马海龙，唐志军，石敦敦

（1.浙江理工大学 岩土工程研究所，杭州 310018；2.常熟市城市经营投资有限公司，江苏 常熟 215500）

1 引 言

水泥土桩主要应用于饱和软黏土地基加固中，在地基土中形成竖向增强体，由于水泥土的压缩模量比较小，因此，被归类为柔性桩范畴。

形成竖向增强体的水泥土桩用做基坑的独立支护时，多以重力式挡墙形式出现，因此，在软土中的支护深度应在6 m 左右，由于挡墙厚度与开挖深度呈正比，开挖深度增加，水泥土墙体厚度也增加，支护成本增加。另外由于水泥土桩墙为悬臂支护结构，随着支护深度的增大，桩顶位移也随着增大。因此，当软土中的基坑开挖深度超过6.0 m 时，基本上就不采用单一的竖向水泥土桩墙支护了。

传统的深基坑支护方法，多采用钻孔灌注桩、地下连续墙等加内支撑或拉锚[1－3]构成，对这类支护的应用计算分析以及现场监测研究[3－5]比较成熟，它们是一种被动挡土的支护方式。由于该类支护结构的截面尺寸有限，不能改善被支护土体的物理力学性质，于是，有时还需要对基坑坑底的软土进行加固，改善坑底土的物理力学性质，增加被动土压力。该类支护方法成本较高。

本文研究的是一种新型的基坑支护方法，被称为水泥土桩锚墙支护体系[6－7]。该法的支护机制与传统支护方法不同，从传统的被动挡土结构改变为主动加固墙后土体，从而显著改变被支护土体的力学性质。该体系主要由水泥土形成，即由竖向水泥土增强体、水平向水泥土增强体构成，其中竖向水泥土增强体称为水泥土桩墙，水平向水泥土增强体称为水泥土桩锚[7]。

基坑坑顶有放坡的水泥土桩锚墙支护体系见 图1。

然而，据了解目前采用水泥土桩锚墙支护体系进行基坑支护设计的案例很少，对水泥土桩锚墙支护体系作用机制研究的更少，现有文章多是一些工程实录[8－9]，限制了该方法的推广使用。尤其是作 为水平向增强体的水泥土桩锚，对基坑支护作用的影响机制和影响程度尚不清楚。

笔者在2008 年采用水泥土桩锚墙支护结构体系，支护了饱和软黏土中的7.5 m 深基坑（局部 8.5 m），在支护及开挖过程中对基坑进行了变形和水泥土桩锚抗拔力等的监测和测试[7]。

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水泥土桩锚与传统的锚杆有很大不同，传统的锚杆采用钢筋（钢管）灌水泥砂浆形成，锚杆截面多在100 mm 以内[10]。横向水泥土桩锚的直径多在400 mm 以上，其作用已经不是单纯的抗拔功能了，还对墙后饱和软黏土起到主动加固、置换、加筋等作用，改善墙后土体力学性质，减少主动土压力。

为了研究水平向水泥土桩锚在基坑支护中的作用，采用有限单元法对作为横向增强体的水泥土桩锚长度、直径等进行分析计算，获得水泥土桩锚墙支护的定量研究成果。经与工程实测对比，计算值与实测值接近，且分布趋势相同，对该类支护方法有一定的指导和参考价值，以期推动对该支护方法的使用。

2 计算条件及计算模型

2.1 计算条件

为了能够使计算值与工程实测值对比，本文计算分析参数完全取自同一工程基坑[7]。该基坑开挖深度为7.5 m，局部深度为8.5 m。土层物理力学性质指标见表1。

工程基坑在地面卸载1.5 m 深，剖面图如图1所示，从上到下共设3 道水平向桩锚，桩锚的水平间距为1.5 m，竖向水泥土桩墙墙顶在地面下1.5 m处，第1 道桩锚在水泥土桩墙墙顶下0.5 m，第2、3 道桩锚竖向间距为1.6 m，第3 道桩锚距离基坑底2.3 m，开挖深度计为7.5 m。该工程桩锚墙支护剖面实例见图2（该图未开挖到底时拍摄）。

2.2 基坑支护计算模型

土体采用双曲硬化模型。土体硬化模型是可以模拟包括软土和硬土在内的不同类型的土体行为的模型[11]。在主偏量加载下，土体的刚度下降，同时产生了不可逆的塑性应变，轴向应变与偏差应力之间的关系可以很好地由双曲线来逼近。

Kondner[12]最初阐述了这种关系，后来这种关系用在了著名的双曲线模型中。目前土体硬化模型已经取代了这种双曲线模型。土体硬化模型使用的是塑性理论，而不是弹性理论，另外，它考虑了土体的剪胀性，并引入了屈服帽盖准则。计算的土体硬化模型参数见表2，其中切线刚度对应于压缩模量，割线刚度及卸载加载刚度按程序建议取值。

