王建安 徐傳召 雷方超 戚長(zhǎng)軍 樊 凱

（1.機(jī)械工業(yè)勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西西安 710043；2.陜西省特殊巖土與處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安 710043）

0 引言

錨拉式支擋結(jié)構(gòu)通過(guò)深入穩(wěn)定巖土體的錨桿（索）提供支點(diǎn)反力,以平衡設(shè)置在被防治對(duì)象側(cè)壁并嵌入底面的擋土構(gòu)件上傳遞來(lái)的巖土壓力，從而實(shí)現(xiàn)被防治對(duì)象的安全穩(wěn)定，在基坑支護(hù)、邊坡防治等巖土工程防治領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛。錨桿（索）與擋土構(gòu)件連接的可靠性關(guān)乎支擋結(jié)構(gòu)的有效性以及被防治對(duì)象的安全性。

樁錨式支擋結(jié)構(gòu)是錨拉式支擋結(jié)構(gòu)的一種，由護(hù)坡樁、腰梁（又稱橫梁）及錨桿三部分組成[1]，由于其良好的支護(hù)效果而得到廣泛應(yīng)用，該支擋結(jié)構(gòu)效果的好壞是腰梁、錨索、樁體及其后土體共同協(xié)調(diào)作用的結(jié)果；腰梁的剛度、支護(hù)樁的剛體位移、錨索的材料性能、加固區(qū)土體的蠕變特性都會(huì)對(duì)錨索預(yù)應(yīng)力的損失產(chǎn)生影響。

目前，有眾多學(xué)者對(duì)樁錨式支擋結(jié)構(gòu)進(jìn)行了大量研究，通過(guò)理論分析、現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)試驗(yàn)和數(shù)值模擬對(duì)樁錨的連接做了更深入分析，總結(jié)出一些有實(shí)用價(jià)值的結(jié)論以及一些創(chuàng)新性的工藝技術(shù)。徐 勇等[2]在腰梁與支護(hù)樁之間以細(xì)石混凝土填充，采用20 mm 的厚鋼板作為墊板并且焊接在腰梁上，加強(qiáng)了支護(hù)的整體穩(wěn)定性。王稹筠等[3]、劉 泉等[4]利用混凝土支撐腰梁和結(jié)構(gòu)墻體二合一的施工技術(shù)，解決臨時(shí)腰梁與側(cè)墻沖突問(wèn)題，不但加快了施工進(jìn)度，還節(jié)省了工程費(fèi)用。習(xí)鐵宏[5]通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)樁錨支護(hù)技術(shù)進(jìn)行改良，將腰梁及錨頭全部嵌入樁內(nèi)皮連線以外的樁間土位置，并采用特殊方法解決了腰梁與樁體間的有效傳力技術(shù)；在不增加造價(jià)的情況下成功地解決了腰梁占用肥槽空間的技術(shù)難題。王憲章等[6]提出了無(wú)腰梁預(yù)應(yīng)力錨索護(hù)壁樁的施工工法，該技術(shù)使建筑基坑支護(hù)施工更加簡(jiǎn)便，節(jié)省空間與施工成本。韓鳳霞等[7]闡述一種新型的在基坑及邊坡支護(hù)工程中的傳力裝置?雙向支座法，在基坑支護(hù)工程中具有較高的推廣和實(shí)用價(jià)值。孫建樂(lè)等[8]利用高性能復(fù)合灌漿料植筋錨固技術(shù)重做腰梁，由于植筋工藝對(duì)原結(jié)構(gòu)破壞較低，錨固效果好且性價(jià)比高，在腰梁的修復(fù)中有較好的應(yīng)用前景。蔡冠軍[9]發(fā)明了一種采用兩個(gè)錨具反向放置鎖定的方式將錨桿的鋼絞線連接起來(lái)的新型方法，可有效限制基坑位移的增加。王傳鵬[10]對(duì)腰梁在樁錨支護(hù)中的應(yīng)用及對(duì)錨索預(yù)應(yīng)力的損失影響做了初步分析，結(jié)果表明腰梁穩(wěn)定性在樁錨支護(hù)中起到非常關(guān)鍵的作用，在以后的實(shí)際工程中應(yīng)重視腰梁的設(shè)計(jì)、施工及穩(wěn)定性驗(yàn)算。

