桩锚—土钉墙组合结构的基坑支护监测分析

蔡传海，周龙翔，白二彪

（广州大学土木工程学院，广州 510006）

桩锚—土钉墙组合支护是将排桩、土钉、锚杆作为一个整体结构共同抵抗荷载和变形，在实际工程中得到了非常广泛的应用，并得到了设计与施工单位的信赖。

目前这种支护方式还没有形成一套完整的支护系统理论，因此有必要继续对这种支护方法进行深入研究，郭院成等［1－9］对这种支护方式进行较多的研究，但研究的只是竖向联合支护，即上部进行土钉支护，下部进行桩锚支护；吴忠诚［10－11］、刘斌［12］、申利梅［13］、杨敏［14］主要是从土拱效应的角度对水平组合方式进行研究，如下图1所示的支护方式，这些学者建立了一些计算模型，分析它的土压力、变形及水平支护方式的传递机理等，并没有从实测数据的角度进行分析。

本文将结合具体的桩锚—土钉墙组合支护工程实例，分析现场测得的变形数据，分别对桩体、土体的水平位移进行研究，具体地来分析基坑的变形情况，得出相关结论。

1 工程概况

广州铁路（集团）公司共和西路广铁一号住宅地上30层，地下3层。基坑的设计开挖深度为12.3m，平面尺寸为59.9m×35.6m。该基坑采用桩锚—土钉墙组合支护，见下图1所示的基坑平面布置图。

图1 基坑平面布置图

图2～3所示的是桩锚结构、土钉墙结构的剖面图，从自然地面下3.5m、1.7m处分别开始向下设置1排锚杆、10排土钉，其中锚杆成孔孔径为150mm，土钉成孔孔径为110mm，采用直径为28mm的钢筋，水泥砂浆注浆；基坑顶面北、西、南三侧用钢筋网喷射C10素混凝土面层，面层厚度为100mm，其他尺寸见图2～3所示。

图2 桩剖面图

该工程的各土层的参数如表1所示。

表1 基坑的土层参数

2 监测数据分析

该工程在基坑周围埋设了3个测斜管来对基坑的桩体、土体变形进行监测，其中1号孔埋设于13＃人工挖孔桩内，2号孔埋设于5＃人工挖孔桩内，3号孔埋设于3＃人工挖孔桩与4＃人工挖孔桩之间的土体中，人工挖孔桩桩径为1.5m，挖桩净深为17.3m。利用测斜管监测到的数据画出水平位移—深度曲线，分别对桩体的位移和土钉墙的位移进行对比分析，其1号孔、2号孔、3号孔的水平位移—深度曲线如图4～6所示。

图4 13＃桩体水平位移—深度曲线

图5 5＃桩体水平位移—深度曲线

图6 土体水平位移—深度曲线

从图4～6基坑的水平位移—深度曲线可得，在基坑开挖到最终状态时，最大位移位置在基坑的中部或下部，在基坑开挖的过程中，基坑顶部的位移不断地向基坑的内侧增加，下部位移增量小。

（1）以1号孔为例，在开挖过程中，第一排土钉施工完成后，最大位移值为1.15mm，从第一排土钉施工完到下层土方开挖期间，位移增量不大，最大位移值为1.89mm，继续开挖进行下排土钉的施工，位移增量亦不是很大，最大位移值为12.84mm，1999年8月8日已经开挖到坑底了，但到1999年12月12日期间位移仍有所增长，这是因为基坑开挖完成后，土体会受蠕变特点的影响。

（2）2号孔与3号孔位置较近，因此具有可比性，虽然两者的位置很近，但是变形曲线不尽相同，从图5～6可以看出2号孔处桩体的最大位移值为12.04mm，3号孔处土体的最大位移值为22.43mm，土体的最大位移值大于桩体的最大位移值，导致差别的原因是：一是桩体的刚度比较大，测斜管埋设于桩体内，可以很好地与桩体协调，而土体内的侧斜管受到坑后土压力可能会发生挤压及扭转作用，会使监测的实际值偏大；二是在桩支护结构间会产生土拱效应，土拱将土钉墙后的部分土压力转移到两侧桩上，使得土体的变形增大。

（3）1号孔在基坑的西侧中部，2号孔在基坑的北侧，两孔的变形曲线也不完全相同，北侧2号孔的最大位移值为12.04mm，西侧1号孔的最大位移值为12.84mm，导致差别的原因：一是基坑的西侧邻近道路，交通量大，在反复的车辆振动荷载下，基坑的侧向变形相对北侧大；二是在基坑的西侧的施工机械、弃土堆等其他静荷载的作用增加了坑后土压力，致使水平位移量增大。

