預(yù)應(yīng)力錨索+排樁支護技術(shù)理論

預(yù)應(yīng)力錨索+排樁支護技術(shù)理論2.1結(jié)構(gòu)構(gòu)成在基坑支護中，預(yù)應(yīng)力錨索+排樁支護模式應(yīng)用比較廣泛，樁錨支護結(jié)構(gòu)主要包括的構(gòu)件有：排樁、錨索、冠梁、腰梁等，它們之間相互聯(lián)系，相互作用，相互影響，形成一個有機的整體。（圖2.1）圖2.1樁錨結(jié)構(gòu)簡圖2.2結(jié)構(gòu)受力基坑周圍樁體受到土壓力、水壓力及周圍建筑物等荷載的作用，樁體有著向基坑傾斜的趨勢并產(chǎn)生了側(cè)向位移。由于受到樁體側(cè)向位移的影響，基坑底面樁嵌固深度范圍內(nèi)的土體就會產(chǎn)生被動土壓力來抵抗樁體承受的部分主動土壓力，而錨索由于預(yù)應(yīng)力的作用，也會抵抗部分主動土壓力。樁體所受的土壓力有：主動土壓力、被動土壓力及錨索的錨固力。如果錨索錨固力與被動土壓力之和大于主動土壓力，樁體就不會產(chǎn)生側(cè)向位移，這時支護體系是有效的；如果錨索錨固力與被動土壓力之和小于等于主動土壓力，樁體就會產(chǎn)生側(cè)向的位移，如果位移較小，在允許的范圍內(nèi)，我們認為支護是安全的，若超出了允許的范圍，則認為支護體系失效。另外樁體本身還應(yīng)具有足夠剛度和強度，避免在最大彎矩處變形過大，在最大剪應(yīng)力處發(fā)生剪切破壞阮,22］。

錨索受力情況復(fù)雜。由于拉桿、漿體、土體等部分的相互影響和作用，錨索體系的工作機理難以分析清楚，再加上各部分材料性能差異也很大，更增加其復(fù)雜性。工作機理：錨索的錨固力傳到錨固段，當(dāng)錨固段錨索受力后，通過錨索和砂漿間的黏結(jié)力傳到錨固體中，再通過錨固體與土體之間的摩擦力傳到土體深處。單根錨索的承載力主要受以下兩個因素的控制：錨固段膠結(jié)材料與孔壁的黏結(jié)力以及膠結(jié)材料與鋼絲或鋼絞線之間的握裹力。錨索必須具有足夠的強度以承受極限拉力。鋼材同膠結(jié)材料之間的握裹力比膠結(jié)材料同孔壁的粘結(jié)力大將近一倍，不會發(fā)生破壞。因此，設(shè)計中可不考慮鋼材與膠結(jié)材料的握裹力。重要工程需進行鋼材與膠結(jié)材料握裹力及錨固長度校核。許多研究和試驗證明，錨固體與土層的摩擦力分布不均勻，錨固段剪應(yīng)力的分布沿孔壁呈倒三角形，沿錨固段長度迅速遞減。當(dāng)錨固段長到一定程度，錨固力提高并不顯著。并不是錨固段越長，其錨固力越大。所以增加錨固段長度的作用是有限的阪］。2.3計算理論2.3.1土壓力計算根據(jù)支護結(jié)構(gòu)的位移方向和大小的不同，可以將土壓力分為三種基本類型:靜止土壓力、主動土壓力和被動土壓力目。（1）靜止土壓力計算靜止土壓力是墻體無側(cè)向變位或者側(cè)向變位微小時，土體作用于墻面上的土壓力。其基本假定為：地表面水平，墻背豎直且光滑。p0=Gz+q）K0 （2.1）1（2.2）E=-yH2K

