢绞线）。
3. 第三轮张拉按设计锁定值对有边侧锚索的双向支座上的全部钢绞线线进行张拉。

3. 对于锚索标高有差异部位的处理

1. 用数根锚索M1、M2（见图26）进行标高过渡；
2. 用一桩两锚Z1、Z2（见图27）进行变标高部位的处理。

4. 安全施工注意事项

1. 双向支座安装时应由两名工人配合穿孔，支座外预留30cm长度锚索，防止锚索脱落回弹后伤人。
2. 进入现场的操作人员，必须佩带安全帽；坡下张拉作业时，应注意观察，防止坡顶或高空坠物伤人。
3. 采用液压千斤顶施加预应力时，应由两人分别手持张拉，不得将千斤顶置于地上自由张拉。
4. 双向支座的两侧锚索加力应尽量保持平衡，同步施加。
5. 锚索张拉不得一次超过设计预应力值，应分梯度多次张拉。