对拉锚索支护结构室内模型试验研究

吴曙光，彭 朋，韩培宇，郑华敬

(1. 山地城镇建设与新技术教育部重点实验室(重庆大学)，重庆 400045；2. 重庆大学 土木工程学院, 重庆 400045; 3.长江勘测规划设计研究院有限责任公司，湖北 武汉 430010)

对拉锚索支护结构室内模型试验研究

吴曙光1,2，彭 朋2,3，韩培宇1,2，郑华敬1,2

(1. 山地城镇建设与新技术教育部重点实验室(重庆大学)，重庆 400045；2. 重庆大学 土木工程学院, 重庆 400045; 3.长江勘测规划设计研究院有限责任公司，湖北 武汉 430010)

针对目前关于对拉锚索支护结构理论和试验研究较少的情况，自行设计和完成了考虑施工过程的对拉锚索支护结构室内模型试验。研究表明：对拉锚索支护结构支护桩内力及桩顶位移的最大值均出现在施工过程中，而非施工完成状态；不同的开挖支护时机对桩身内力及土压力的分布存在较大影响；总结出了对拉锚索支护结构桩身内力、土压力以及挡板土压力的分布。

岩土工程；对拉锚索；支护桩；桩身内力；土压力；相邻深基坑

0 引 言

在城市建设中，为充分利用地下空间，会涉及大量地下结构的施工。其中不可避免会遇到相邻深基坑支护的问题，如何保证相邻深基坑间边坡的安全和稳定，是现代相邻深基坑边坡支护工程的关键技术要点。在一些实际工程中由于两工程基坑相邻距离过近，且中间坡体中有市政管道、电缆等,不能进行挖掘，采取常规的桩锚体系无法有效进行锚固。在这种情况下，运用对拉锚索桩锚体系的支护方式来保证基坑间边坡的稳定和市政管道、电缆箱涵安全的方法便应运而生。

目前国内在对拉锚索支护结构研究方面，刘秋芳[1]通过对应用对拉锚索排桩支护结构的深基坑的监测结果的分析，表明了该支护结构的良好效果。陈海军等[2]通过对几个工程案例的分析，阐明了对拉结构的计算模式、计算要点及构造组成，明确了计算方法和设计思路。韩风雷等[3]根据重庆市某地铁车站 45 m 深基坑对拉预应力锚索施工技术研究和监控数据，利用有限元软件模拟分析对拉预应力锚索在基坑开挖过程中的受力状态规律，为施工提供安全理论保证。张力等[4]通过对预应力水平对拉锚索的施工工艺的阐述及施工中遇到问题的解决,阐述了预应力对拉锚索与斜拉锚索在施工中的部分差异及施工经验。金波等[5]通过介绍预应力水平对拉锚索在实际工程中应用的施工全过程，表明了水平对拉锚索施工的可行性。以上研究主要是关于对拉锚索支护结构的工程应用，其结构设计大多采用的经验法，即参考少数现有的类似工程来进行设计。关于对拉锚索支护结构的计算理论研究也尚不成熟。以对拉支护结构的墙后土压力为例，目前国内外多采用库仑主动土压力分析拉杆的内力。但实际情况中，对拉式挡土墙内的填土并不符合库仑主动极限平衡状态,而是处于弹性平衡状态[6]。模型试验作为一种重要的科研手段相对于原位试验具有以下特点:所需场地小,对加载试验设备的要求相对低,试验操作性强；可根据设计者的意图有目的的控制主要参变量不受其他因素的影响，针对性强，试验的可重复性好[7]。因此模型试验可以作为研究对拉锚索支护结构的一个重要手段。

笔者自行设计并完成了对拉锚索支护结构的室内模型试验。通过该模型试验，总结分析了对拉锚索支护结构支护桩桩身内力、桩顶位移随施工过程的变化规律，以及桩身和挡板后土压力的分布规律，为后续的对拉锚索支护结构的理论研究和设计计算提供参考和依据。

1 模型试验

1.1 模型试验箱设计

本次模型试验在自行设计的模型箱内进行，模型箱的净尺寸(长×宽×高)为：1 200 mm×1 000 mm×1 000 mm。箱体框架主要由4根角钢作为立柱，相邻立柱之间顶部和底部用角钢进行焊接连接。为了保证箱体的刚度，4个侧面水平向之间每隔约15 cm焊接一道角钢。模型箱的两个侧板材料为一块 20 mm 厚防潮木板，试验前木板涂抹一层黄油。另外两个开挖侧的侧板根据试验需要切割成不同高度，以便分层开挖时取土。两侧桩前开挖高度为800 mm，分3阶开挖。两侧桩之间共设3阶对拉锚索。模型试验的正立面、侧立面见图1。