0 2 0（2.2）y——土的重度z—計算點深度q——地面均布荷載K0——計算點處土的靜止土壓力系數(shù)p0——該深度的側(cè)向土壓力E0—靜止土壓力（合力）（2）主動土壓力計算朗肯土壓力的基本假定有：地表面水平，墻背豎直、光滑。在無粘性土中，主動土壓力計算如下：

p=yzK=tan2p=yzK=tan245o-—"2J(2.3)(2.4)(2.5)Ka——計算點處土的主動土壓力系數(shù)———土的內(nèi)摩擦角在粘性土中，主動土壓力計算如下：（2.6）p=yzK-2c底（2.6）（2.7）2c

z———0^Ka （2.8）c——土的粘聚力（3）被動土壓力計算在無粘性土中，被動土壓力計算如下：PpfK （2.9）K=tan2[45。+—pI2J （2.10）（2.11）Kp——計算點處土的被動土壓力系數(shù)在粘性土中，被動土壓力計算如下：(2.12)(2.13)p=yzK+2cJK"(2.12)(2.13)E=2yH2Kp+2cHiK~2.3.2結(jié)構(gòu)分析錨拉式支擋結(jié)構(gòu)，可將整個結(jié)構(gòu)分解為擋土結(jié)構(gòu)、錨拉結(jié)構(gòu)（錨桿及腰梁、冠梁）分別進行分析；擋土結(jié)構(gòu)宜采用平面桿系結(jié)構(gòu)彈性支點法進行分析；作用在錨拉結(jié)構(gòu)上的荷載應(yīng)取擋土結(jié)構(gòu)分析時得出的支點力舊。采用平面桿系結(jié)構(gòu)彈性支點法時，宜采用圖2.2所示的結(jié)構(gòu)分析模型。圖2.2錨拉式支擋結(jié)構(gòu)彈性支點法計算簡圖1一擋土構(gòu)件；2一由錨桿簡化而成的彈性支座；3一計算土反力的彈性支座作用在擋土構(gòu)件上的分布土反力可按下列公式計算：(2.14)p=kv+p(2.14)擋土構(gòu)件嵌固段上的基坑內(nèi)側(cè)分布土反力應(yīng)符合下列條件：尸<Ep (2.15)當(dāng)不符合公式(2.15)的計算條件時，應(yīng)增加擋土構(gòu)件的嵌固長度或取Ps=Ep時的分布土反力。式中：p 分布土反力(kPa)；k——土的水平反力系數(shù)(kN/m3)；「一擋土構(gòu)件在分布土反力計算點的水平位移值(m)；p—初始土反力強度(kPa)；s0P—作用在擋土構(gòu)件嵌固段上的基坑內(nèi)側(cè)土反力合力(kN)；sE——作用在擋土構(gòu)件嵌固段上的被動土壓力合力(kN)。p擋土構(gòu)件內(nèi)側(cè)嵌固段上土的水平反力系數(shù)可按下列公式計算：(2.16)k=m\z一h/(2.16)式中：m——土的水平反力系數(shù)的比例系數(shù)(kN/m4)；z 計算點距地面的深度(m)；h—計算工況下的基坑開挖深度(m)。土的水平反力系數(shù)的比例系數(shù)(m)宜按樁的水平荷載試驗及地區(qū)經(jīng)驗取值，缺少試驗和經(jīng)驗時，可按下列經(jīng)驗公式計算：