本文在分析現(xiàn)有樁錨式支擋結(jié)構(gòu)連接問(wèn)題的基礎(chǔ)上，提出了一種新型的樁錨連接裝置，介紹了該連接裝置的受力性能和設(shè)計(jì)施工方法。

1 傳統(tǒng)樁錨支擋結(jié)構(gòu)連接方式存在的問(wèn)題

目前用于深基坑支護(hù)的支護(hù)樁與錨索的連接，一般是采用以腰梁作為預(yù)應(yīng)力錨具的支托，錨索張拉預(yù)緊后，錨具將錨索的錨固拉力經(jīng)腰梁傳給支護(hù)樁[11]。圖1 為傳統(tǒng)的錨拉式支擋結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)施工圖。錨桿（索）與擋土構(gòu)件的傳統(tǒng)連接方法為鋼腰梁、鋼筋混凝土腰梁連接，近年來(lái)新出現(xiàn)了無(wú)腰梁連接工法。

圖1 傳統(tǒng)的錨拉式支擋結(jié)構(gòu)

（1）型鋼組合腰梁，該連接裝置往往因?yàn)閾跬两Y(jié)構(gòu)施工偏差，擋土結(jié)構(gòu)臨空面不在同一平面，腰梁不與擋土構(gòu)件有效接觸，擋土構(gòu)件無(wú)法將力有效傳遞至最近錨桿（索），從而導(dǎo)致腰梁局部受力過(guò)大而發(fā)生扭轉(zhuǎn)、翻背等局部失穩(wěn)現(xiàn)象，進(jìn)而可能危及被防治對(duì)象的安全。腰梁受力不均發(fā)生破壞現(xiàn)場(chǎng)施工圖見(jiàn)圖2。

圖2 腰梁受力不均情況

（2）鋼筋混凝土腰梁剛度大，與擋土構(gòu)件可以緊密連接，但存在模板加工困難、施工周期長(zhǎng)、混凝土硬化慢、自重大等缺點(diǎn)[12]。

（3）錨桿（索）常通過(guò)錨具對(duì)腰梁施加預(yù)應(yīng)力，再通過(guò)腰梁傳遞到擋土構(gòu)件上以減少土體變形，確保坡頂被保護(hù)建（構(gòu)）筑物安全，但經(jīng)常因?yàn)閭髁Σ恢苯?，造成預(yù)應(yīng)力損失大，影響預(yù)應(yīng)力施加效果。

（4）傳統(tǒng)腰梁回收困難，耗鋼量大，腰梁的制作安放困難，勞動(dòng)強(qiáng)度大，與保護(hù)環(huán)境及節(jié)約資源要求不符（見(jiàn)圖3）。

圖3 傳統(tǒng)腰梁施工圖

（5）新出現(xiàn)的無(wú)腰梁工法具有傳力直接、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，但缺乏整體性，樁兩側(cè)鎖定力不平衡。

傳統(tǒng)的錨拉式支擋結(jié)構(gòu)由于設(shè)計(jì)直觀，施工簡(jiǎn)便，已在基坑支護(hù)工程中應(yīng)用了數(shù)十年，但是經(jīng)過(guò)對(duì)多個(gè)工程實(shí)踐的總結(jié)，傳統(tǒng)的錨拉式支擋結(jié)構(gòu)存在著較大的弊端。其腰梁與支護(hù)樁的施工間隙在支護(hù)工程中普遍存在，在實(shí)際的施工過(guò)程中，很難保證將支護(hù)樁的側(cè)立面保持在一個(gè)平面，從而導(dǎo)致腰梁不能與支護(hù)樁緊密連接，存在一定的縫隙，致使錨索的預(yù)應(yīng)力不能有效地傳遞給支護(hù)樁，而且導(dǎo)致腰梁的受力不均，很有可能影響支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全性。圖4 為施工現(xiàn)場(chǎng)支護(hù)樁與腰梁間隙過(guò)大，導(dǎo)致錨索預(yù)應(yīng)力傳遞不均，致使腰梁發(fā)生破壞，基坑坍塌。