图2 基坑支护剖面实例 Fig.2 The profile of retaining and protection of building foundation excavation

表2 土体硬化模型参数 Table 2 The hardening parameter of soils

水泥土桩墙和水泥土桩锚采用弹塑性模型，由于水泥土桩墙、水泥土桩锚与被支护的土体性质相近，在接触面的地方相对位移较小，其接触界面不做特殊处理。淤泥质土的渗透性很弱，根据卸载加载时间，采用固结快剪指标。

水泥土桩墙厚度为3.2 m，嵌入坑底深度为4.5 m，水泥土弹性模量取500 MPa[13]，水泥土重度取 20 kN/m3。基坑坑顶作用均布荷载15 kPa，作用范围为坑顶25.0 m 以内。计算分析内容见表3。

表3 计算内容 Table 3 The calculation contents

3 计算分析

3.1 桩锚直径的影响

计算条件是，水平向桩锚长度为12.0 m，沿竖直向有水平向桩锚3 排，其中1#、2#、3#依次是自上而下第1、2、3 排桩锚。

3.1.1 桩锚直径对墙顶水平位移的影响

图3 是桩锚直径对墙体最大水平位移的影响。桩锚直径d 从100 mm 增加到300 mm 时，控制水平位移效果最显著，以直径600 mm 对应的水平位移90 mm 为基准，此范围水平位移减少量达到77%，d 增大到400 mm 时，水平位移减少量为88%。当d ＞400 mm 时，控制水平位移的效果就不显著了。d=400 mm 时，就能获得较好的控制水平位移效果。

图3 桩锚直径对墙顶水平位移的影响 Fig.3 The influence of anchor’s diameter on the wall's horizontal displacement

3.1.2 桩锚直径对墙后土体沉降的影响

图4是桩锚直径对墙后土体沉降s 的影响。d 越大，墙后土体沉降越小。d 从100 mm增加到300 mm时，以d=600 mm 对应的墙后土体沉降93 mm 为基准，此范围段的沉降减少量为74%，d 增大到 400 mm 时，沉降减少量为87%。当d ＞400 mm 时，控制墙后土体沉降的效果就不显著了。

图4 桩锚直径对墙后土体沉降的影响 Fig.4 The influence of anchor’s diameter on settlement of the soil mass behind the retaining wall

原因是，d＜200 mm 时，桩锚在饱和软黏土中的置换、占位、加筋效果不明显，墙后土体沉降较大。而当d ＞300 mm 时，桩锚在饱和软黏土中的置换、占位、加筋效果明显，控制墙后土体沉降效果好。当d ＞400 mm 以后，控制沉降的效果不随直径增大而呈正比增长。

3.1.3 桩锚直径对桩锚抗拔力的影响

图5 是桩锚直径对不同位置桩锚抗拔力F 的影响。虽然不同位置的桩锚直径相同，但抗拔力相差很大，1#的抗拔力比2#、3#的大得多，2#又比3#的大。随着桩锚直径的增大，桩锚的抗拔力也在增大，但当d ＞400 mm 时，桩锚的抗拔力的增长幅度不大。从此看出，水泥土桩锚墙支护体系中，桩锚的作用已经不是传统意义上的抗拔功能了，而是在饱和软黏土中根据桩锚直径的大小，起到置换、占位、加筋的作用，从而控制墙顶水平位移和墙后土体沉降。

图5 桩锚直径对桩锚抗拔力的影响 Fig.5 The influence of anchor’s diameter on the anchor withdrawal resistance

3.1.4 桩锚直径对桩墙墙身弯矩的影响

图6 为桩锚直径对桩墙墙身最大弯矩M 的影响。随着桩锚直径的增大，竖向水泥土墙身最大弯矩也在增加，当d ＞400 mm 以后，桩锚直径的增加对竖向水泥土墙身最大弯矩影响不大，稳定在115 kN· m/m 左右。

图6 桩锚直径对桩墙墙身弯矩的影响 Fig.6 The influence of anchor’s diameter on the bending moment of wall

3.2 桩锚长度的影响

计算条件是，d =400 mm，沿竖直向有水平向桩锚3 排，其中1#、2#、3#依次是自上而下第1、2、3 排桩锚。

3.2.1 桩锚长度对墙顶水平位移的影响

图7 是桩锚长度l 对墙体最大水平位移的影响。桩锚长度对控制墙体水平位移影响很大。从图看出，随着桩锚长度增加，墙顶水平位移逐渐减小，在桩锚长度9.0 m（1.2 倍基坑开挖深度）以前，控制水平位移的效果较为显著，即使在桩锚长度9.0 m 以后，随着桩锚长度的增加，其控制水平位移的能力几乎线性增大。因此，比较难找到1 个合理的控制水平位移的桩锚长度。联合其他因素，桩锚的合理长度为12.0 m，为基坑开挖深度的1.6 倍。

