高压旋喷锚杆在黄土深基坑支护中的模拟研究

徐龙帅，倪万魁，刘 魁，王百升，姜 骞

(1.长安大学， 陕西 西安 710054； 2.信息产业部电子综合勘察设计院， 陕西 西安 710054)

高压旋喷锚杆在黄土深基坑支护中的模拟研究

徐龙帅1，倪万魁1，刘 魁2，王百升1，姜 骞1

(1.长安大学， 陕西 西安 710054； 2.信息产业部电子综合勘察设计院， 陕西 西安 710054)

为了研究高压旋喷锚杆支护体系在黄土深基坑工程中的工作性状，选取西安某深基坑支护工程为研究对象，运用MIDAS/GTS软件对该支护体系进行了有限元数值模拟，并与二次注浆锚杆支护体系的模拟结果进行了对比分析。结果表明：两种基坑支护方式均可满足该基坑支护的技术要求，但采用高压旋喷锚杆支护时，需要锚杆的总长度为二次注浆锚杆长度的62%，且高压旋喷锚杆筋体可实现回收，降低了锚杆施工对周围土层的干扰，其在黄土地区高边坡及深基坑支护工程中有着广阔的应用前景。

高压旋喷锚杆；二次注浆锚杆；可回收锚杆；黄土地层；基坑支护；数值模拟

高压旋喷锚杆是新开发出的一种新型岩土锚固技术，该技术在高压旋喷桩技术的基础上实现了大直径的锚固体，从而大幅度提高了单锚抗拔承载力，克服了传统锚杆直径较小、抗拔承载力低的缺点。刘全林[1]基于锚杆静载试验，指出软土流变应力控制、桩侧土应力集度控制是高压旋喷锚杆在淤泥质软土基坑中成功应用的关键，并建立了加劲桩的加固和支护刚度计算方法。路威等[2]基于高压旋喷破土扩孔的物理过程，提出一种便于实际应用的高压旋喷锚杆锚固体直径计算方法，并设计现场试验验证了计算方法的实用性。王振刚等[3]选取西安某黄土基坑为试验场地，通过现场试验并结合分析计算，探讨了注浆压力、锚杆孔径大小等因素对二次注浆锚杆预应力荷载大小的影响。于远祥等[4]在已有理论推导的基础上，基于现场拉拔试验，分析了锚固长度、锚索体直径等因素对预应力锚索在特定黄土地层中荷载传递规律的影响。朱彦鹏等[5]结合兰州某地铁车站深基坑工程，对常用支护方案进行了对比分析，采用FLAC3D软件，对基坑典型断面的施工过程进行三维数值模拟分析。王安明等[6]运用有限差分软件FLAC3D对郑州某桩锚支护形式的基坑开挖进行数值模拟，结果表明模拟值和实测值在数值和变化规律上基本保持一致，支护桩的位移沿深度方向大致呈“弓”字形变化。

近几年，高压旋喷锚杆在一些软土地区基坑支护工程中得到成功运用，取得了良好的效益[7-9]。鉴于高压旋喷锚杆在黄土地区的深基坑工程中应用较少，积累的工程经验较少，本文以西安某深基坑支护工程为研究对象，利用有限元软件对高压旋喷锚杆在黄土深基坑支护工程中的工作性状进行分析，并与传统的二次注浆锚杆进行对比，得出一些有益的结论，为高压旋喷锚杆在黄土深基坑支护工程上的推广应用提供参考。

1 高压旋喷锚杆的施工工艺和特点

高压旋喷锚杆是在高压旋喷桩工艺上加以改进而成，在旋转钻头上设置喷嘴，水泥浆在高压力作用下从喷嘴向外喷射，喷射过程中对周侧土体进行切割搅拌，形成大直径水泥土锚固体。其施工步骤为：首先，在黄土地层中机械成孔，直径100 mm；然后将承载板与固定在承载板上的钢绞线套在旋喷钻头上，钻头在推力下沿钻孔逐渐向前推进，同时将承载板及钢绞线带入孔中，直至达到设计深度；最后，钻杆带着钻头退出，承载板及钢绞线留到设计预定位置。其特点主要表现在以下几方面：

