基坑侧壁采用锚杆排桩围护结构时, 需采用压入工字形型钢桩或钻孔灌注桩。无论使用哪类桩, 都需沿桩身高度方向由上至下设置数道通长水平腰梁、冠梁, 这些腰梁、冠梁撑住排桩, 并以预应力锚杆或支顶为支座, 组成深基坑侧壁围护结构体系。而对于近20m的型钢桩或钻孔灌注桩, 其桩身垂直度、压入点位移误差很大。对钢筋混凝土排桩, 相邻各桩的相对位移差值为30~300mm, 对型钢桩达10~150mm, 桩沿基坑侧壁平面凹凸不平, 已远超出结构分析变形的允许值。当通长水平腰梁贴靠排桩时, 贴靠点达几百至几千个, 贴靠点处腰梁与桩身不能紧密贴靠而存在孔隙, 大空隙 (>20mm) 需用钢板楔块垫塞, 小空隙则需要在锚杆施加预应力强制压弯腰梁使其贴靠在桩身上, 但一般仍存在空隙, 致使计算模型失真, 出现质量问题。现有的解决方案是:增加锚杆用量 (减小间距, 增加排数) 或加大排桩断面尺寸与钢材用量。但这样会导致施工期间这种临时性暂设的结构所用材料用量与建筑基础工程所用材料用量相当, 造成较大浪费, 而且围护效果也不佳。

　　 为了解决现有基坑侧壁排桩围护结构存在的围护排桩材料 (水平腰梁) 用量大、不便于安装、无法实现灵活布置、易出现质量问题等问题, 本文提出了一种用于基坑侧壁围护的预应力锚杆担梁排桩结构, 即将现有的沿排桩竖向布置的通长连续型钢梁变成按桩距间隔设置的分段式型钢担梁, 形成独立的双桩单元结构体。

　　 预应力锚杆担梁排桩的布置见图1。“两桩一担一锚” (图1 (a) , (d) ) :一个分段式担梁通过一个锚具连接件牢固贴靠在相邻的两个排桩上, 且锚具连接件位于相邻的两个排桩之间。“两桩一担双锚” (图1 (b) , (d) ) :一个分段式担梁通过两个锚具连接件贴靠在相邻的两个排桩上, 且两个锚具连接件位于相邻的两个排桩之间。“两桩一担, 一桩一锚” (图1 (c) , (d) ) :一个分段式担梁通过两个锚具连接件贴靠在相邻的两个排桩上, 且两个锚具连接件与相邻的两个排桩相间设置。

　　 “两桩一担一锚”适用于小桩距 (即桩距为1.5D~2.0D, 其中D为桩径) ;“两桩一担双锚”适用于大桩距 (即桩距为3.0D~5.0D) ;“两桩一担, 一桩一锚”适用于介于上述两种桩距之间的桩距 (即桩距为2.0D~3.0D) , 且同时保证锚杆水平间距≥900mm。设计中可通过调整预应力锚杆担梁双桩单元的水平距离和锚杆的水平间距来确保锚杆力基本相等。一般根据实际情况, 上述三种布置方式可采用两两组合使用或三种同时使用。

　　 担梁整体外形与构造见图2, 梁断面由双根槽钢连接组成工字形钢, 常用型号为2[20a, 2[22a, 2[25a, 2[28a。

　　 采用预压力锚杆双桩单元对桩侧施加预压力 (图3) 。传统桩锚支护结构由于其成桩时的桩身垂直度、压入点位移的误差, 腰梁与排桩贴靠点存在空隙, 致使计算模型与实际情况不符, 计算失真。而本文提出的预应力锚杆担梁排桩结构能使担梁紧密贴靠于排桩, 与计算模型完全相符。锚杆预压力通过担梁传递给排桩背后的土体, 增加了土体单元内水平压应力, 在基坑深度确定的情况下能够根据计算增加排桩间距及锚杆间距, 减少了材料用量。

　　 独立双桩单元可按以下公式设计^[1,2]:

　　 式中:H_0c为基坑侧壁根据初始临界状下土楔体应力分布和极限平衡状态求得的基坑临界开挖深度;c为土体黏聚力;φ为土体内摩擦角;γ为土层天然重度;ΔH₁为锚杆预应力作用产生的基坑开挖深度的增量;Δσ₃为锚杆预应力作用产生的土体单元水平压应力增量;k为土体单元垂直向压应力增量, k=tg² (45°+φ/2) ;ΔH₃为地面超载作用产生的基坑开挖深度的增量;Δσ₁为地面超载产生的土体单元竖向压应力增量;H为基坑开挖深度计算值;h为现场基坑侧壁直立开挖深度。