图1 试验模型正立面、侧立面Fig.1 Positive and side elevation of the test model

1.2 模型试验材料

根据相似原理，模型试验需满足物理相似、几何相似、应力相似和荷载相似。模型试验的原型为重庆江北嘴某相邻深基坑工程，本次室内模型试验没有严格地按相似率进行，而是主要考虑几何相似性(相似比尺为 10)，即为一次机制性的模型试验。

对拉锚索支护结构包括两侧支护桩、对拉锚索、桩间挡板等。模型试验中所选用材料综合众多模型试验[8-12]且结合本试验的内容进行选择。

本次室内模型试验采用不锈钢管作为模型桩，钢管壁厚 0.9 mm，截面尺寸为 50 mm×25 mm。模型桩每排3根，共6根。每根模型桩长为1 100 mm，设计悬臂段长800 mm，嵌固长度为200 mm，其顶端超出填料上表面100 mm，以便作为桩顶安放百分表的平台，桩上预先加工留孔安放锚索。按照材料力学测量挠度的试验反算出模型桩抗弯刚度EI=8 566 N·m2。

试验所用挡料采用两块长1.0 m,高0.8 m,厚0.8 mm的镀锌铁皮。

模拟锚索的材料选用直径为2 mm,长为1 000 mm的钢丝绳。钢丝绳一端穿过一侧桩上预先留设的孔利用锁具锁定于不锈钢管桩上，锁具和不锈钢管之间安装一个压力传感器，用来控制作用在锚索上的预加拉力，本次锚索预加拉力值为80 N。钢丝绳的另一端穿过填料土固定于预先加工好留孔的100 mm长的螺杆上，螺杆穿过另一侧桩上预留的锚孔，用螺帽固定在这一侧的钢管桩上。试验过程中通过拧紧螺帽来施加锚索上的预应力。

模型试验选用嘉陵江河砂进行试验，在填料的过程中层层填压夯实。其中支护端的嵌固段用密实的碎石和砂混合材料嵌固。经土工试验测试，测得河砂的物理力学参数指标为：密度ρ=1 850 kg/m3,含水量W=10.2%，黏聚力c=0 kPa，内摩擦角φ=28.7°。

1.3 测试内容及方法

两侧支护桩身悬臂段弯矩通过在800 mm的悬臂高度内对称布置6对应变片，分别编号为1～6和1’～6’、7～12和7’～12’，应变片共计24片。应变片尺寸为 2 mm×3 mm，电阻为 120 Ω，其灵敏系数为 2.0。桩身应变片的布置如图2。

图2 桩身应变片布置Fig.2 Position of strain gauge of model piles

桩身和挡板后土压力通过在桩后和挡板后布置LY-350电阻应变式微型土压力计，其中两侧中间桩后各布置5个，两侧挡板后各布置9个，共计28个。土压力计的布置如图3。两侧中间桩桩顶位移通过在桩顶处安装百分表测试，锚索预加拉力值通过压力传感器测试，其中土压力计和百分表通过全桥连接方式、应变片通过半桥连接方式连接到UCAM-60A应变采集仪，通过仪器内部的实时测量系统自动测量并及时输出结果。

图3 两侧桩身和挡板土压力计布置Fig.3 Position of soil pressure gauges at both sides of model piles and baffle

1.4 试验过程

试验开始之前，模型桩按设计要求安装到指定位置，对拉锚索及测试仪器在填土时也安装到相应位置，其中锚索处于未张拉的状态，填土层层压密夯实至设计高度。模型试验开挖模型示意如图4。

图4 基坑开挖模型示意Fig.4 Model of foundation pit excavation

本次试验开挖支护实施的过程如表1。

表1 基坑开挖支护的实施过程

表1中每完成一步后，及时采集每个测试仪器的数据。试验中开挖支护完成情况见图5。

图5 试验中开挖、支护完成情况Fig.5 Completion condition of excavating and supporting in model test