(2.17)c、9取值；式中：mc、9取值；土的粘聚力(kPa)、內(nèi)摩擦角(°)；對多層土，按不同土層分別vb——擋土構(gòu)件在坑底處的水平位移量(mm)，當(dāng)此處的水平位移不大于10mm時，可取v=10mm。排樁的土反力計算寬度應(yīng)按下列規(guī)定計算：b0b0=0.9(1.5d+0.5)(d<1m)b=0.9(d+1) (d>1m)0(2.18)(2.19)式中：b0 單樁土反力計算寬度(m)；當(dāng)按式(2.18)及式(2.19)計算的b大于排樁間距時，取b0等于排樁間距；d 樁的直徑(m)。(2.20)錨桿和內(nèi)支撐對擋土構(gòu)件的作用應(yīng)按下式確定：Fh=kR^^R~VR0(2.20)式中：F——擋土構(gòu)件計算寬度內(nèi)的彈性支點水平反力(kN)；hkR——計算寬度內(nèi)彈性支點剛度系數(shù)(kN/m)；vR——擋土構(gòu)件在支點處的水平位移值(m)；Vr0——設(shè)置支點時，支點的初始水平位移值(m)；P-—擋土構(gòu)件計算寬度內(nèi)的法向預(yù)加力(kN)；采用錨桿或豎向斜撐時，h取P=P?cosa.b/s；采用水平對撐時，取P=P-b/s；對不預(yù)加軸向壓力的支h a h a撐，取4=0；錨桿的預(yù)加軸向拉力P宜取(0.75Nk?0.9、)，支撐的預(yù)加軸向壓力P宜取(0.5N?0.8Nk)，此處，P為錨桿的預(yù)加軸向拉力值或支撐的預(yù)加軸向壓力值，a為錨桿傾角或支撐仰角，b為結(jié)構(gòu)計算寬度，s為錨桿或支撐的水平間距，、為錨桿軸向拉力標(biāo)準(zhǔn)值或支撐軸向壓力標(biāo)準(zhǔn)值。錨拉式支擋結(jié)構(gòu)的彈性支點剛度系數(shù)宜通過錨桿抗拔試驗按下式計算：I (Q-Q》k= 1A-a(2.21)R *2-s1)s(2.21)式中：Q1、Q2—錨桿循環(huán)加荷或逐級加荷試驗中(Q?s)曲線上對應(yīng)錨桿鎖定值與軸向拉力標(biāo)準(zhǔn)值的荷載值(kN)；s1、s2——(Q?s)曲線上對應(yīng)于荷載為Q1、Q2的錨頭位移值(m)；b 結(jié)構(gòu)計算寬度(m)；as——錨桿水平間距(m)。

對拉伸型鋼絞線錨桿或普通鋼筋錨桿，在缺少試驗時，彈性支點剛度系數(shù)也可按下列公式計算：3EEAAb(2.22)(2.23)R—(3EAl+Al)5cfspa(2.22)(2.23)E=EAp+Em?-Ap)c A式中：E——錨桿桿體的彈性模量(kPa)；E——錨桿的復(fù)合彈性模量(kPa)；AC——錨桿桿體的截面面積(m2)；pA——錨桿固結(jié)體的截面面積(m2)；l—錨桿的自由段長度(m)；l—錨桿的錨固段長度(m)；fE——錨桿固結(jié)體的彈性模量(kPa)。m2.3.3錨桿設(shè)計錨桿的應(yīng)用應(yīng)符合下列規(guī)定麗:錨拉結(jié)構(gòu)宜采用鋼絞線錨桿；當(dāng)設(shè)計的錨桿抗拔承載力較低時，也可采用普通鋼筋錨桿；當(dāng)環(huán)境保護不允許在支護結(jié)構(gòu)使用功能完成后錨桿桿體滯留于基坑周邊地層內(nèi)時，應(yīng)采用可拆芯鋼絞線錨桿；粘性土層，成孔工藝；(粘性土層，成孔工藝；(3)層內(nèi)；(5)錨桿注漿宜采用二次壓力注漿工藝；錨桿錨固段不宜設(shè)置在淤泥、淤泥質(zhì)土、泥炭、泥炭質(zhì)土及松散填土在復(fù)雜地質(zhì)條件下，應(yīng)通過現(xiàn)場試驗確定錨桿的適用性。錨桿的極限抗拔承載力應(yīng)符合下式要求：(2.24)式中：K——錨桿抗拔安全系數(shù)；安全等級為一級、二級、三級的支護結(jié)構(gòu)，tK分別不應(yīng)小于1.8、1.6、1.4；'N——錨桿軸向拉力標(biāo)準(zhǔn)值(kN)；kRk—錨桿極限抗拔承載力標(biāo)準(zhǔn)值(kN)。錨桿的軸向拉力標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)按下式計算：

