目前, 国内城市化仍然在高速进行, 基础建设也较广泛地开展, 由于土地资源日益紧缺, 高层建筑、超高层建筑越来越多, 使得基坑的规模以及深度不断增大, 且城市建设中, 高层建筑多数建设于建筑较为密集的地段, 基坑的开挖场地较狭小, 相邻的新建建筑可能存在回填土没有固结的情况, 周围土体土质松散, 并且由于基坑场地的限制, 使得传统单一形式的支护形式难以在这种情况下安全、高效地应用。针对这一工程问题, 应考虑结构形式上的创新。

框架锚杆结构是一种较常用的支护结构, 广泛应用于公路、铁路边坡支护中。这种结构为单一形式的传统支护结构, 通过“被动”地受力维持坡体稳定。一些学者提出多种结构形式的联合加固支护方式, 许宏发等对多种联合支护结构形式进行了系统研究。孙铁成等对水泥搅拌桩复合土钉联合支护结构进行了室内模型试验研究, 并取得良好效果, 但仍不能解决狭小场地应用问题。由于单一形式的结构难以有效解决复杂地质环境下的支护问题, 联合支护体系越来越受到关注, 但已有的这些联合体系其支护思路都是单一地从“被动”承受土压力的角度出发, 往往经济成本较高。

目前, 已有的支护形式难以解决深基坑工程中施工空间狭窄、土体自身强度低的问题。针对这一问题, 考虑“被动”和“主动”相结合的加固思路, 提出一种既能通过受力满足抗力要求, 又能“主动”改善松散土体的特性使其强度增大, 减小支护结构成本的结构———框架预应力锚杆联合微型钢管桩新型支护结构。该结构将锚杆锚固技术、钢管自钻及注浆加固措施相结合, 能改善土体的物理性质。

而新型结构的工艺性研究较少, 大多学者的研究多集中在新型结构的工作机理以及力学性能的表现方面, 因此, 本文针对框架预应力锚杆联合微型钢管桩新型支护结构的组成、工作机理、施工工艺进行详细介绍。

框架预应力锚杆微型钢管桩联合支护结构主要分为上部的框架预应力锚杆与下部的自钻式微型钢管桩锚, 结构如图1所示。

图1中, 上部的框架锚杆结构由锚杆、横梁和竖梁组成, 三者协同受力维持坡体稳定, 其属于“被动”加固结构。而框架锚杆结构的下部为自钻式微型钢管桩锚结构, 该部分是新型结构的核心部分, 也是新结构“主动”加固思路的体现, 其由微型钢管桩、桩顶冠梁及锚杆组成, 节点的约束使得上述3个构件可协同工作受力。自钻微型钢管桩底部嵌固于土体内, 其桩身有注浆、泄浆孔, 利用压力注浆技术改善桩身周围土体性质, 从而提高桩嵌固稳定性。

冠梁留有通道, 锚杆可固定于冠梁上, 下部的微型钢管管身留有孔道, 内部有钻杆 (见图2) 。上部的框架锚杆底部受冠梁约束, 而下部的微型桩其本身也固定于冠梁, 故整个结构成为一个整体。

框架预应力锚杆结构对坡体具有良好的锚固作用, 而自钻式钢管桩可自钻成孔, 对周围土体扰动小, 同时压力注浆可对桩周土体产生附加应力作用, 使得土体密实、强度增加。

新型结构主要由上部的框架锚杆结构和下部的自钻式微型钢管桩组成, 从受力角度来看, 两部分均具有“被动”加固的能力, 通过冠梁处的约束连接, 使得整体上可协同受力;钢管桩自身的泄浆孔可通过压力注浆, 挤压周围土体, “主动”改善土体力学特性。因此, 依据新型结构的组成以及各部分结构的特性, 其工作机理主要可分为3个方面。

1) 框架锚杆锚固机理该部分结构将土压力对于结构产生的拉力, 通过框架将其传递到锚杆上, 将锚杆上的压力通过锚固段传递到稳定的地层中, 从而使得坡体的下滑力得到有效控制, 维持坡面的稳定性;此外, 当对锚杆施加预应力后, 一方面这种反压力使得潜在滑面处摩擦力增大;另一方面其本身可抵消一部分下滑力, 进一步限制坡体位移。

