預(yù)加力對(duì)錨拉式抗滑樁影響分析

王子全 劉京安 萬(wàn)虹宇 王尉行 丁震

1.重慶賽迪工程咨詢有限公司 400013

2.重慶科技學(xué)院 401331

引言

市政、建筑等行業(yè)的環(huán)境邊坡及基坑工程大量采用抗滑樁支護(hù)?？够瑯斗譃閼冶凼胶湾^拉式，錨拉式抗滑樁根據(jù)錨拉力是否為預(yù)應(yīng)力（預(yù)加力）分為普通錨桿抗滑樁和預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁。當(dāng)抗滑樁懸臂長(zhǎng)度較大時(shí)，通過設(shè)置若干道普通錨桿，可以降低樁身最大彎矩，從而減小樁徑及配筋。當(dāng)對(duì)土層及被錨固結(jié)構(gòu)有位移控制要求時(shí)，如坡頂有重要建（構(gòu)）筑物或被保護(hù)建（構(gòu)）筑物時(shí)，通常采用施加預(yù)應(yīng)力的方式控制變形，即采用預(yù)應(yīng)力錨拉抗滑樁。

實(shí)際工程中，邊坡或基坑水平變形控制限值缺乏較明確的規(guī)定。部分工程控制過嚴(yán)甚至出現(xiàn)反向變形；部分工程則過于寬松，本應(yīng)采用錨拉式抗滑樁而采用了懸臂式抗滑樁。本文對(duì)抗滑樁變形控制限值的有關(guān)規(guī)定進(jìn)行梳理，對(duì)預(yù)加力與鎖定值的概念進(jìn)行比較，對(duì)預(yù)加力對(duì)錨拉樁的影響進(jìn)行分析，同時(shí)對(duì)錨拉樁設(shè)計(jì)的注意事項(xiàng)進(jìn)行討論，為錨拉式抗滑樁尤其是預(yù)應(yīng)力錨拉抗滑樁的設(shè)計(jì)提供建議。

1 變形限值的規(guī)定

當(dāng)坡頂有重要建（構(gòu)）筑物或被保護(hù)建（構(gòu)）筑物時(shí)，須對(duì)土層及被錨固結(jié)構(gòu)的位移進(jìn)行嚴(yán)格控制，但現(xiàn)行國(guó)標(biāo)規(guī)范還沒有較明確的規(guī)定［1-5］。

《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》（GB 50330—2013，以下簡(jiǎn)稱《邊坡規(guī)范》）13.2.9 條規(guī)定，樁基嵌固段頂端地面處的水平位移不宜大于10mm。地基系數(shù)k及水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)m是根據(jù)地面處樁的水平位移得來的。樁基變形與地基抗力成非線性關(guān)系，變形愈大，地基系數(shù)愈小。《邊坡規(guī)范》附錄G給出的地基系數(shù)經(jīng)驗(yàn)值，均要求嵌固段頂端地面處變形不超過10mm，且《邊坡規(guī)范》未對(duì)樁頂變形限值進(jìn)行規(guī)定?！督ㄖ痘夹g(shù)規(guī)范》（JGJ 94—2008）給出的水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)m的建議值也是要求變形不超過10mm。

《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》（JGJ 120—2012，以下簡(jiǎn)稱《基坑規(guī)范》）未對(duì)基坑變形限值作明確規(guī)定。部分地方標(biāo)準(zhǔn)對(duì)變形限值有規(guī)定，如北京地方標(biāo)準(zhǔn)《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》（DB 11／489）規(guī)定，當(dāng)無(wú)明確要求時(shí)，最大水平變形限值，一級(jí)基坑為0.002h，二級(jí)基坑為0.004h，三級(jí)基坑為0.006h（h 為基坑深度）。湖北省地方標(biāo)準(zhǔn)《基坑工程技術(shù)規(guī)程》（DB 42／159）規(guī)定，基坑監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的監(jiān)控報(bào)警值，如設(shè)計(jì)有要求時(shí)，以設(shè)計(jì)要求為依據(jù)，如設(shè)計(jì)無(wú)具體要求，一級(jí)基坑為30mm，二級(jí)基坑為60mm。深圳市標(biāo)準(zhǔn)《深圳地區(qū)建筑深基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)范》（SJG 05）規(guī)定，對(duì)錨拉式支護(hù)，一級(jí)基坑為0.003h 與40mm 的較小值，二級(jí)基坑為0.006h 與60mm 的較小值，三級(jí)基坑為0.01h與80mm的較小值。