圖4 傳統(tǒng)腰梁的破壞[13]

在實(shí)際的施工過(guò)程中，造成腰梁與支護(hù)樁的施工縫隙質(zhì)量問(wèn)題的主要因素有[7]：①放線定位偏差；②鉆孔孔位偏差；③鉆孔傾斜度偏差；④塌孔引起的成樁偏差。如果在現(xiàn)場(chǎng)的施工過(guò)程中嚴(yán)格把控施工質(zhì)量，使得每個(gè)施工步驟中的施工誤差都能滿足規(guī)范要求，但是依然會(huì)在腰梁與支護(hù)樁之間形成0~50 cm不等的縫隙。當(dāng)錨索施加預(yù)應(yīng)力時(shí)，若支護(hù)樁的側(cè)立面保持在一個(gè)平面內(nèi)，腰梁會(huì)與每一個(gè)支護(hù)樁之間形成支點(diǎn)，確保腰梁具有連接排樁的整體作用；如支護(hù)樁的側(cè)立面沒(méi)有保持在一個(gè)平面內(nèi)，腰梁與每一個(gè)支護(hù)樁的連接中會(huì)有多個(gè)支點(diǎn)存在縫隙，導(dǎo)致腰梁的支點(diǎn)跨度增大，彎矩將大幅度增加，超過(guò)腰梁的屈服強(qiáng)度，最終使得腰梁發(fā)生變形甚至破壞，使其失去連接排樁的整體作用，嚴(yán)重影響錨拉式支擋結(jié)構(gòu)的安全性。

2 裝配式樁錨連接新裝置的研制

針對(duì)存在的上述問(wèn)題，需要對(duì)傳統(tǒng)的錨拉式支擋結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，研究了一種新型的樁錨連接裝置，保證復(fù)雜環(huán)境條件下的邊坡工程安全，節(jié)約工程材料用量，降低支護(hù)工程造價(jià)，加快施工進(jìn)度，減少建筑垃圾排放，創(chuàng)造更大社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。裝配式支擋結(jié)構(gòu)連接裝置，解決了現(xiàn)有技術(shù)中存在的鋼腰梁容易因局部受力過(guò)大而發(fā)生扭轉(zhuǎn)、翻背的局部失穩(wěn)現(xiàn)象以及鋼筋混凝土腰梁模板加工困難、施工周期長(zhǎng)的問(wèn)題。

2.1 新裝置的結(jié)構(gòu)

采用新型裝配式樁錨連接裝置的支擋結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖5），擋土構(gòu)件連接件置于擋土結(jié)構(gòu)支護(hù)樁上，通過(guò)鋼楔與型鋼組合腰梁緊密連接；錨索被錨具鎖定后通過(guò)鋼角度墊塊與型鋼組合腰梁緊密連接。

圖5 新型裝配式樁錨連接裝置支擋結(jié)構(gòu)布置圖

擋土構(gòu)件連接件包括弧形鋼板，弧形鋼板的下表面連接有兩個(gè)平行設(shè)置的肢腿，弧形鋼板的弧度與支護(hù)樁相適應(yīng)，兩個(gè)肢腿伸入型鋼組合腰梁的間隙內(nèi)（見(jiàn)圖6）。

圖6 擋土構(gòu)件連接件的結(jié)構(gòu)示意圖

兩個(gè)肢腿和型鋼組合腰梁之間形成矩形空隙且矩形空隙內(nèi)還嵌設(shè)有楔形鋼板，楔型鋼板上設(shè)置有預(yù)留孔，每個(gè)擋土構(gòu)件連接件內(nèi)嵌設(shè)的多個(gè)楔形鋼板通過(guò)鋼絲穿過(guò)預(yù)留孔依次連接為一個(gè)整體（見(jiàn)圖7）。