2 试验结果分析

2.1 支护桩桩身弯矩分析

两侧支护桩身在开挖过程中的弯矩分布如图6，其中桩身弯矩以填土一侧受拉为正。通过图6可见，在未张拉锚索前，桩身的弯矩随着悬臂的高度增加而增大,坡脚处达到最大。在施加对拉锚索预应力后，两侧桩的最大弯矩有一定的减小，锚固点及桩身弯矩均有减少。继续开挖，锚固点部位弯矩略有增加，而开挖部分坡脚部位弯矩值有较大幅度的增加。

图6 基坑施工过程中D侧桩和B侧桩身弯矩变化曲线Fig.6 Bending moment curve acting on the D side pile and B side pile in the construction process of foundation pit

开挖支护施工过程中可以发现，在对拉锚索支护结构施工过程中，D侧桩的桩身锚索张拉相对滞后，故在整个过程中其桩身弯矩值比B侧桩大，最大弯矩比值约为1.5。同时在对拉锚索支护结构逆作法施工过程中，支护桩内力随着基坑开挖深度的变化而不断发生变化，并不是一个定值。支护桩内力最大值出现在基坑开挖到中下部时，在该施工过程中产生的最大内力比支挡结构施工完毕后的内力大20%～25%。因此，对拉支护结构设计时，应考虑到施工方案在某个施工过程中所产生的最大内力，否则有可能会在施工过程中发生安全问题。

两侧支护桩桩身弯矩在支护结构施工完成后分布规律如图7。

图7 施工完成时桩身弯矩曲线Fig.7 Bending moment curve of piles at the completion of foundation pit

桩身弯矩沿桩高分为正弯矩和负弯矩两个区。在桩锚支护设计施工中桩身正负弯矩的绝对值差值越小对桩身的受力越有利。相比D桩，B桩开挖之后，锚索张拉及时，其桩身发生的变形相对较小，所以其桩身正负弯矩的最值都相对D桩小，D桩的弯矩最大值约为B桩的1.8倍。故对拉锚索支护结构施工时应适当控制两侧的开挖高度差。

2.2 支护桩桩顶位移分析

两侧中间支护桩桩顶位移在施工过程中的分布如图8，位移以朝着开挖方向为正。

图8 基坑施工过程中桩顶位移变化曲线Fig.8 Displacement change curves at the top of pile in the construction process of foundation pit

由图8可见，在整个施工过程中，两侧桩的位移最大值为0.42，0.29 mm，位移值均较小。其中D侧桩顶的最大位移发生在D侧开挖两阶未张拉锚索的时候，B侧桩的最大位移在其悬臂第1阶开挖高度的时候。其后，第1阶锚索的张拉一定程度上减少了两侧桩的桩顶位移。由于对拉锚索支护对两侧桩有着较强的约束作用，在后续的施工过程中，桩顶位移的增量也较少，较为平稳。D侧锚索支护相对滞后开挖，因此其桩顶位移也相对较大。在对拉锚索支护的实际施工过程中，应尽量减少支护桩无锚索支护时的悬臂高度，及时张拉对拉锚索，同时应尽量缩小两侧的开挖高差。

2.3 支护桩桩背土压力分析

根据在桩后布置的土压力计测得的数据，桩后土压力的分布如图9。

图9 桩身土压力分布曲线Fig.9 Soil pressure distribution curve of the pile

对拉锚索支护结构支护桩后的土压力，与Rnakine土压力理论的三角形分布模式存在显著差异，呈现出明显的非线性分布特征。其土压力值介于主动土压力和静止土压力之间，其中土压力较大的一侧，桩后土压力实测合力值是朗肯理论值的1.27倍,是静止土压力的0.72倍。桩身上部高度内随着土层深度的增加，土压力值增大，增幅较为明显，但当到达一定的深度后土压力值较为稳定，增幅也较小。同时，在锚头的位置，土压力也存在一定的集中现象。

同时B侧桩的土压力值比D侧桩的土压力值整体上偏大。主要原因是试验方案中，D侧作为先开挖一侧，其桩身锚索支护的时机相对滞后，桩身处于弱约束的时间较大，而B侧桩前土开挖之后锚索及时张拉，故桩土之间的位移也相对D侧少，故其桩身的土压力值也相对较大，其值也较为接近静止土压力值。对拉锚索支护中两侧桩由于锚索支护的相对时机不一致可造成其土压力的分布不尽相同。

2.4 桩间挡板土压力分析

根据整理桩间挡板后沿竖向布置的土压力计测得的数据，挡板后沿竖向土压力的分布如图10。

图10 挡板沿竖向土压力分布曲线Fig.10 Soil pressure distribution curve of the baffle in vertical direction

