基坑工程中桩锚支护结构的力学变形特性研究

陈涵，雷鸣，程成，汪中林

(长江大学城市建设学院，湖北 荆州 434023)

基坑工程中桩锚支护结构的力学变形特性研究

陈涵，雷鸣，程成，汪中林

(长江大学城市建设学院，湖北 荆州 434023)

桩锚支护体系是基坑工程中常用的支护形式，由于其独特的支护特性和受力性能，在工程实际中被广泛应用。为研究桩锚结构的力学变形特性，结合某深基坑工程实例，运用岩土有限元软件MIDAS GTS NX，分析预应力锚杆和普通注浆锚杆组成的桩锚支护结构的力学变形规律。结果表明，在基坑开挖到底后，预应力锚杆+排桩的支护结构，排桩的最大水平位移为13mm，预应力锚杆的最大轴力为145kN；普通注浆锚杆+排桩的支护结构，排桩的最大位移值为28mm，注浆锚杆的最大轴力为53kN；相比普通注浆锚杆而言，预应力锚杆具有较好的限制变形能力，该研究成果可为类似工程提供一些参考。

基坑支护；MIDAS；预应力锚杆；注浆锚杆

基坑工程在岩土工程领域占有很重要的地位，是整个建筑安全的关键。随着时代的发展，基坑工程项目越来越多，所涉及到的工程地质条件越来越复杂，支护方法和支护结构也更加多样，人们对基坑支护的安全性、实用性和适用性提出了更高的要求[1～4]。在众多支护形式中，利用排桩+锚杆(索)组合的支护结构体系由于其支护效果好、安全可靠、便于施工和开挖等一系列特点，被广泛的应用到工程生产中[5]。但目前对预应力锚杆支护技术的理论研究相对滞后于工程实践。朴龙泽等[6]采用理论分析方法与有限元法，研究了预应力锚索锚根处的应力特征。尤春安[7]根据锚固系统的受力特征研究了预应力锚杆锚固段的应力分布规律。高永涛等[8]根据弹性力学共同变形原理，得出预应力锚杆承载过程中锚杆轴力及其变形的计算公式。在众多支护形式中，桩锚支护与内支撑结构相比，具有支护空间较小、施工便捷、造价低等优点；与水泥土墙支护相比，具有材料用量少、污染小、适用性广等优点；与土钉支护相比，桩锚支护可以更好的控制土体变形[9]。

显然，桩锚支护在众多支护形式中优势明显，但是常规锚杆的作用机理仍然是被动受力，即土体产生位移之后，锚杆的作用才能得以发挥，这对高质量的基坑支护和临近建筑的整体性很不利[10,11]。为了减少甚至是消除这种安全隐患，采用排桩+预应力锚杆支护结构可以很好解决这一问题[12,13]。下面，笔者结合基坑工程实例，对基坑开挖过程中土体的变形进行了模拟，结合理论分析和数值模拟，总结了桩锚支护体系中土体的变形规律。

1 工程概况及方案设计

1.1 工程概况

该项目地上19层，地下1层，框架剪力墙结构，地下室基坑支护设计后的基坑面积1955.5m2，基坑周长184.2m。地下室主楼部分为钻孔灌注桩基础，基坑边缘承台布置较密，基坑开挖深度计算到边承台垫层底，基坑边缘承台垫层底普遍标高为-8.80m，则实际设计计算深度为8.5m；承台垫层底普遍标高为-10.10m，则实际设计计算深度为9.8m。

1.2 方案设计

根据场地的周边环境及地质情况，基坑的支护形式为排桩+预应力锚杆支护。支护桩直径800mm，C30混凝土，桩间距1300mm。锚杆采用直径25mm的HRB400级钢筋，锚杆的水平间距为1.3m，倾角20°，上下2排锚杆竖向间距2m。上排锚杆设计拉力值为265kN，下排锚杆设计拉力值为210kN，实际施加的预应力为140kN。

2 数值模拟分析

2.1 设计参数

表1 基坑支护设计土层参数

基坑支护设计相关的土层参数如表1所示。

综合考虑基坑土方分层开挖的影响，锚杆采用预应力锚杆，上下2排锚杆间距为2m，锚杆水平间距为1.3m，倾角20°。第1道锚杆自由段长度为6m，锚固段长度为12m；第2道锚杆自由段长度为5m，锚固段长度为10m。根据相关研究结论，不能对锚杆施加过大的预应力，以免桩体过分后移而使受力条件恶化，危及强度和整体稳定性安全，施加的最佳预应力值为锚杆设计拉力的60%左右[14]。工程锚杆设计拉力值为265kN和210kN，为达到较好的支护效果，锚杆施加预应力为140kN。

2.2 数值模拟

利用岩土有限元分析软件MIDAS GTS NX模拟分析排桩+注浆锚杆支护和排桩+预应力锚杆支护这2种不同情况下的周边土体及支护结构体系的变形规律。由于工程土质及周边环境并不十分复杂，为简化建模采用二维平面模拟，岩石的本构模型选用岩土工程中常用的摩尔-库伦模型。为了方便比较常规锚杆和预应力锚杆的特性，左边上下2排锚杆施加140kN的预应力，右边上下2排锚杆不施加预应力。重点研究锚杆的支护特性，故未设置内支撑，开挖后基坑2侧的相互影响可以忽略不计，为了更直观的比较，在同一基坑内设置普通注浆锚杆和预应力锚杆，开挖后网格图如图1所示。