《鐵路路基支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB 10025—2019）14.2.9 條第3 款規(guī)定，樁頂水平總位移限定值可采用懸臂段長(zhǎng)度的1／100 控制，且不宜大于100mm，高速鐵路路肩樁板墻不宜大于60mm。

《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50007—2011）第5.3.4 條對(duì)建筑物地基變形容許值進(jìn)行了規(guī)定，強(qiáng)調(diào)地基變形容許值應(yīng)根據(jù)上部結(jié)構(gòu)對(duì)地基變形的適應(yīng)能力和使用上的要求確定。

西南山地建筑，通常遵循“先治理，再建造”的原則。當(dāng)建筑位于邊坡塌滑區(qū)、土質(zhì)邊坡1 倍邊坡高度和巖質(zhì)邊坡0.5 倍邊坡高度時(shí)［1］，應(yīng)先進(jìn)行邊坡支護(hù)，再施工主體結(jié)構(gòu)，確保主體結(jié)構(gòu)有明確的嵌固部位。邊坡支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)，考慮主體結(jié)構(gòu)對(duì)邊坡支護(hù)的影響，嚴(yán)格控制邊坡變形。主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，可考慮在柱底施加一附加位移；主體結(jié)構(gòu)應(yīng)采用樁基，樁身位于破裂體范圍內(nèi)采取豎向隔離措施，確保豎向荷載直接傳到破裂體以下穩(wěn)定巖土體上。

綜上，關(guān)于邊坡及基坑變形的限值，現(xiàn)行的國(guó)家規(guī)范還沒有明確統(tǒng)一的規(guī)定。實(shí)際工程中，應(yīng)結(jié)合當(dāng)?shù)毓こ探?jīng)驗(yàn)，加強(qiáng)包絡(luò)設(shè)計(jì)。

2 預(yù)加力與鎖定值

預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁設(shè)計(jì)時(shí)，通常須注明預(yù)應(yīng)力張拉方式、張拉控制應(yīng)力、鎖定值?！哆吰乱?guī)范》8.5.6 條第5 款規(guī)定，對(duì)地層及被錨固結(jié)構(gòu)位移控制要求較高的工程，預(yù)應(yīng)力錨桿的鎖定值宜為錨桿軸向拉力特征值，對(duì)容許地層及被錨固結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定變形的工程，預(yù)應(yīng)力錨桿的鎖定值宜為錨桿設(shè)計(jì)預(yù)應(yīng)力值的0.75 倍～0.90 倍。以上關(guān)于鎖定值的概念描述不太清楚，錨桿軸向拉力特征值與設(shè)計(jì)預(yù)應(yīng)力值易產(chǎn)生混淆，概念不夠清晰。《基坑規(guī)范》4.7.7 條規(guī)定，錨桿鎖定值宜取錨桿軸向拉力標(biāo)準(zhǔn)值的（0.75 ～0.9）倍，且應(yīng)與4.1.8 條中的錨桿預(yù)加軸向拉力值一致。《基坑規(guī)范》4.1.8 條為擋土結(jié)構(gòu)計(jì)算寬度內(nèi)的彈性支點(diǎn)水平反力計(jì)算公式，即錨索軸向拉力的水平分力計(jì)算公式，如下：

式中：P 為錨桿的預(yù)加軸向拉力值，宜取P ＝（0.75 ～0.90）Nk；α為錨桿傾角；ba為擋土結(jié)構(gòu)計(jì)算寬度；s為錨桿水平間距。