圖7 楔型鋼板示意圖

2.2 新裝置受力分析

某深基坑工程基坑深17.2 m，采用樁錨支護(hù)，支護(hù)樁直徑0.8 m，樁間距1.5 m，錨索于樁間設(shè)置，第二道錨索的承載力設(shè)計(jì)值為400 kN，腰梁采用本新型裝配式樁錨連接裝置。

根據(jù)《建筑基坑設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》（JGJ20?2012），腰梁可以按簡(jiǎn)支梁或連續(xù)梁進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。本文采用連續(xù)梁進(jìn)行計(jì)算，將支護(hù)樁、腰梁和錨索之間的力的作用相對(duì)應(yīng)地簡(jiǎn)化為一個(gè)集中力F（錨索承載力設(shè)計(jì)值）、支座反力z和腰梁L（腰梁長(zhǎng)度取5 跨計(jì)7.5 m）的超靜定結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖8）。

圖8 超靜定梁的計(jì)算簡(jiǎn)圖（單位：kN·m）

腰梁設(shè)計(jì)以并不超出屈服強(qiáng)度，確保梁能夠正常處于工作狀態(tài)為準(zhǔn)（見(jiàn)圖8）。計(jì)算梁的彎矩及剪力見(jiàn)圖9、圖10。

圖9 梁的彎矩圖（單位：kN·m）

圖10 梁的剪力圖（單位：kN）

上述連續(xù)梁的最大彎矩：

Mmax=102.63 kN·m,

最大剪力：Qmax=263.16 kN。

Q235 材質(zhì)的抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)值f＝205 N/mm2，抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fv＝120 N/mm2。由于采用雙道工字鋼，故腰梁的彎矩、剪力均減半，即：

M=51.32 kN·mQ=131.58 kN

腰梁所需的截面模量：

Wx=M/f=250341 mm3

腰梁所需的截面面積：

A=Q/fv=1097 mm2

經(jīng)查表得，選取兩根[20b]槽鋼為腰梁。

在同等的條件下，采用傳統(tǒng)腰梁，由于腰梁與支護(hù)樁之間會(huì)存在一定的間隙，導(dǎo)致部分支護(hù)樁不能有效地與腰梁接觸，故取上述連續(xù)梁中支點(diǎn)3 不存在（見(jiàn)圖11）；重新計(jì)算梁的彎矩和剪力見(jiàn)圖12、圖13。

圖11 支點(diǎn)3 失效的計(jì)算簡(jiǎn)圖（單位：kN·m）

圖12 梁的彎矩圖（單位：kN·m）

圖13 梁的剪力圖（單位：kN）

上述連續(xù)梁的最大彎矩：

Mmax=201.02 kN·m

最大剪力：

Qmax=405.53 kN

腰梁所需的截面模量：

Wx=M/f=536834 mm3

腰梁所需的截面面積：

A=Q/fv=3379 mm2

經(jīng)查表，需選取兩根[28b]槽鋼為腰梁。

經(jīng)上述計(jì)算分析，傳統(tǒng)錨拉式支擋結(jié)構(gòu)由于部分錨索預(yù)應(yīng)力不能有效地傳遞給支護(hù)樁，導(dǎo)致腰梁的彎矩大幅度增加，需設(shè)置較大腰梁，造成支護(hù)成本增加；如在施工過(guò)程中存在多根支護(hù)樁與腰梁無(wú)法有效傳力情況下，則會(huì)導(dǎo)致支擋結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，嚴(yán)重影響支護(hù)體系的安全性。而采用本新型裝配式樁錨連接裝置，既可以使錨索的預(yù)應(yīng)力得到有效傳遞，確保腰梁與支護(hù)樁連接的整體性，也可以優(yōu)化腰梁的設(shè)計(jì)參數(shù)，節(jié)約鋼材用量，提高支護(hù)體系整體的可靠性。