(2.25)N=FhSkbCOSa(2.25)a式中：N——錨桿的軸向拉力標(biāo)準(zhǔn)值(kN)；kF——擋土構(gòu)件計算寬度內(nèi)的彈性支點水平反力(kN)；hs—錨桿水平間距(m)；b 結(jié)構(gòu)計算寬度(m)；aa—錨桿傾角(°)。錨桿極限抗拔承載力的確定應(yīng)符合下列規(guī)定：錨桿極限抗拔承載力應(yīng)通過抗拔試驗確定。錨桿極限抗拔承載力標(biāo)準(zhǔn)值也可按下式估算，但應(yīng)按抗拔試驗進行驗證：Rk="dEqslkll (2.26)式中：d——錨桿的錨固體直徑(m)；l—錨桿的錨固段在第i土層中的長度(m)；錨固段長度(la)為錨桿在理論直線滑動面以外的長度； aq—錨固體與第i土層之間的極限粘結(jié)強度標(biāo)準(zhǔn)值(kPa)。sik當(dāng)錨桿錨固段主要位于粘土層、淤泥質(zhì)土層、填土層時，應(yīng)考慮土的蠕變對錨桿預(yù)應(yīng)力損失的影響，并應(yīng)根據(jù)蠕變試驗確定錨桿的極限抗拔承載力。錨桿的自由段長度應(yīng)按下式確定(圖2.3)：平、(a+a-dtana)sin(45。一一m) 日lf''\,_甲_2+cosa+1.5(2.27)式中：lf—錨桿自由段長度(m)；a——錨桿的傾角(°)；a1——錨桿的錨頭中點至基坑底面的距離(m)；a2——基坑底面至擋土構(gòu)件嵌固段上基坑外側(cè)主動土壓力強度與基坑內(nèi)側(cè)被動土壓力強度等值點O的距離(m)；對多層土地層，當(dāng)存在多個等值點時應(yīng)按其中最深處的等值點計算；d——擋土構(gòu)件的水平尺寸(m)；O點以上各土層按厚度加權(quán)的內(nèi)摩擦角平均值(°)。圖2.3錨桿計算簡圖錨桿自由段長度除應(yīng)符合公式(2.27)的規(guī)定外，尚不應(yīng)小于5.0m。錨桿桿體的受拉承載力應(yīng)符合下式規(guī)定：N、% (2.28)式中：N——錨桿軸向拉力設(shè)計值(kN)；f—預(yù)應(yīng)力鋼筋抗拉強度設(shè)計值(kPa)；當(dāng)錨桿桿體采用普通鋼筋時，取普通鋼筋強度設(shè)計值(f)；A 預(yù)應(yīng)力鋼筋的截面面積(m2)。p錨桿鎖定值宜取錨桿軸向拉力標(biāo)準(zhǔn)值的0.75?0.9倍。錨桿的布置應(yīng)符合下列規(guī)定：錨桿的水平間距不宜小于1.5m；多層錨桿，其豎向間距不宜小于2.0m；當(dāng)錨桿的間距小于1.5m時，應(yīng)根據(jù)群錨效應(yīng)對錨桿抗拔承載力進行折減或相鄰錨桿應(yīng)取不同的傾角；錨桿錨固段的上覆土層厚度不宜小于4.0m；錨桿傾角宜取15°?25°，且不應(yīng)大于45°，不應(yīng)小于10°；錨桿的錨固段宜設(shè)置在土的粘結(jié)強度高的土層內(nèi)；當(dāng)錨桿穿過的地層上方存在天然地基的建筑物或地下構(gòu)筑物時，宣避開易塌孔、變形的地層。鋼絞線錨桿、普通鋼筋錨桿的構(gòu)造應(yīng)符合下列規(guī)定：錨桿成孔直徑宜取100mm?150mm；錨桿自由段的長度不應(yīng)小于5m，且穿過潛在滑動面進入穩(wěn)定土層的長度不應(yīng)小于1.5m；鋼絞線、鋼筋桿體在自由段應(yīng)設(shè)置隔離套管；土層中的錨桿錨固段長度不宜小于6m；錨桿桿體的外露長度應(yīng)滿足腰梁、臺座尺寸及張拉鎖定的要求；（5） 錨桿桿體用鋼絞線應(yīng)符合現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼絞線》GB/T5224的有關(guān)規(guī)定；（6） 普通鋼筋錨桿的桿體宜選用HRB335、HRB400級螺紋鋼筋；（7） 應(yīng)沿錨桿桿體全長設(shè)置定位支架；定位支架應(yīng)能使相鄰定位支架中點處錨桿桿體的注漿固結(jié)體保護層厚度不小于10mm，定位支架的間距宜根據(jù)錨桿桿體的組裝剛度確定，對自由段宜取1.5m?2.0m；對錨固段宜取1.0m?1.5m；定位支架應(yīng)能使各根鋼絞線相互分離；（8） 鋼絞線用錨具應(yīng)符合現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《預(yù)應(yīng)力筋用錨具、夾具和連接器》GB/T14370的規(guī)定；（9） 普通鋼筋錨桿采用千斤頂張拉后對螺栓進行緊固的鎖定方法，螺栓與桿體鋼筋的連接、螺母的規(guī)格應(yīng)滿足錨桿拉力的要求；（10） 錨桿注漿應(yīng)采用水泥漿或水泥砂漿，注漿固結(jié)體強度不宜低于20MPa。10） 錨桿腰梁可采用型鋼組合梁或混凝土梁。錨桿腰梁應(yīng)按受彎構(gòu)件設(shè)計。錨桿腰梁的正截面、斜截面承載力，對混凝土腰梁，應(yīng)符合現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》BG50010的規(guī)定；對型鋼組合腰梁，應(yīng)符合現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》GB50017的規(guī)定。當(dāng)錨桿錨固在混凝土冠梁上時，冠梁應(yīng)按受彎構(gòu)件設(shè)計，其截面承載力應(yīng)符合上述國家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。11） 錨桿腰梁應(yīng)根據(jù)實際約束條件按連續(xù)梁或簡支梁計算。計算腰梁的內(nèi)力時，腰梁的荷載應(yīng)取結(jié)構(gòu)分析時得出的支點力設(shè)計值。12） 型鋼組合腰梁可選用雙槽鋼或雙工字鋼，槽鋼之間或工字鋼之間應(yīng)用綴板焊接為整體構(gòu)件，焊縫連接應(yīng)采用貼角焊。雙槽鋼或雙工字鋼之間的凈間距應(yīng)滿足錨桿桿體平直穿過的要求。13） 采用型鋼組合腰梁時，腰梁應(yīng)滿足在錨桿集中荷載作用下的局部受壓穩(wěn)定與受扭穩(wěn)定的構(gòu)造要求。當(dāng)需要增加局部受壓和受扭穩(wěn)定性時，可在型鋼翼緣端口處配置加勁肋板。14） 錨桿的混凝土腰梁、冠梁宜采用斜面與錨桿軸線垂直的梯形截面；腰梁、冠梁的混凝土強度等級不宜低于C25。采用梯形截面時，截面的上邊水平尺寸不宜小于250mm。15） 采用楔形鋼墊塊時，楔形鋼墊塊與擋土構(gòu)件、腰梁的連接應(yīng)滿足受壓穩(wěn)定性和錨桿垂直分力作用下的受剪承載力要求。采用楔形混凝土墊塊時，混凝土墊塊應(yīng)滿足抗壓強度和錨桿垂直分力作用下的受剪承載力要求，且其強度等級不宜低于C25。2.3.4基坑穩(wěn)定性分析