預(yù)加力是預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁計(jì)算簡(jiǎn)圖中所施加的荷載，是計(jì)算分析過程中的概念，是計(jì)算簡(jiǎn)圖中荷載邊界條件之一；而鎖定值則是錨索設(shè)計(jì)說明或設(shè)計(jì)圖紙中須注明的設(shè)計(jì)參數(shù)。實(shí)際工程中，經(jīng)過迭代計(jì)算最終選定的水平預(yù)加力值即為水平鎖定值。

綜上，《基坑規(guī)范》關(guān)于預(yù)加力鎖定值取值的規(guī)定簡(jiǎn)單清晰，即錨索軸向拉力標(biāo)準(zhǔn)值的（0.75 ～0.9）倍。

3 預(yù)加力影響分析

實(shí)際工程中，錨索預(yù)加力鎖定值取值范圍跨度較大，有工程取值在軸向拉力標(biāo)準(zhǔn)值的0.3 倍以內(nèi)，也有部分工程在0.9 倍以上。文獻(xiàn)［6］結(jié)合北京市通州區(qū)某深基坑工程，建議錨索預(yù)加力取0.5 ～0.8 倍軸力標(biāo)準(zhǔn)值。本文以西南某巖質(zhì)基坑為例，研究預(yù)加力取值對(duì)錨拉抗滑樁的影響，在此基礎(chǔ)上給出設(shè)計(jì)建議。

該基坑深度h 為12.4m，抗滑樁樁徑1.8m，間距4m，嵌固深度ld為6m，嵌固段為中風(fēng)化巖體，水平基床系數(shù)120kN／m3，采用2 道錨索，第1 道距樁頂4m，水平線剛度為16.38MN／m，第2 道距樁頂7m，水平線剛度為22.20MN／m，側(cè)向水平巖土壓力按矩形分布考慮，q ＝178.96kN／m，樁底約束條件為約束豎向自由度，計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖1 所示。分別取水平預(yù)加力Ph＝200kN、400kN、600kN、700kN、800kN、900kN進(jìn)行比較分析。

圖1 錨拉式抗滑樁計(jì)算簡(jiǎn)圖Fig.1 Calculation of anti-slide piles with prestressed anchor cables

需要說明的是，文中給出的各級(jí)預(yù)加力作用下抗滑樁變形、內(nèi)力及土反力系開挖至坑底，即基坑開挖最后工況下的計(jì)算結(jié)果。另外，本文主要研究預(yù)加力對(duì)錨拉式抗滑樁性能的影響，實(shí)際工程中，通常是先假定錨索水平剛度，經(jīng)過多次迭代計(jì)算后，根據(jù)錨索實(shí)際設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算其水平剛度，再?gòu)男螺斎腧?yàn)算。

3.1 預(yù)加力對(duì)變形的影響

不同預(yù)加力作用下樁頂、坑底變形、水平錨固力、水平預(yù)加力與水平錨固力比值匯總后見表1，樁頂、坑底變形曲線如圖2 所示，預(yù)加力與錨固力的比值曲線如圖3 所示。

圖3 水平預(yù)加力與水平錨固力比值曲線Fig.3 Ratio curve of horizontal preload and horizontal anchoring force

表1 不同預(yù)加力樁變形及預(yù)加力與錨固力比值Tab.1 Different pile deformation according to the ratio of preload and anchorage force

從表1 及圖2 可以得出，隨著預(yù)加力的增大，樁頂及坑底位置樁水平變形逐漸減小，基本成線性變化。通過施加預(yù)加力，可以有效地控制邊坡或基坑變形。

圖2 不同預(yù)加力樁頂及坑底變形曲線Fig.2 Deformation curves of pile top and pit bottom with different preloads