2.3 新裝置的施工方法

裝配式支擋結(jié)構(gòu)連接裝置，包括在巖土體內(nèi)豎直設(shè)置的多根支護(hù)樁，多根支護(hù)樁背離巖土體的一側(cè)沿支護(hù)樁的長(zhǎng)度方向至少設(shè)置有一道呈水平放置型鋼組合腰梁，型鋼組合腰梁的間隙內(nèi)均勻穿設(shè)有多個(gè)擋土構(gòu)件連接件，擋土構(gòu)件連接件與支護(hù)樁一一對(duì)應(yīng)設(shè)置，擋土構(gòu)件連接件另一端卡接在與其對(duì)應(yīng)的支護(hù)樁上，相鄰兩個(gè)支護(hù)樁之間設(shè)置有錨索，錨索內(nèi)固定有多根鋼絞線，多根鋼絞線的另一端穿過(guò)型鋼組合腰梁的間隙連接有錨具。

如圖14所示為一種裝配式支擋結(jié)構(gòu)連接裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。圖15、圖16 為其剖面圖。

圖14 一種裝配式支擋結(jié)構(gòu)連接裝置的結(jié)構(gòu)示意圖

圖15 A–A 剖面圖

圖16 B–B 剖面圖

裝配式支擋結(jié)構(gòu)連接裝置施工步驟如下：

（1）支護(hù)樁及錨索施工完成并達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求后，將型鋼組合腰梁水平放置于設(shè)計(jì)位置，將擋土構(gòu)件連接件的兩肢腿插入型鋼組合腰梁中兩根型鋼之間的間隙，將鋼角度墊塊通過(guò)彎鉤掛于型鋼組合腰梁上；

（2）調(diào)整擋土構(gòu)件連接件及鋼角度墊塊位置，使其分別與支護(hù)樁和錨索對(duì)齊；

（3）將楔型鋼板置入并塞滿由擋土構(gòu)件連接件的兩個(gè)肢腿和型鋼組合腰梁之間的矩形空隙中，用鋼絲通過(guò)預(yù)留孔將楔型鋼板連接為一個(gè)整體；

（4）用錨具通過(guò)鋼角度墊塊將鋼絞線固定后，通過(guò)千斤頂對(duì)錨索施加預(yù)應(yīng)力，并鎖定錨頭，完成對(duì)錨索的張拉鎖定；

（5）卸載千斤頂，完成支擋結(jié)構(gòu)連接。

3 結(jié)論

針對(duì)現(xiàn)階段樁錨式支擋結(jié)構(gòu)中，腰梁與支護(hù)樁之間施工間隙的通病，提出了一種新型的樁錨連接裝置，該連接裝置由弧形鋼板和兩個(gè)平行的肢腿構(gòu)成，與支護(hù)樁一一對(duì)應(yīng)設(shè)置，通過(guò)楔形鋼板與型鋼組合腰梁連接牢固，與傳統(tǒng)連接方式相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）錨索（桿）與支擋結(jié)構(gòu)通過(guò)本連接裝置連接牢固，既充分發(fā)揮腰梁的支座作用，又避免腰梁扭轉(zhuǎn)、翻背等局部失穩(wěn)情況，可有效避免因局部失穩(wěn)引起的整體破壞。

（2）本連接裝置具有自重小、施工便捷、即裝即用、剛度可充分利用等優(yōu)點(diǎn)。

（3）采用本裝置的預(yù)應(yīng)力施加及鎖定方法具有預(yù)應(yīng)力傳力直接、預(yù)應(yīng)力損失小的優(yōu)點(diǎn)。

（4）本裝置采用裝配式構(gòu)件，可根據(jù)錨索（桿）及支擋構(gòu)件間距和位置靈活調(diào)整裝置配件位置，組合及拆除簡(jiǎn)單易行，可方便回收并循環(huán)使用。

（5）通過(guò)該裝置將錨索（桿）與擋土構(gòu)件連接起來(lái)，多個(gè)支擋構(gòu)件組合的支擋結(jié)構(gòu)整體協(xié)同受力，整體性好。