基坑穩(wěn)定性分析是指分析基坑周圍土體或土體與圍護體系一起保持穩(wěn)定性的能力1。（1）整體穩(wěn)定性分析基坑支護體系整體穩(wěn)定性驗算的目的就是要防止基坑支護結(jié)構(gòu)與周圍土體整體滑動失穩(wěn)破壞，在基坑支護設(shè)計中是需要經(jīng)?？紤]的一項驗算內(nèi)容。在條分法中，瑞典條分法是最簡單也是最古老的一種。這個方法把滑動面假定為一個圓弧面，并且認為可以將條塊間的作用力忽略不計，或者說，假定每一個土條兩側(cè)的條間力合力方向都與這個土條底面相互平行，而且大小相等、方向相反并且都作用在同一條直線上，所以在考慮力和力矩平衡條件時可以相互抵消。但是，在兩個土條之間，這種假定并不滿足，對安全系數(shù)的計算結(jié)果，這樣所造成的誤差有時會高達60%以上。在均質(zhì)土坡中任取一土條i，土條寬度為4，嗎是它的自重，噸及T分別是作用在土條底部的總法向反力和切向阻力，土條底部的坡腳為口i>0，滑弧的長度是1，R是滑動面圓弧的半徑，Bishop等提出關(guān)于安全系數(shù)定義的改變，對條分法的發(fā)展起了非常重要的作用。Bishop等將土坡穩(wěn)定安全系數(shù)Ks定義為整個滑動面的抗剪強度'f和實際產(chǎn)生的剪應(yīng)力T之比。這樣不僅使得安全系數(shù)的物理意義更加的明確，而且它使用范圍變得更加廣泛了，同時也給非圓弧滑動分析和土條分界面上條間力的各種分析方法提供了有利條件。假設(shè)整個滑動面上的平均安全系數(shù)為Ks，按照安全系數(shù)的定義，土條底部的切向阻力七為:（2.29）C1+Ntan甲（2.29）s由于不考慮條間的作用力，根據(jù)土條底部法向力的平衡條件，可得:（2.31）（（2.31）（2.32）（2.33）現(xiàn)將整個滑動土體內(nèi)各土條對圓心取力矩平衡，可得:ZTR獸Ri iM Z（c1+Wcos9tan甲）故得:s—M~~ 9故得:瑞典條分法式忽略土條間力影響的一種簡化方法，它只滿足土體整體力矩平衡條件而不滿足土條的靜力平衡條件，這是它區(qū)別于后面將要講述的其它條分法