從表1 及圖3 可以看出，隨著預(yù)加力的逐漸增大，錨索錨固力也隨之增大。預(yù)加力與錨索錨固力的比值，即預(yù)加力在錨索錨固力中的占比逐漸增大，從0.29 逐漸增加至0.92，增大的速率隨著預(yù)加力的增加逐漸減小，即當(dāng)預(yù)加力與錨固力比值超過0.9 時(shí)，錨索錨固力的增加值接近預(yù)加力的增加值，再增大預(yù)加力已不太經(jīng)濟(jì)合理。

3.2 預(yù)加力對(duì)樁身內(nèi)力的影響

不同預(yù)加力樁身彎矩分布如圖4a 所示。從圖中可以看出，隨著預(yù)加力的增大，樁身彎矩逐漸減小，其中樁嵌固段彎矩變化更明顯。當(dāng)預(yù)加力與錨固力比值小于0.7 時(shí)，樁身最大彎矩位于樁嵌固段；當(dāng)預(yù)加力與錨固力比值約為0.75 時(shí)，嵌固段最大彎矩與外露段最大彎矩接近；當(dāng)預(yù)加力與錨固力比值大于0.80 時(shí)，樁身最大彎矩位置由樁嵌固段轉(zhuǎn)移至錨拉點(diǎn)位置；隨著預(yù)加力的繼續(xù)增加，嵌固段最大彎矩小于錨拉點(diǎn)位置彎矩。當(dāng)預(yù)加力與錨固力比值在0.75 ～0.80 之間時(shí)，嵌固段與外露段最大彎矩接近，樁配筋最為經(jīng)濟(jì)。

圖4 樁身內(nèi)力分布Fig.4 Stress distribution of pile

不同預(yù)加力樁身剪力分布如圖4b 所示。從圖中可以看出，隨著預(yù)加力的增大，樁身剪力逐漸減小。當(dāng)預(yù)加力與錨固力比值小于0.7 時(shí)，樁身最大剪力位于樁嵌固段中部；當(dāng)預(yù)加力與錨固力比值約為0.75 時(shí)，嵌固段最大剪力與外露段最大剪力接近；當(dāng)預(yù)加力與錨固力比值大于0.80時(shí)，樁身最大剪力位置由樁嵌固段轉(zhuǎn)移至錨拉點(diǎn)位置。隨著預(yù)加力的繼續(xù)增加，嵌固段剪力小于外露段錨拉點(diǎn)位置剪力。

3.3 預(yù)加力對(duì)土反力的影響

不同預(yù)加力樁嵌固段土反力如圖5 所示。土反力較大值分別位于嵌固段頂部和底部約0.5m處。隨著預(yù)加力的增大，土反力逐漸減小。樁底約束條件對(duì)土反力的大小及分布影響較大，不少文獻(xiàn)對(duì)此有研究，本文不再做描述。實(shí)際工程中，土反力須滿足嵌固段巖土水平承載力的要求，同時(shí)須注意對(duì)地基豎向承載力進(jìn)行驗(yàn)算。

圖5 樁嵌固段土反力分布Fig.5 Distribution of soil reaction force in pile embedded section

綜上，錨索鎖定值取錨索軸拉力標(biāo)準(zhǔn)值的（0.75 ～0.90）倍是合理的，實(shí)際工程中可參考該范圍選取相對(duì)合理的比值，使樁嵌固端最大彎矩與外露段最大彎矩接近，樁身配筋更為經(jīng)濟(jì)。不同的地質(zhì)條件，錨桿（索）軸拉承載力差異較大，應(yīng)結(jié)合項(xiàng)目所在地工程地質(zhì)條件、巖土參數(shù)及工程經(jīng)驗(yàn)綜合確定鎖定值。

實(shí)際工程中，準(zhǔn)確把握側(cè)向巖土壓力的大小及分布至關(guān)重要，文獻(xiàn)［7 -9］對(duì)作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上側(cè)向土壓力計(jì)算方法及分布進(jìn)行了研究。當(dāng)邊坡高度較大或基坑深度較深時(shí)，除根據(jù)相關(guān)規(guī)范計(jì)算外，建議通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定側(cè)向巖土壓力大小及分布。除預(yù)加力外，錨拉式抗滑樁的設(shè)計(jì)還需把握樁底約束條件、嵌固深度、錨桿（索）線剛度、嵌固段巖土體剛度等因素的影響。

