黄路明等： 某深基坑桩锚支护设计及监测成果综合分析
某深基坑桩锚支护设计及监测成果综合分析
黄路明 刘伍 樊金桂 王敬 苏宴平
（北京市地质工程设计研究院）
摘 要：桩锚支护结构在深基坑支护工程中已得到广泛应用，为使支护方案更加经济合理，本工程在锚头上安装轴力计，监测基坑开挖过程中锚杆拉力的变化，同时结合锚杆验收试验成果、基坑桩顶水平位移监测成果，与理论设计计算结果进行对比、分析，从而进一步优化基坑支护设计方案，为类似工程的基坑支护设计工作提供参考。 关键词：深基坑；支护结构；锚杆轴力监测；设计效果综合分析
2.2水文地质条件：未见上层滞水，地下潜水水
1 工程概况
本工程位于宣武区虎坊路与骡马市大街交叉口西南角，为宣武区骡马市大街南侧公建项目，基坑深度13.35m。自2010年5月上旬开工，10月下旬基坑支护及监测工作结束，2011年3月主体结构封顶，基坑肥槽回填完毕。
位埋深约22.0m。
参见图1 。
2 地质条件
本场地位于永定河冲积扇的中上部，场内地形较平坦，地面标高约44.70m。
2.1地层条件：各土层的基本岩性特征如下：
人工堆积层：杂填土○1层，厚度为4.0～5.6m。 新近沉积层：粉质粘土②层：灰黑色，软塑，高压缩性。
第四纪冲洪积层：
粉质粘土③层：褐黄色，可塑，中高压缩性； 砂质粉土粘质粉土③1层：褐黄色，密实； 粉细砂④层：褐黄色，密实； 中粗砂④1层：褐黄色，密实；
砂质粉土粘质粉土⑤层：褐黄色，密实； 粉质粘土⑤1层：褐黄色，密实。
卵石⑥层：杂色，密实，一般粒径20-40mm，中粗砂填充。
图1 典型工程地质剖面图
3 基坑支护方案简介
主基坑按侧壁安全一级、重要性系数1.1考虑。 因场内可用空间狭小，整个基坑均采用桩锚支护。以基坑东侧壁支护为例，桩径600mm，桩距1.3m，桩长17.35m，嵌固深度4.0m，两道预应力锚杆；第一道位于地表以下3.5m，3桩2锚，锚杆长度23m，轴力设计值483.2kN，预加轴力250kN；第二道位于地表以下8.0m，1桩1锚，锚杆长度25m，轴力设计值805.6kN，预加轴力400kN。参见图2
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支护设计土层参数取值 层号 1 2 3 4 5 6 7 土类 名称 杂填土 粘性土 粉砂 中砂 粉土 细砂 卵石 层厚 (m) 5.60 2.20 1.00 5.00 3.50 1.50 10.00 粘聚力 (kPa) 10.00 28.00 0.00 0.00 20.00 0.00 0.00 内摩擦角 (度) 15.00 20.00 30.00 35.00 28.00 40.00 45.00 与锚固体摩 擦阻力(kPa) 40.0 50.0 70.0 110.0 75.0 90.0 120.0
图3 基坑东侧壁第一道锚索23#锚杆验收试验Q～S曲线
图2 东侧壁支护剖面图
采用理正深基坑6.0计算软件计算，整体稳定（整体滑动）验算，整体稳定安全系数 Ks = 2.135＞1.3，满足规范要求；抗倾覆稳定性验算，抗倾覆安全系数最小值Ks = 2.335 ＞1.2, 满足规范要求；嵌固深度计算设计值 hd = 3.63m，嵌固深度采用值 hd = 4.0m。
4 锚杆验收试验
对第一道、第二道锚杆进行锚杆验收试验，锚杆轴向力张拉至1.0倍设计值（以基坑东侧壁为例，第一道锚杆轴力设计值483.2kN，第二道锚杆轴力设计值805.6kN），锚头位移相对稳定，锚杆轴向拉力值满足设计要求。参见图3、图4.