如下图7所示，可看出桩顶后土与桩间土的位移不同步，桩间土的位移随着时间的推移逐渐增大，桩间土位移明显大于桩位移，则桩上将承担大于土钉墙所承担的土压力，桩锚结构成为主导支护，土钉墙辅助支护，在桩间会通过一种传力机制将土钉墙后的部分土压力转移到桩上，这说明在桩间会产生土拱。从8月8日测的数据反映，桩间土的位移量小于桩体的位移量，这可能是由于在基坑开挖的过程中产生的土拱是不稳定的，不是一直存在的，而是不断的形成—破坏—再形成，在这里可能是因为土拱刚好破坏了还没有形成新的土拱。

图7 桩间土、桩后土水平位移—时间曲线图

在开挖到最终状态直至稳定时，依然可以形成稳定的土拱，假如桩间距大于最大桩间距，将无法形成土拱，那么土钉墙将承担主要的土压力，则桩锚支护的范围变小，只承担它后面的土压力，这样与单一的土钉墙支护差别不大，就会造成不必要的浪费。因此当采用该支护方式时，所采用的桩间距不能大于最大桩间距。

3 结语

（1）随着基坑开挖深度的增加，基坑的最大位移点在基坑的中部或下部，基坑顶部的位移不断地向基坑的内侧增加，基坑下部位移增量小。

（2）开挖到坑底后，基坑受土体蠕变的影响，变形仍继续增长；邻近道路侧在反复车辆振动荷载下的桩体变形量比远离道路侧的大。

（3）埋设在桩中的测斜管能够与桩相协调，而土体内的测斜管受土体的挤压、扭转等作用，土拱又将部分土压力转移到桩上，使实际监测的土体变形量偏大，则桩体的变形量小于土体的变形量。

（4）实际中采用的桩间距不能大于最大桩间距，否则无法形成土拱，与土钉墙支护差别不大，也达不到预定的支护效果。

［1］郭院成，周同和，宋建学.桩锚与复合土钉联合支护结构的工程设计［J］.建筑施工，2001，23（6）：375－77.

［2］郭院成，王立明，郑秀丽.土钉与桩锚联合支护结构的计算模式［J］.河南科学，2003，21（3）：315－19.

［3］郭院成，周同和，宋建学.桩锚与土钉联合支护结构的工程实例［J］.郑州大学学报：工学版，2003，24（2）：26－28.

［4］郭院成，杨庆，黄广华，等.桩锚与土钉联合支护结构的优化选型［J］.河南科学，2004，22（3）：35－38.

［5］郭院成，童怀峰，秦会来，等.受限的桩锚与土钉联合支护结构的计算模式［J］.郑州大学学报：工学版，2004，25（2）：28－31.

［6］郭院成，秦会来，王立明.桩锚与土钉联合支护结构中的土压力分配模式［J］.郑州大学学报：工学版，2004，25（3）：52－55.

［7］郭院成，刘建伟，李峰.桩锚与土钉联合支护结构的概念优化设计［J］.河南科学，2006，24（2）：233－236.

［8］郭院成，刘建伟，李峰，等.桩锚与土钉联合支护结构的土压力分配机制［J］.河南科学，2006，24（4）：564－566.

［9］郭院成，宋卫康，李峰.桩锚复合土钉支护结构的位移场分析［J］.人民黄河，2009，31（9）：77－79.

［10］吴忠诚，杨志银，罗小满，等.疏排桩锚—土钉组合支护支护稳定性分析［J］.岩石力学与工程学报，2006，25（增2）：3607－3613.

［11］吴忠诚，朱志荣，吕晶，等.疏排桩—土钉支护技术土压力特性研究与计算［J］.广州建筑，2009，37（5）：18－23.

［12］刘斌，杨敏，杨志银，等.疏排桩—土钉墙组合基坑支护结构设计与实践［J］.土木工程学报，2010，43（10）：106－114.

［13］申利梅，王坤，曾力.桩锚与土钉联合支护结构传力机制的对比分析［J］.河南科学，2005，23（3）：386－390.

［14］杨敏，刘斌.疏排桩—土钉墙组合支护结构工作原理［J］.建筑结构学报，2011，32（2）：126－133.