图1 开挖后网格图

3 结果对比分析

3.1 支护桩侧向位移对比分析

从模拟结果(见图2和图3)可以得出，由于左边2排锚杆施加了预应力，其所在一侧的排桩侧向位移较小，模拟结果显示最大位移值为13mm；而右边2排锚杆未施加预应力，其所在一侧的排桩侧向位移较大，模拟结果最大位移值为28mm。根据《基坑工程技术规程》(DB42/T159-2012)，该工程属于一级基坑，且a

图2 基坑位移云图

图3 排桩位移云图

3.2 锚杆轴力对比分析

开挖后锚杆轴力云图如图4所示。由于左右2侧排桩间并未设置内支撑，故左右2侧锚杆间的相互影响可以忽略不计。左侧上下2排锚杆施加140kN的预应力，开挖后最大轴力为145kN，且小于锚杆的极限设计值210kN；右侧上下2排锚杆未施加预应力，开挖后最大轴力仅为53kN，远小于锚杆的极限设计值，没有充分发挥锚杆的锚固作用。从模拟结果可知，预应力锚杆可以有效的控制基坑的变形，而未施加预应力的注浆锚杆，在基坑开挖后被动受力，该侧基坑变形较大，且没有发挥锚杆的最大作用。显然，预应力锚杆较普通注浆锚杆具有更佳的支护效果。

图4 锚杆轴力云图

4 结论

采用MIDASGTSNX有限元软件对该深基坑排桩+预应力锚杆支护结构进行了数值模拟，分析了排桩的水平位移变形和锚杆的受力特性，得出以下结论：

1)MIDASGTSNX计算的结果规律是正确的，且与实际的基坑变形特性一致，即模拟与实际的吻合度较高，模拟结果可为实际施工提供指导。

2)通过对比发现，预应力锚杆比普通注浆锚杆具有明显的优势，预应力锚杆作用的发挥可以较好的控制排桩的位移变形，表明了预应力锚杆在基坑工程中的优越性；预应力锚杆虽然比注浆锚杆单价高，但是其锚固效果远优于注浆锚杆，且长期经济效益较高，可在基坑工程实际中推广应用。

3)锚杆预应力的大小对排桩变形影响较大，后期将在施加预应力的大小如何取值对基坑支护最有利等方面做进一步的研究。

[1]冯永. 光大银行基坑支护方法的比较与数值模拟[D].长春：吉林大学,2015.

[2]王立军. 深基坑桩锚支护优化研究及数值模拟[D].西安:长安大学,2014.

[3]白启树. 高应力软岩回采巷道预应力锚杆-锚索支护技术研究[D].武汉:武汉理工大学,2014.

[4]郭宗斌. 桩锚基坑支护与数值模拟分析[D].邯郸:河北工程大学,2013.

[5]曹剑波. 深基坑桩锚支护及工程应用研究[D].武汉:中国地质大学,2010.

[6]朴龙泽,李正国,刘志国，等.锚根合理设计长度的分析[J].水力发电，1996(7):45～49.

[7]尤春安.锚固系统应力传递机理理论及应用研究[D].青岛:山东科技大学，2004.

[8]高永涛,昊顺川,孙继海.预应力锚杆锚固段效应应力分布规律及应用[J].北京科技大学学报，2002, 24 (4): 387～391.

[9]周勇,朱彦鹏. 预应力锚杆柔性支护体系的锚杆抗拔力研究[J]. 岩土力学,2012,33(2):415～421.

[10]郑卫锋. 深基坑预应力锚杆柔性支护力学性能的研究[D].大连:大连理工大学,2007.

[11]陈东印. 地下工程预应力锚杆支护数值模拟分析[D]. 青岛:山东科技大学,2005.

[12]田甜. 长春万盛基坑支护设计与数值模拟分析[D]. 长春:吉林大学,2012.

[13]董诚,郑颖人,陈新颖,等. 深基坑土钉和预应力锚杆复合支护方式的探讨[J]. 岩土力学,2009,30(12):3793～3796+3802.

[14]陈娟. 基坑桩锚支护体系现场试验与数值模拟研究[D].长沙:中南大学,2008.

[编辑] 计飞翔

2016-12-01

湖北省自然科学基金项目(2015CFB667)；湖北省教育厅科学技术研究项目(Q20141307)；大学生创新训练计划项目(2015004)。

陈涵(1981-)，男，硕士生，现主要从事工程项目管理方面的研究工作。

雷鸣(1974-), 男，博士，副教授，现主要从事工程项目管理方面的教学与研究工作,88456455@qq.com。

TU470

A

1673-1409(2017)05-0060-04

[引著格式]陈涵，雷鸣，程成，等.基坑工程中桩锚支护结构的力学变形特性研究[J].长江大学学报(自科版)，2017,14(5)：60～63.