由图10可见，挡板后的土压力分布与桩身土压力分布大致规律一致，即上部高度随着土层深度的增加，土压力值增大，增幅较为明显，但当到达一定的深度后土压力值较为稳定，增幅也较小。不同的是，桩身在锚头处存在一定的应力集中，其值相对较大；而在挡板中，为离锚头较远处的位置处存在一定的应力集中现象。

在挡板结构中部，桩土相对变形较大，土拱效应相对较强；上部及下部，桩土相对变形较小，往往成拱效应相对较弱，土拱作用范围相对较小。测试结果进而表明，挡板后土压力为非均匀分布，表现为，上部及下部小而桩板中间部位土压力较大。填料内部竖向土拱的存在使土压力在中间位置不再向下传递而直接向两侧传递到支护结构上，故中部位置较大。

根据整理挡板后沿水平向布置的土压力计测得的数据，挡板后沿水平向土压力的分布如图11。

图11 D侧和B侧挡板沿水平向土压力分布曲线Fig.11 Soil pressure distribution curve of the D side and B side baffle in horizontal direction

由图11可见，土压力分布曲线呈抛物线型。挡板离桩1/6跨度处的土压力对跨中处而言，约为跨中土压力的50%～60%，这与通常计算中采用的均布荷载有较大差别。进一步分析可知，挡板中水平向的土拱效应在沿竖向两锚头之间的高度处较为明显。同样是由于其距离锚头较远，锚头对其约束相对较弱，桩土之间的相对位移较大所致。同样，D侧由于支护相对滞后，桩土相对位移较B侧大，故其挡板处水平向的土拱效应也较为明显。

3 结 论

通过对对拉锚索支护结构的室内模型试验结果的对比分析，得到以下主要结论：

1)对拉锚索支护桩身弯矩沿桩高分为正负弯矩两个区，两侧开挖支护施工工序的差异会造成桩身弯矩极值相差较大。支护桩内力最大值出现在基坑开挖到中下部未施工锚索时，在该施工过程中产生的最大弯矩比支挡结构施工完毕后的弯矩大20%～25%。

2)对拉锚索支护结构可以有效控制桩顶位移，锚索的张拉在一定程度上可以减少两侧桩的桩顶位移。在对拉锚索支护的实际施工过程中，应尽量减少支护桩无锚索张拉时的悬臂高度，及时张拉对拉锚索。

3)对拉锚索支护结构支护桩后的土压力，呈现出明显的非线性分布特征，其土压力值略小于静止土压力值。其中土压力较大的一侧，桩后土压力实测合力值是朗肯理论值的1.27倍,是静止土压力的0.72倍。在锚头的位置，土压力存在一定的集中现象。对拉锚索支护中锚索两端的桩由于开挖支护时机的不一致造成其土压力的分布也不尽相同。

4)桩间挡板后沿竖向的土压力离锚头较远处有一定的应力集中现象，竖向土拱的存在使土压力中部较大，故挡板后竖向土压力为上部及下部小而桩板中间部位较大的非均匀分布。桩间挡板沿水平向的土压力分布曲线呈抛物线型，挡板离桩1/6跨度处的土压力约为跨中土压力的50%～60%。

[1] 刘秋芳. 对拉锚索排桩支护结构在顶进箱桥深基坑中的应用[J].铁道勘察,2013,39(1)：27-29. LIU Qiufang. The application of pulling row pile anchor supporting structure in the box bridge feeding in deep foundation[J].RailwayInvestigationandSurveying,2013,39(1):27-29.

[2] 陈海军, 郝国鹏. 对拉结构在邻近深基坑中的应用[J]. 隧道建设, 2013,33(3):215-219. CHEN Haijun, HAO Guopeng. Application of cross structures in neighboring foundation pits[J].TunnelConstruction,2013,33(3):215-219.

[3] 韩风雷, 宋飞虎. 对拉预应力锚索在基坑支护工程中的受力分析研究[J]. 科技信息,2013(36):212-214. HAN Fenglei, SONG Feihu. Analysis on pulling anchor supporting structure in deep foundation[J].ScienceandTechnologyInformation,2013(36):212-214.

[4] 张力, 张红利. 预应力对拉锚索在桥台引道挡墙加固中的应用[J]. 铁道建设技术,2000(5):30-31. ZHANG Li,ZHANG Hongli. The use of prestressed pulling anchor wire in strengthening the retaining wall of abutment approach[J].RailWayConstructionTechnology,2000(5):30-31.