图4 基坑东侧壁第二道锚索5#锚杆验收试验Q～S曲线
5 基坑监测
5.1桩顶水平位移监测
在排桩顶面设置水平位移监测点，经监测，整体
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基坑桩顶水平位移小于10mm，但在南壁西段位移较大，达20～25mm，经侧壁土质查验，本部位的新近沉积层粉质粘土②层厚较大，其底界已达地面下7.0m，呈灰黑色，软塑，高压缩性，造成本部位第一道锚杆最大轴力明显偏低，不利于基坑变形控制。尽管如此，桩顶水平位移实测值尚未超过设计拟定的26.7mm （一级基坑准许最大水平变形值2‰h）。
根据基坑桩顶水平变形实测值，说明本基坑是处于安全可控状态。 5.2锚杆轴力监测
5.2.1锚杆轴力监测点布置
并趋于稳定；
3天后分2次下挖4.5m至第二道锚索开孔施工标高。第1次开挖，轴力值随之急剧增加至220kN，8天后连续增至270 kN，然后轴力值迅速下降并稳定在100～110 kN附近。第2次开挖，轴力值在2天内急剧增加至220 kN附近，然后轴力值迅速下降并稳定在100～110 kN附近。
此后，受第二道锚杆以下土方开挖影响，轴力值随之发生相应变化。
9月20日以后，轴力值基本稳定在100～110 kN附近，仅发生小幅变化。本道锚杆自张拉锁定到轴力值基本稳定，历时33天；
（2）第2道锚杆于9月3日完成轴力计安装，并进行张拉锁定，锁定时轴力初始值为400 kN，当日数小时后轴力值下降至160 kN，1天后稳定在100～110 kN附近；
3天后分2次下挖4.5m至槽底（预留0.30m厚保
图5 锚杆轴力监测平面位置示意图
在基坑四侧壁上下2道锚杆锚头处安装轴力计，每侧壁上下各1个，整个基坑共计安装8个。根据实测结果，东侧壁、南侧壁受现场施工干扰较少，测试数据较完整，成果规律性明显，因此，本文重点分析东侧壁、南侧壁轴力测试数据。参见图5。 5.2.2 锚杆轴力监测成果
在锚头部位安装轴力计，随土方分步开挖及工程进展，及时、准确的对锚杆轴力进行系统监测，经整理绘制出“锚杆轴力～时间关系图”。参见图6、图7。 5.2.2.1东侧壁轴力监测成果描述
（1）东侧壁第一道锚杆于8月17日完成轴力计安装，并进行张拉锁定，锁定时轴力初始值为250 kN，当日数小时后再测轴力值下降至107 kN，衰减迅速，
护层）。第1次开挖，轴力值在8天内增加至160 kN，4天后轴力值下降至90 kN附近。第2次开挖，轴力值在1天内急剧增加至170 kN附近，然后轴力值迅速下降至90～110 kN附近。
9月20日以后，轴力值基本稳定在90～110 kN附近，仅发生小幅变化。本道锚杆自张拉锁定到轴力值基本稳定，历时17天； （3）相关性：
8月17日～9月3日，仅存在第一道锚杆“轴力～时间曲线”，轴力值及变幅均较大，可称为“独担风险期”；
9月3日～20日，第一道、第二道锚杆“轴力～时间曲线”基本同步，但轴力值及变幅差异明显，可称为“相互干扰期”；
9月20日以后，第一道、第二道锚杆“轴力～
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时间曲线” 基本重合，可称为“合二为一期”。 kN，然后轴力值迅速稳定在140～150 kN附近。第2次开挖，轴力值随之急剧增加至200 kN附近，历时2天，然后轴力值迅速稳定在120～160 kN附近。 10月1日以后，轴力值稳定在100～110 kN附近。本道锚杆自张拉锁定到轴力值基本稳定，历时26天；
图6 东侧第一道、第二道锚杆轴力～时间关系图
5.2.2.2南侧壁轴力监测成果描述
（1）南侧壁第一道锚杆于8月19日完成轴力计安装，并进行张拉锁定，锁定时轴力初始值为250 kN，当日数小时后轴力值下降至100 kN，衰减迅速，并趋于稳定；
1天后分2次下挖4.5m至第2道锚索开孔施工标高。第1次开挖，轴力值在2天内急剧增加至250 kN，然后轴力值在5天内下降至90～110 kN附近。第2次开挖，轴力值在1天内急剧增加至160 kN附近，然后轴力值迅速下降至90～110 kN附近。 此后，受第二道锚杆以下土方开挖影响，轴力值随之发生相应变化。
10月1日以后，轴力值基本稳定在90～110 kN附近，仅是小幅变化。本道锚杆自张拉锁定到轴力值基本稳定，历时42天；
（2）第2道锚杆于9月4日完成轴力计安装，并进行张拉锁定，锁定时轴力初始值为400 kN，当日 数小时后轴力值下降并稳定在130～140 kN附近； 此后分2次下挖4.5m至槽底（预留0.30m厚保护层）。第1次开挖，轴力值随之急剧增加至170～180
图7 南侧第一道、第二道锚杆轴力～时间关系图
（3）相关性：
8月19日～9月4日，仅存在第一道锚杆“轴力～时间曲线”，轴力值及变幅均较大，可称为“独担风险期”；
9月4日～10月1日，第一道、第二道锚杆“轴力～时间曲线”基本同步，但轴力值及变幅差异明显，可称为“相互干扰期”；
10月1日以后，第一道、第二道锚杆“轴力～时间曲线” 基本重合，可称为“合二为一期”。
6 设计效果综合分析
从整体稳定性验算，抗倾覆稳定性验算，嵌固深度计算结果方面，说明本设计方案满足相应规范要求；从基坑桩顶水平位移监测结果、锚杆验收试验结果、锚杆轴力监测结果方面，说明本工程的实测值与设计值实现了较好统一。
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锚杆轴力监测工作在本工程中起到了重要作用，不仅从中获得了珍贵的实测资料，同时也发现了一些有价值的规律性现象，值得分析、研究及探讨。 （1）锚杆在张拉锁定后，轴力会发生快速损失，轴力值下降显著。初步分析主要是由于在锁定过程中锚具卡片滑动、腰梁变形、腰梁支点附近土体变形、锚杆自由段变形等因素引起；