2) 微型钢管桩的工作机理新型结构中的微型钢管桩是结合了自钻技术和压力注浆技术的一种加固支护结构, 其本身除了“被动”受力外, 还可“主动”改善桩周土体性质, 具有“主动”加固功能。具体表现在: (1) 钢管桩通过自钻技术打入土体, 桩的进入本身便可对土体进行挤密, 提高土体强度; (2) 桩的自钻完成后, 进行压力注浆, 一方面注浆压力会对周围土体产生挤密效果;另一方面, 泥浆可渗透到周围土体中, 使其发生部分固化, 进一步改善土体性质。桩之间、桩土之间的整体刚度增大, 协同性能更好。

3) 结构卸荷机理新型结构通过上部和下部的结构相互协同配合, 构成一个空间协同支护体系。上部的框架锚杆结构的放坡作用可降低土体压力对下部钢管桩的作用, 而通过冠梁处的连接, 可使得坡体的土压力一部分由锚杆传递到稳定地层进行分担, 一部分传递到钢管桩处的稳定地层进行分担, 结构受力更加均匀, 有效降低各分部的承载力设计参数。

1) 研究基坑支护设计土质及地质勘探报告。

2) 审查基坑支护施工方案及土方开挖方案, 超过一定规模的危险性较大基坑开挖工程, 应督促组织专家论证和技术交底工作。

3) 材料质量要求根据设计文件控制施工所需混凝土、钢筋、钢管、砂浆质量, 所有进场材料应进行复试。

4) 施工质量控制土方应严格按施工方案进行开挖, 框架锚杆结构应随挖随支护, 与冠梁连接处钢筋应留足连接长度。微型钢管桩施工时, 应待桩内砂浆强度达到设计要求后方可开挖。基坑顶部及底部应做好防排水措施。

5) 做好基坑的检查与检测基坑开挖及支护过程中, 成立抢险指挥部, 24h值班, 组织人员巡视, 检查基坑变形情况。

土方开挖 (分层开挖) →钻孔→安置锚杆→注浆→框架钢筋绑扎→框架模板支设→框架混凝土浇筑→预应力张拉、锁定→微型钢管桩定位→下放钢管→压力注浆→冠梁钢筋绑扎→冠梁模板支设→冠梁混凝土浇筑→土方开挖 (分层开挖)

孔位、孔深、孔斜度按设计要求严格控制, 定位偏差≤20mm, 钻孔深度应大于设计孔深, 孔斜度≤±1°。

钻孔过程中严禁水冲, 若地层松散破碎易坍孔时, 应采用跟管钻进技术, 坍孔、缩孔时, 立即停钻并灌浆固壁, 灌浆压力控制在0.1～0.2MPa, 水泥浆初凝后重新扫孔钻进。

严格记录钻孔过程中每个孔的地层变化、钻压、钻速和地下水位等特殊情况。钻头直径不小于设计孔径以确保锚孔直径, 钻孔深度大于设计深度0.1m以上, 钻至设计深度时, 稳钻1～2min, 以保证孔径符合设计要求。孔底、孔壁不得有沉渣, 钻孔完成后, 使用高压空气 (风压0.2～0.4MPa) 清孔。

如遇承压水流出, 应在水压、水量变小后安设锚筋与注浆, 并设置排水孔排水。不得使用膨润土循环泥浆护壁, 以免孔壁形成泥皮, 降低锚固体与土壁的摩阻力。

锚杆主筋采用HRB335级热轧钢筋, 应符合GB/T 1499.2—2018《钢筋混凝土用钢第2部分:热轧带肋钢筋》的规定。钢筋直径、长度必须符合设计要求, 不得有锈蚀和损伤。

