深基坑支护中土层锚杆设计与施工

80年代以来，随着我国经济的迅速发展，城市空间利用率的提高，许多高层及超高层建筑不断出现，与此同时，建筑物基础埋深也不断增加，有些地下室埋深已超过20米。深基坑的支护与施工技术已日趋成为我们面临的新课题。为了保证基坑内正常施工安全，必须确保坑壁稳定；同时为防止基底及坑外土体移动，确保基坑附近建筑物、地下管线、道路等的安全，还必须保证坑壁满足变形控制要求。许多深基坑的支护形式及方法已为工程实践证明是行之有效的。附表是省基础公司近年来施工的部分高层建筑物基坑支护情况。
目前，深基坑支护工程多采用排桩或地下连续墙加支撑的支挡型结构。而锚杆支护由于具有施工速度快、施工难度较小、造价较低以及具有开阔的基坑作业空间而有利于土方开控及地下室施工等特点，已成为深基坑支护中普遍采用的支护技术。
自从1958年德国Bauer公司在深基础施工中利用钻孔注浆技术施工土层锚杆获得成功以来，锚杆技术已引起各国工程技术界的广泛重视，大量应用于基坑护壁、地下厂房、隧洞、船坞、水坝加固和边坡加固等工程，使这项技术得到了迅速发展，许多国家已先后制定了有关锚杆规范。我国于80年代初在北京、天津、上海等地开始进行地铁、深基坑支护和其他市政工程的土层锚杆研究和应用。
1988年，广东省基础工程公司施工的广州华侨大厦工程，采用锚杆支护技术，这是该项技术在广州地区建筑基坑支护工程中的首次采用。近年来在珠江三角洲地区由于大量高层建筑物深基坑的出现，锚杆技术已获得广泛的应用，也积累了大量的设计与施工方面的经验。但是亦有一些问题被忽视，本文对此作简要的探讨。
一、自由段长度与负摩阻问题土层锚杆是一种埋入土层深处的受拉构件，它一端与工程构筑物相连、另一端锚固在土层中，整根锚杆长度分为自由段和锚固段。自由段是指将锚头处的拉力传至锚固体的区段，其功能是对锚杆施加预应力；锚固段是指水泥浆体将预应力筋与土层粘结的区段，其功能是通过锚固体与土层的粘结摩阻作用或锚固体的承压作用，将自由段的拉力传至土层深部。一般来说，锚杆自由段Lf是根据基坑土体滑裂面计算出来的即 Lf=(H+a-d)
（1）而锚固段长度则一般根据设计轴力Nt来估算: K•Nt=πDLa•qs 式中 qs—锚固段与土体的粘结强度，与钻孔方法、土壤性质、内摩擦角φ、抗剪强度、固结强度、锚杆上覆土厚度、灌浆压力等有关。一般由试验确定，也可按规范取值。考虑到基坑壁的总体稳定及深部滑裂面稳定，自由段实际长度应稍大于计算值，《土层锚杆设计与施工规范 ESEC 22:90》要求自由段不宜小于5米，且须超过滑裂面1.0米，《建筑基坑支护技术规程（征求意见稿）》建议自由段应超过滑裂面1.5米。目前一些工程中存在自由段设计过短的情况，使得一部分锚固段处于滑裂面内主动区，如图2示。在基坑开挖过程中，当坑壁在主动土压力作用下出现变形时，主动区内的锚固段将产生向基坑内方向的摩阻力，即负摩阻力，削弱了锚固效果，从而使预应力受到损失，引起松驰。
二、锚杆设计角度问题：在设计锚杆角度时，到底取多大合适呢？笔者认为可从下面几个方面来考虑。
1. 深基坑锚杆支护中，锚固力产生于滑裂面外深部稳定地层。为了降低工程造价，锚杆长度一般在满足受力要求的情况下尽量缩短长度，所以，锚杆往往设计成与水平面成一定的角度，角度越大，越早进入稳定地层。
2. 从结构受力分析，锚杆轴力Nt可分解为：水平分力：Nt水平 = Ntcosθ (3-a) 垂直分力：Nt垂直 = Ntsinθ (3-b) 只有水平分力对支护结构是有益的。从上式可以看出，θ越小，水平分力越大，对支护越有利；反之θ越大，水平分力越小，相应的垂直分力会越大。当锚杆角度θ设计过大时，为了得到所需的水平分力，只有通过增加锚固段长度来实现，这样造成了工程造价的提高；同时垂直分力过大，一方面会加大对支护桩（墙）的压力，在软弱地层中，会使它产生下沉等不良影响；另一方面还会产生一个下滑力，使锚杆台座或支承腰梁产生向下滑移，引起预应力松弛，并可能造成坑壁变形也随之增大。特别是在连续墙锚杆支护工程中，一般是在连续墙内预埋一块钢板，以支承锚杆台座。笔者在广州粤财大厦锚杆施工时发现，按30°角施工的锚杆，在张拉及施加预应力时，有少数台座出现向下滑动；按45°角施工的锚杆，台座根本立不住。施工时，为保证工程质量，所有台座全部经过与预埋钢板焊接后才张拉。但仍发现部分45°角施工的锚杆因承受过大的垂直分力，预埋钢板上端与连续墙砼面拉裂的情况。