的主要特點。此法應(yīng)用的時間很長，積累了豐富的工程經(jīng)驗，一般得到的安全系數(shù)偏低（即偏于安全），故目前仍然是工程中常用的方法。（2）抗傾覆穩(wěn)定性驗算其計算公式為:(2.34)K=土

其計算公式為:(2.34)SkM尸氣ZM尸氣Z/EwZw(2.35)M歐=EZ+GB/2(2.36)式中MRk——坑外側(cè)土壓力、水壓力以及墻后地面荷載所產(chǎn)生的側(cè)壓力對墻底前趾的傾覆力矩標(biāo)準(zhǔn)值；Msk——水泥土圍護墻自重以及坑內(nèi)墻前被動側(cè)壓力對墻底前趾的穩(wěn)定力矩標(biāo)準(zhǔn)值；Gk——水泥土圍護墻結(jié)構(gòu)的自重標(biāo)準(zhǔn)值;Za——主動土壓力作用點到樁底的距離;Zp——被動土壓力作用點到樁底的距離;水壓力作用點到樁底的距離。（3）抗隆起驗算目前我國基坑工程實踐中，同時考慮°、中的抗隆起分析模式有地基承載力模式的抗隆起穩(wěn)定分析。地基承載力模式的抗隆起分析方法是以驗算支護墻體底面的地基承載力作為抗隆起分析依據(jù)。根據(jù)Terzaghi（1943）建議的淺基礎(chǔ)地基極限承載力計算模式,是土體粘聚力、土重以及地面超載三項貢獻的疊加。但是在此處的基坑抗隆起穩(wěn)定分析中，基礎(chǔ)寬度是不能明確界定的，為簡化分析，地基承載力模式的抗隆起分析由下式來考慮：yDN+cNWZy1^。+D）+q （2.37）式中Kwz——圍護墻底地基承載力安全系數(shù);y1——坑外地表至圍護墻底，各土層