图7 桩锚长度对墙顶水平位移的影响 Fig.7 The influence of anchor’s length on the wall's horizontal displacement

3.2.2 桩锚长度对墙后土体沉降的影响

图8 为桩锚长度对墙后土体沉降的影响。l 在6.0、7.5、9.0、12.0 m 这些区间，墙后10.0 m 范围内的土体沉降随着l 的增加而均匀的减小。l 从 12.0 m 增加到13.5 m 时，墙后土体沉降分布几乎与12.0 m 的重合。因此，从控制墙后土体沉降效果看，水平桩锚合理长度为12.0 m。

图8 桩锚长度对墙后土体沉降的影响 Fig.8 The influence of anchor’s length on settlement of the soil mass behind the retaining wall

3.2.3 桩锚长度对桩锚抗拔力的影响

图9 为桩锚长度对不同位置桩锚抗拔力的影响。当l ＞7.5 m 以后，随着桩锚长度的增加，桩锚抗拔力增加却不显著。因此，水泥土桩锚墙支护体系中，不能按照桩锚长度确定桩锚抗拔力。桩锚的抗拔力在此类支护体系中的作用已经弱化，原因是水泥土桩锚的置换、加筋、占位效果起了主导地位。

图9 桩锚长度对桩锚抗拔力的影响 Fig.9 The influence of anchor’s length on the anchor withdrawal resistance

3.2.4 桩锚长度对桩墙墙身弯矩的影响

图10 为桩锚长度对桩墙墙身最大弯矩的影响，桩锚长度对竖向水泥土墙身最大弯矩的影响分为3个阶段。l 小于1.0 倍的基坑开挖深度时，随着桩锚长度的增加，墙身弯矩增大。l 在1.0～1.4 倍开挖深度阶段，墙身最大弯矩基本维持不变。当 l 大于1.4 倍开挖深度时，随着桩锚直径增加，竖向水泥土墙身弯矩减小。

图10 桩锚长度对桩墙墙身弯矩的影响 Fig.10 The influence of anchor’s length on the bending moment of wall

4 计算值与实测值的对比

4.1 墙后土体沉降

图11 是墙后土体沉降计算值和实测值的对比，实测值资料来源于文献[7]。从图的沉降大小到分布形态，计算值与实测值较为吻合。

图11 墙后土体沉降比较 Fig.11 Comparing between test and calculated settlement of the soil mass behind the retaining wall

4.2 水平桩锚抗拔力

图12 是实测不同位置桩锚的抗拔力与时间的关系[7]，图中1#、2#、3#分别是自上而下第1、2、3排桩锚。

由图可以看出2 个特点，一是第1 排桩锚的抗拔力最大，第2、3 排桩锚分别递减，这个规律同样可以从图5、9 中看到。二是抗拔力随时间的关系，可以看出，随着时间的增长（开挖深度的加大），第1 排桩锚抗拔力增加很大，突出了第1 排桩锚的作用。由于第1 排桩锚的加筋、遮拦、置换等效应，降低了以下各排桩锚的抗拔力发挥。

图12 实测桩锚抗拔力 Fig.12 The measured anchor withdrawal resistance

根据文献[7]施工时间与施工内容对应关系可知，55 d 时基坑已开挖至坑底标高。图12 实测桩锚抗拔力分2 个阶段，以55 d 为分界线，55 d 前，是基坑开挖到坑底阶段，55 d 后，是地下结构部分施工阶段。55 d 对应的实测值，应是基坑开挖到底的桩锚抗拔力。表4 是计算桩锚抗拔力、55 d 实测桩锚抗拔力对比，计算值与实测值几乎一致。

5 结 论

（1）桩锚直径达到400 mm 时，桩锚在饱和软黏土中的置换、占位、加筋效果明显，控制墙顶水平位移、减小墙后土体沉降效果显著。

表4 计算抗拔力与实测抗拔力 Table 4 The calculated and measured withdrawal resistance

（2）桩锚长度达到1.6 倍的基坑开挖深度时，能有效控制墙顶水平位移以及墙后土体沉降。桩锚长度超过1.6 倍的基坑开挖深度，控制墙后土体沉降效果不再明显。

（3）桩锚直径大于400 mm 时，桩锚的抗拔力的增长幅度不大。从上至下，第1 排桩锚的抗拔力最大，向下逐排递减。另外，随着基坑开挖深度增加，第1 排桩锚的抗拔力增加显著。因此，要重视第1 排桩锚的施工质量。

（4）计算与实测沉降值接近，墙后沉降的分布形态接近。3 排桩锚的计算的桩锚抗拔力与实测桩锚抗拔力接近。

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