锚固悬臂的护坡桩设计和施工的探讨
摘要：锚固悬臂的护坡桩是一种新型的护坡桩，桩底与大开挖基坑底同深，利用桩底锚筋使桩身和岩石连成一体，桩岩协同工作。它适用于地质条件为岩质坚硬、岩层埋藏较浅的深基坑护坡和挡土。关键词：护坡桩 锚筋 桩岩协同工作
1、概 述
传统的悬臂式护坡桩设计，桩端都有一定的入土深度，并由该深度以下的桩后岩土提供的被动土压力使桩身保持平衡。但是，在特殊的施工条件和地质条件下，桩的入土（岩）深度受到限制，给护坡桩、挡土桩的设计和施工提出了新的课题。
悬臂式护坡桩实际上是一根竖起的悬臂梁，入土部分相当于悬臂梁的固定端。通常悬臂梁有如下两种最基本的受力形式。
当悬臂梁在外荷（p1）的作用下，第一种受力形式中的悬臂梁是利用外力（砖墙的压力）使梁获得平衡；第二种受力形式中的悬臂梁则是利用内力（钢筋的拉力）使梁获得平衡，它不需要外部反力也能使悬臂梁正常工作。传统的悬臂式护坡桩受力形式与第一种悬臂梁类似，桩入土（岩）部分的被动土压力相当于砖墙的反力。
从第二种受力形式的悬臂梁工作原理可知，只要受拉钢筋的锚固长度足够，悬臂梁便可正常工作，不必象第一种悬臂梁那样要有一定长度的入墙固定端。同理，只要悬臂桩的受拉钢筋有足够的锚固长度，悬臂桩便可正常工作，毋须桩端要有入岩深度。因此，在岩层埋藏较浅、岩质坚硬而又不允许爆破或冲孔的条件下，采用钻孔桩或人工挖孔桩难于达到需要的深度时，锚固的悬臂护坡桩便应运而生。这种将悬臂桩同桩底岩石连成一体的方法，使桩岩协同工作。它包括①整体抗弯抗倾覆；②整体抗剪抗滑移。
2、桩岩协同工作的设计和施工实践（工程实例）
2.1工程概况
惠阳市教工之家高层住宅楼位于广东惠阳市承修路旁，25层，长52.7m，宽51.3m，采用箱形基础，以-6.3m处的微风化石灰岩作为持力层。北距该楼仅1.9m处有一栋七层教师宿舍楼，宿舍楼采用天然独立基础，柱基尺寸为3m×3m，埋置于-2.0m处的粉质粘土层上；南距该楼2.8m有一栋幼儿园的四层教学楼，天然浅基础；东距该楼4.6m有一栋圆形教学楼，亦为天然浅基础；西距该楼2.5m处有一根街道陶瓷下水管。石灰岩埋藏于-5.5～-6.5m之间，岩质脆硬。地下水不丰富。
2.2桩型的选择由于岩质坚硬，钻孔桩和人工挖孔桩入岩都十分困难，采用爆破或冲孔又容易造成邻近房屋开裂。故选用锚固于岩石的悬臂护坡桩作为支护结构。
2.3护坡桩的设计（以北面护坡桩为例）
（1）主动土压力的计算
（2）七层宿舍楼荷载所产生的主动土压力
其中，七层宿舍楼的重量折算成填土高度为7.36m.