[5] 金波, 蒋高桥,郝红卫. 预应力水平对拉锚索施工方法在桥台加固中的应用[J]. 路基工程,2003(2):4-5. JING Bo, JIANG Gaoqiao, HAO Hongwei. Application of construction method with horizontal prestressed anchor ropes for strengthening abutment at z-side[J].SubgradeEngineering,2003(2):4-5.

[6] 欧阳仲春.对拉式挡土墙拉杆的内力分析[J].土木工程学报,1986,19(2):65-69. OUYANG Zhongchun. Analysis of tension in tie rods double retaining walls[J].ChinaCivilEngineeringJournal,1986,19(2):65-69.

[7] 李德寅,王邦楣,林亚超.结构模型试验[M].北京:科学出版社,1996:23-28. LI Deyin, WANG Bangmei, LIN Yachao.ModelTestofStructure[M]. Beijing: Science Press,1996:23-28.

[8] 刘晓立, 严驰, 吕宝柱, 等. 柔性挡墙在砂性填土中的土压力试验研究[J]. 岩土工程学报,1999,21(4):505-508. LIU Xiaoli, YAN Chi, LV Baozhu, et al. An experimental study of earth pressure on retaining wall in sandy soils[J].ChineseJournalofGeotechnicalEngineering,1999,21(4):505-508.

[9] 董捷.悬臂桩三维土拱效应及嵌固段地基反力研究[D].重庆：重庆大学，2009 :16-25. DONG Jie.StudyonThree-DimensionalSoilArchingEffectofCantileverPilesandGroundResistingForceActedonItsBuild-inZone[D].Chongqing: Chongqing University,2009:16-25.

[10] 李成芳, 熊启东, 孔凡林. 锚拉桩三维土拱效应数值分析与试验研究[J]. 建筑结构,2011,41(10):97-101. LI Chengfang, XIONG Qidong, KONG Fanlin. Experimental research and numerical analysis of three-dimensional soil arching effect on anchor piles[J].BuildingStructure,2011,41(10):97-101.

[11] 李彦明, 刘晓立. 基坑开挖的试验研究与 Plaxis 结果的比较讨论[J]. 华北航天工业学院学报,2004,14(1):7-10. LI Yanming, LIU Xiaoli. Comparing with results between the test date and PLAIXS program calculation[J].JournalofNorthChinaInstituteofAstronauticEngineering,2004,14(1):7-10.

[12] 李成芳. 预应力锚拉桩三维土拱效应研究[D]. 重庆: 重庆大学,2012:43-47. LI Chengfang.StudyonThree-DimensionalSoilArchingEffectofPre-stressedAnchorPile[D]. Chongqing: Chongqing University,2012:43-47.

Indoor Model Test of Pulling Anchor Supporting Structure

WU Shuguang1, 2, PENG Peng2,3, HAN Peiyu1, 2, ZHENG Huajing1, 2

(1. Key Laboratory of New Technology for Construction of Cities in Mountain Area of Ministry of Education, Chongqing University, Chongqing 400045, P.R.China; 2. School of Civil Engineering, Chongqing University, Chongqing 400045, P.R.China; 3. Changjiang Institute of Survey, Planning, Design and Research,Wuhan 430010,Hubei,P.R.China)

In view of little theoretical and experimental research on pulling anchor supporting structure currently, the indoor model test of the pulling anchor supporting structure was designed and completed independently. Analysis of the test results reveals that the maximum values of internal force of pile and the displacement at the top of the pile both appear in the construction process, rather than the completion of the construction. Different time of excavating and supporting has great influence on the internal force of pile and the distribution of soil pressure. The distribution characteristics of the internal force, the soil pressure and the soil pressure of the baffle in the pulling anchor supporting structure are concluded.

geotechnical engineering; pulling anchor; supporting pile; internal force of pile; soil pressure; adjacent deep foundation pit

2015-10-20；

2016-01-15

中央高校基本科研业务费项目(106112015CDJXY200006)；国家“十二五”科技支撑计划项目(2012BAJ22806-04)

吴曙光(1975—)，男，浙江金华人，副教授，博士，主要从事岩土工程方面的研究。E-mail：wsg1975@163.com。

10.3969/j.issn.1674-0696.2016.06.06

U453.4；TU43

A

1674-0696(2016)06-024-06