4 錨拉式抗滑樁設(shè)計(jì)流程

錨拉式抗滑樁設(shè)計(jì)流程主要如下：

（1）根據(jù)項(xiàng)目所在地工程經(jīng)驗(yàn)，選取錨固體直徑，通常為150mm。

（2）根據(jù)容許錨固長(zhǎng)度，結(jié)合當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)，綜合考慮錨固體抗拔承載力、錨桿（索）桿體抗拔承載力、錨桿（索）桿體抗拉承載力，初步選定錨桿（索）桿體截面，計(jì)算錨桿（索）軸拉承載力（估算值）及線剛度。

（3）輸入預(yù)加力值，計(jì)算樁變形、內(nèi)力和錨索錨固力。

（4）調(diào)整預(yù)加力值，重新計(jì)算，直至變形滿足要求且樁嵌固端最大彎矩與外露段最大彎矩接近。

（5）錨固頭設(shè)計(jì)。錨固頭設(shè)計(jì)時(shí)，容易忽略錨墊板的設(shè)計(jì)——錨墊板平面尺寸、開孔大小、厚度。錨墊板平面尺寸根據(jù)局部受壓計(jì)算確定；開孔大小須結(jié)合錨桿（索）桿體、錨固體孔徑、錨具尺寸綜合確定，錨墊板厚度可按下式計(jì)算確定［10］：

式中：t為錨墊板厚度；M為錨墊板彎矩設(shè)計(jì)值；f為錨墊板抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。

錨拉抗滑樁在市政、建筑等行業(yè)廣泛應(yīng)用，但也對(duì)城市的自然生態(tài)形象有影響。當(dāng)前，往往是先進(jìn)行支護(hù)工程建設(shè)，后期再進(jìn)行生態(tài)修復(fù)，對(duì)生產(chǎn)生活造成一定不利影響，兩次作業(yè)經(jīng)濟(jì)性也較差。在進(jìn)行支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，宜綜合考慮景觀及生態(tài)修復(fù)問題，將支護(hù)結(jié)構(gòu)和生態(tài)修復(fù)有機(jī)結(jié)合。

5 結(jié)論及建議

本文對(duì)抗滑樁變形控制限值的有關(guān)規(guī)定進(jìn)行梳理，對(duì)預(yù)加力與鎖定值的概念進(jìn)行比較，對(duì)預(yù)加力取值對(duì)錨拉樁的影響進(jìn)行了研究，并總結(jié)了錨拉式抗滑樁設(shè)計(jì)流程，得出以下結(jié)論：

1.現(xiàn)行國(guó)標(biāo)對(duì)變形限值沒有統(tǒng)一規(guī)定，部分地區(qū)的地標(biāo)有規(guī)定。對(duì)未做相關(guān)規(guī)定的地區(qū)，建議參考《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50007—2011）第5.3.4 條進(jìn)行控制，結(jié)合當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)，加強(qiáng)包絡(luò)設(shè)計(jì)。

2.預(yù)應(yīng)力錨索設(shè)計(jì)及選定是通過迭代計(jì)算確定的，迭代計(jì)算最終選定的預(yù)加力值即為鎖定值。另外，鎖定值還應(yīng)結(jié)合項(xiàng)目所在地工程經(jīng)驗(yàn)選取。

3.預(yù)加力可以有效減小變形，隨著預(yù)加力的增加，樁身彎矩和剪力減小，嵌固段土反力逐漸減小。當(dāng)預(yù)加力等于（0.75 ～0.80）錨拉力時(shí)，樁嵌固段最大彎矩、剪力與外露段最大彎矩、剪力接近，此時(shí)樁身配筋最經(jīng)濟(jì)。