　　 设计时, 依据基坑的设计开挖深度和土体参数c, φ, γ, 同时根据基坑顶面附加的均匀分布荷载q=Δσ₁, 确定桩径, 初步预估桩间距、锚杆的层数、锚杆的水平间距, 计算得出锚杆的拉力后设计锚杆, 继而考虑锚杆预应力作用产生的土体单元水平压力增量Δσ₃, 并依据公式 (1) ~ (4) 和《建筑基坑支护技术规程》 (JGJ 120—2012) 准确设计桩间距及锚杆间距。此外, 按照地基梁算得到的排桩弯矩来设计排桩^[3]。

　　 图4、图5为哈尔滨南岗区铁路局院内某工程的“两桩一担一锚”和“两桩一担双锚”基坑支护结构的现场实景, 考虑锚杆预应力作用产生的土体单元水平压力增量并依据公式 (1) ~ (4) 和《建筑基坑支护技术规程》 (JGJ 120—2012) 进行该工程基坑支护结构的设计。

　　 本工程基坑开挖深度为17m, 基坑周长为228m。基坑土层为黏土可塑, 无地下水, γ=18k N/m³, 三轴剪切试验提供参数:c=31.2k Pa, φ=15.4°。采用600mm直径的混凝土护壁桩, 桩长为22.5m, 桩身混凝土强度等级为C25, 桩顶标高为-2.0m。锚杆直径为150mm, 锚杆采用钻孔压浆, 材料为M20水泥浆, 水灰比为0.45~0.5, 锚杆内钢束为1×7^s15.2钢绞线。在相邻重点保护建筑位置, 排桩间距为0.9m, 采用6层锚杆, 其他位置的排桩间距为1.8m, 采用4层锚杆。锚杆支座采用[25a双槽钢, 沿水平向间隔布置, 采用两桩一担一锚和两桩一担双锚形式。

　　 施工操作过程:先按地下室底板施工面的外轮廓线, 机械钻孔灌注钢筋混凝土桩。开挖时可先测定排桩间距尺寸再设置型钢担梁, 锚杆按照图1 (a) , (d) 和图1 (b) , (d) 布置, 边开挖边安装型钢担梁。型钢担梁可预先成批量加工制作, 运输至现场, 也可在施工现场直接加工。待地下室工程完成后, 进行基坑侧壁回填土时, 拆下型钢担梁, 拆下的型钢担梁可循环再利用。

　　 预应力锚杆担梁排桩结构取消现有传统做法中所采用的桩顶“冠梁”。冠梁的协同作用限制阻碍了预压力传入土体中, 使锚杆预压的有利作用失效。而分段担梁能够紧密贴靠排桩, 不再需要桩顶冠梁的协调作用。现有做法是不计入其作用;而对于预应力锚杆担梁排桩结构, 可百分之百计入锚杆预压作用, 增加了土体单元内水平压应力, 在基坑深度确定的情况下能够增加排桩间距及锚杆间距, 减少材料用量。

　　 当前锚杆施工虽然对锚杆施加了预压力, 但由于连续腰梁与排桩之间存有不可预计的缝隙而无法考虑锚杆预压作用。分段型钢担梁比通长连续型钢梁节省型钢用量20%~30%, 且型钢担梁的重量轻, 便于人工安装, 各个担梁型钢两端无需在场地原位﹑精准测量, 可加快施工进度;锚杆担梁双桩单元具有独立性, 可依施工场地条件变化及基坑侧壁土层不良变异情况, 灵活移动布置, 这有利于调控排桩及锚杆内力分布, 切实保证基坑侧壁围护结构质量。预应力锚杆担梁排桩结构具有安全可靠、节省造价、缩短工期的优点。

　　 (1) 预应力锚杆担梁排桩围护结构无连续腰梁、冠梁, 它将传统的排桩结构整体改换成独立的双桩单元结构体, 使型钢担梁紧密贴靠在排桩上, 所以此结构比较符合计算模型假定。

　　 (2) 锚杆的预压力通过型钢担梁传入土中, 使锚杆预应力作用产生的土体单元水平压力得以增加, 减少了围护结构的材料用量。另外, 型钢担梁的重量轻, 施工方便、快速。总体来说, 由于预应力锚杆担梁排桩围护结构具有安全可靠、节省造价、操作简便、缩短工期等特点, 作为相对有效的挡土结构, 值得借鉴, 可应用于实际工程。