（2）每步土方开挖，均会使其上方已完成张拉锁定的锚杆轴力发挥徒增，当一次性开挖较深时，锚杆轴力徒增较大，使基坑支护结构水平变形过大，不利于基坑支护安全控制；
（3）第一排锚杆轴力值随其下土方开挖进程而引起变化的强度，远大于第二排锚杆轴力值随其下土方开挖进程而变化的强度。因此，第一排锚杆在设计合理性、施工质量、张拉锁定效果方面与其下方的锚杆相比，显得更为重要；
（4）在土方下挖到基底后，第一道、第二道锚杆的轴力很快稳定在90～110 kN附近，在此后的几个月监测中也少有变化。此值与第一道锚杆轴力设计值483.2kN，与第二道锚杆轴力设计值805.6kN相距甚远，即使在考虑锚杆轴力设计值=1.3～1.4倍计算值条件下，及基坑土方开挖卸荷引起土压力释放条件下，也表明基坑支护系统的实际受力状态远小于方案设计计算结果，有较大的安全储备，说明方案有进一步优化的空间；
（5）填土、新近沉积土层强度较低，易使基坑产生较大的水平变形，不利于基坑支护工作。而一般第四纪土，尤其是密实的土层，其强度较高，在基坑支护
设计时，对密实土层可充分挖潜，大胆使用土质力学参数上限值，但必须确保施工质量为前提。
7 结语
锚杆在张拉锁定后，轴力会快速损失，根据惯例，可通过超张拉和补偿张拉给予弥补，以达到更好的控制基坑水平变形的作用，这是一个值得提倡的办法，本工程未采用此措施，有些遗憾；
基坑桩锚支护结构是一个很复杂的受力系统，再加上土体的各向异性，试图通过现有的岩土理论达到精准计算桩锚支护结构的受力状态，仍有一定困难。实践证明，对重点、复杂、经验不足的工程，应开展有针对性的现场监测工作，通过采集可靠的实测数据，经系统、深入分析、研究，有可能会发现更本质、更有规律性的信息，使岩土工程设计方案更加经济、合理、安全、可靠。
参考文献：
[1] 余志成,等.深基坑支护设计与施工.北京:中国建筑工
业出版社, 1999.
[2] 高大钊.深基坑工程.北京:机械工业出版社, 1999. [3] 水利部水利水电规划设计总院．预应力锚固技术
北京:中国水利水电出版社,2001.
[4] 朱晗迓,孙红月,汪会帮,等,边坡加固锚索预应力变化
规律分析,岩石力学与工程学报,2004,23.
[5] 周永江,何思明,杨雪莲,预应力锚索的预应力损失机
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作者简介：黄路明，19**年出生，男，汉族，北京密云县人，水工环地质专业工程师，一直从事岩土工程勘察、设计、施工及相关管理工作。E-mail:hlm319@163.com
Design and Monitoring Generalized Analysis of Pile-anchor Retaining Structure in a deep Foundation Pit
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Huang Lu Ming Liu Wu Fan Jin Giu Wang Jing Su Yan Ping
（BEIJING GEO-ENGINEERING DESIGN RESEARCH INSTITUTE）
[Abstracts] Pile-anchor Retaining Structure obtained the widespread application in the deep Foundation Pit Retaining Structure Engineering project，In order to cause the Retaining plan to be more economical reasonably， This project installs the axle strength measuring instrument on anchorage，Follows the Foundation Pit to excavate downward，Carries on the monitor to the anchor rod pulling force，Simultaneously unifies the anchor rod inspection acceptance testing achievement、The head of pile horizontal departure monitor achievement，Carries on the contrast and analysis with the theoretical design and computed result，Then，Deep level development high quality plan, For similar project Provides the reference in the deep Foundation Pit Retaining Structure plan design。 1234 5
[Key words]，design effect generalized analysis
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deep Foundation Pit, Retaining Structure, axial load monitoring