锚杆应由专人制作, 接长应采用直螺纹对接, 为使锚杆置于钻孔的中心, 应在锚杆上每隔1 500mm设置定位器1个;钻孔完毕后立即安插锚杆以防坍孔。

锚杆安装前仔细核对锚孔编号, 高压风吹孔, 人工安放锚杆, 量出孔外露出的锚杆长度, 锚索长度误差控制在50mm范围内。用胶带缠裹丝扣部位, 以防锈蚀和污染。

用泥浆泵进行注浆, 采用孔底返浆法一次注浆技术, 中途不得停注。

锚孔内灌注M30水泥砂浆, 水灰比宜为0.38～0.5, 灰砂比宜为0.8～1.5, 应通过试验确定。为增加浆液的和易性以及保证水泥砂浆的早期强度, 适当掺入减水剂和早强剂。少量掺入膨胀剂以防锚固力损失。

注浆管应随锚杆同时插入, 注浆管顶部距孔底50cm左右, 注浆至浆液流出孔口时, 封堵孔口并严密捣实。一次拌合的水泥浆、水泥砂浆应在初凝前用完。注浆后自然养护≥7d。注浆锚固安装后, 不得随意敲击, 3d内不得悬挂重物。

锚孔位置和锚杆框架放线定位, 位置、尺寸应符合设计要求。精确挖出竖梁、横梁肋轮廓, 且坡面须刻槽。清除框架基础底浮渣, 梁底地基砂浆调平。框架纵横梁采用钢筋混凝土现浇, 与坡面密贴。

同一截面钢筋接头数不得超过钢筋总根数的50%, 接头需错开, 焊接接头的截面间距离≥1m。

灌注混凝土前须将锚具中的螺旋钢筋、波纹管 (宜用钢质) 和锚垫板固定在地梁或立柱钢筋上, 方向应与锚孔方向一致, 摆放平整后浇筑, 锚孔周围钢筋较密集区域应仔细振捣。

框架由2～3根立柱、横梁和顶梁组成, 分片施工。相邻框架接触处 (横梁、顶梁) 留伸缩缝, 缝宽2cm, 用浸沥青木板填塞。

锚杆采用千斤顶适当张拉后固定, 最后用混凝土封闭锚头。

1) 自钻钢管注浆钢管应根据设计图纸要求的深度进行下料。钢管搭接部位用12钢筋帮条焊加固, 帮接长度≥2倍钢管直径, 焊缝应饱满, 并应检查钢管的垂直度, 施焊前应试焊;桩尖端部焊成封闭尖状, 设置自钻头, 桩身设出浆口。

2) 成孔根据微型桩定位采用干成孔自钻方式钻孔, 每钻进2m接1次钻杆, 直至有效设计深度。

3) 清孔在浇筑混凝土前, 清孔使泥浆全部排出, 孔底沉渣厚度≤50mm。

4) 加压注浆水泥浆采用专用机械进行拌制, 水灰比0.45～0.5, 注浆压力0.5MPa, 待混凝土从管外流出时方可拔出注浆管, 密封钢管端部, 加压数分钟, 待混凝土再次从钢管外流出为止。如一次注浆未达到冲盈系数要求, 则需多次间隙注浆, 通常3～5次, 直至管口翻浆为止。

5) 为防止假桩、断桩现象发生, 施工中应仔细测量孔深、钢管长度及注浆管长度。

6) 第1次注浆压力0.4～1.0MPa, 并保持3min, 使浆液压出管外注满桩体;第2次注浆压力≥1.5MPa, 两次注浆间隔≥1.5～4h。

7) 两端处桩位偏差≤1/3桩径, 中间桩桩位偏差≤1/2桩径, 垂直度≤1/1 000桩长。

8) 冠梁施工微型钢管桩端部应设置L形钢筋, 一端与微型钢管桩焊接, 另一端与冠梁主筋焊接。框架竖梁钢筋与冠梁连接应满足锚固长度。

通过施工工艺分析, 框架预应力锚杆微型钢管桩联合支护结构施工难度小、进度快, 相对于传统的桩锚结构, 具有明显优点, 更适用于场地狭小、土质松散的基坑作业。

新型结构以“被动”和“主动”相结合的方式, 既满足坡度、场地需要, 同时又改善土质, 增强支护安全性。新型结构相对于传统单一受力构件而言, 整体受力效果好, 经济上也具有一定的优势。