（3）倾覆弯矩的计算每单位米长的土体对支护结构的根部产生的弯矩为：M＝EA1×h2＋EA2×h3＝98.9×2.1+350×1.4＝698kN.m。
（4）护坡桩的配筋计算采用1000人工挖孔桩，混凝土等级为C20，间距1.5m，则每根桩所承受的最大弯矩为：
护坡桩试配1625作为主筋，则必须满足（文献［1］）：
最后计算得：
M桩＜M′桩，结构抗弯抗倾覆安全。
（5）锚筋数量和锚固长度的确定锚筋数量：经计算，主筋为1625，锚筋数量至少也需1625，利用主筋兼作锚筋，直接锚入岩石，水泥浆灌孔。
锚固长度的计算：锚固长度主要取决于三大因素：
①灌浆材料与钢筋之间的握裹力；②锚固体与岩石之间的极限侧阻力；③锚固体端部岩石破裂面的总抗拉力。分别计算，取三个锚固长度中的最大值。
由水泥浆与钢筋之间的握裹力所决定的锚固长度（Lm），只要满足：Tu≤πdLmu即可。其中，Tu为单根锚筋的极限抗拔力，取Tu＝152039N；d为锚筋直径，d=25；u为水泥浆对钢筋的平均握裹力，取u＝4.17N/mm2（水泥标准抗压强度的10%）。最后算出：Lm＝464.6mm.利用锚固体与岩石之间的极限侧阻力求锚固长度，只要满足：Tu≤πDτzLm即可（详见文献［2］）。其中，D为钻孔孔径，τz为锚固段周边的抗剪强度，取τz＝1.2N/mm2（详见文献［3］），取Tu＝152039N（单根25钢筋抗拉力），钻孔孔径为30mm，代入数据，可算出Lm＝1344mm，经与握裹锚固长度比较，后者起决定作用，取Lm＝1500mm.验算1500mm深处岩石破裂面总的抗拉能力是否满足。
破裂面圆台体表面积S＝9420000mm2，取石灰岩抗拉强度为其抗压强度的六十分之一。取抗压强度为60，则抗拉强度为1，破裂面岩石总抗拉力为9420000N.全部锚筋（实际上只有受拉区锚筋）总拉力为：16×310×490＝2430400N，小于破裂面岩石的总抗拉力，破裂面安全。1500mm锚固长度足够。
（6）桩岩接触面抗剪抗滑移验算如果忽略混凝土与岩石结合处的抗剪能力，则只能由锚筋的抗剪能力抵抗滑移和剪切。
桩底1625锚筋的总抗剪能力为：〔τ〕＝100×7856＝785600N，因桩的间距为1.5m，所以每桩承受的水平推力为：
F桩＝1.5×（EA1＋EA2）＝673400N
〔τ〕＞F桩，结构抗剪抗滑移安全。
（7）桩顶设置连系梁为使护坡桩整体协同工作，在桩顶设置连系梁一道，梁的截面为1000×400，上下各配516，箍筋采用双肢箍210@200。
3、施工措施
3.1人工挖孔按一般人工挖孔桩方法挖孔，挖至岩面时，用风镐凿石，为防止基坑大开挖后桩端露脚，使桩底面比基坑底面稍深100～200mm，将孔底凿成向土体方向倾斜10°～20°角，以增加桩岩接触处的抗滑移能力。
3.2钻孔锚筋按桩的纵筋数量和位置在孔底钻孔，采用30金刚钻头，钻深1500mm.钻孔完毕后，用高压水清孔，再用虹吸管吸干孔内积水，然后用1∶5（白乳胶∶水泥）配成的水泥浆灌孔，灌满后插入桩的纵筋。插入纵筋时要反复抽插，直插入孔底为止，溢出的水泥浆用吸筒吸掉。在插筋的上端绑扎一个箍筋固定，待水泥浆硬化后再绑扎桩内箍筋。
4、设计和施工效果
该工程于1993年6月动工，7月底完成护坡桩施工。四周均设同类护坡桩，12月底完成土方大开挖。由于资金不到位，至今未进行基础施工，使原来的临时（当时设想基础施工约需3个月）护坡桩变成长期护坡桩，超出了设计能力。但经多次检测，四周建筑物及护坡桩均无异常，七层教师宿舍楼最大垂直偏差只有5mm，说明锚固的悬臂护坡桩设计和施工获得成功。与传统的悬臂式护坡桩相比，缩短工期20天（约四分之一），节约资金约三分之一。
实践证明，这是一种经济实用的桩型，适用于石灰岩或其它类似岩层。这类桩关键在于锚筋的施工，一定程度上运用锚杆技术，为增强锚固和抗剪效果，可在桩的中心附近增设一些短锚筋（作为构造措施，不参与计算）。以上经验，供各位同行参考，共同完善此类桩的设计和施工。
广东省惠阳建筑工程总公司
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