(1) 通过喷射水泥浆并与周围土体搅拌形成大直径水泥桩体的同时，起到了加固土体的作用，同时增加了锚固体与周围土层的侧摩阻面积，提高了锚杆的承载能力。

(2) 在旋喷搅拌的同时，直接将承载板及钢绞线带入至设计位置，避免了二次插入承载板和钢绞线对水泥土的扰动，增加了水泥土对承载板和钢绞线的握裹力。

(3) 采用U形可回收的构造形式，通过套管将钢绞线与注浆体相隔离，将无粘结钢绞线绕过承载体弯曲成U形。工作状态时U形钢绞线通过承载板将拉力传递到注浆体；回收时，卸除锚具内同一钢绞线两端头的夹片，对钢绞线的一端用小型千斤顶施加拉力，在钢绞线一端被拉出的同时，另一端的钢绞线被拉入孔内、绕过U形承载体后再被拉出孔外，其构造如图1所示。

1.锚具；2.钢绞线；3.水泥土；4.地基土；5.套管；6.承载板

图1可回收锚杆构造图

2 工程概况

2.1 场地工程地质条件

西安市某深基坑工程[10]，开挖深度17.85 m，基坑侧壁安全等级为一级。场地平坦，勘探范围内地层主要由素填土、黄土、古土壤、砂土及粉质黏土组成，各土层自上而下物理力学参数见表1[10]。勘察期间地下水稳定，水位埋深在地面下16 m左右，为潜水类型，按照地区经验，地下水位年变化幅度1.5 m～2.0 m。

2.2 基坑支护结构设计方案

根据场地条件和工程技术要求，基坑西侧80 m长度范围内采用上部土钉支护加下部桩锚支护的结构形式，基坑上部7 m深度范围内采用土钉墙支护形式，坡比为1∶0.3，共设置4排土钉，土钉水平与竖向间距均为1.5 m，呈梅花型布置。基坑下部采用桩锚支护结构形式，围护桩为钢筋混凝土钻孔灌注桩，桩长28.6 m，嵌固深度10.75 m，桩直径0.9 m，桩身与冠梁均为C30混凝土。腰梁为16号双拼工字型钢。

当采用二次注浆锚杆锚拉围护桩时，锚杆水平间距与桩间距为1.5 m，锚杆的筋体材料为2根直径28 mm的HRB400钢筋；采用高压旋喷锚杆锚拉围护桩时，锚杆水平间距与桩间距为1.8 m。锚杆的筋体材料为φs415.2钢绞线，支护结构到面见图2。

3 计算模型及参数确定

3.1 修正摩尔库仑模型

图2支护结构剖面

本模型中，土体按照不同材料分为7层，采用8节点6面体实体单元进行模拟，土体的本构模型采用修正的摩尔库仑模型，基坑施工前已采取措施降低地下水位，因此本模型不考虑地下水的影响，土体材料参数选取见表1。

表1 各土层物理力学指标

3.2 支护结构及界面参数

围护桩、冠梁和腰梁采用梁单元模拟，锚杆与土钉采用植入式桁架单元模拟，锚杆由钢绞线和注浆体构成，因注浆体材料抗拉性能较差，为了更好模拟锚杆的抗拉行为，锚杆材料取为钢绞线材料，以上材料均为弹性本构模型。支护结构参数见表2。

表2 支护结构参数

模型中桩与土的模量相差较大，在两者的接触界面上常产生较大的剪应力，文献[12]研究表明，不考虑桩与土之间的接触作用将导致计算结果与实际情况产生较大偏差。为了与实际工程更加符合，本模型在桩与土之间设置界面单元，参数按经验取值，见表3。

表3 桩土界面单元参数

3.3 计算模型及边界条件

为更好地分析桩锚支护结构的受力机理和变形特点，本文不考虑基坑的空间效应，将其作为平面应变问题进行数值分析。根据工程经验，基坑开挖的影响范围，在深度方向上大约为2～3倍的开挖深度，在水平方向上为开挖深度的3～4倍，据此，最终定义模型尺寸为：坑内长度40 m，坑外长度60 m，深度为50 m，宽度取四根支护桩的作用范围，采用二次注浆锚杆的模型宽度为6 m，采用高压旋喷可回收锚杆的模型宽度为7.2 m。模型整体见图3。

图3有限元计算模型

模型底部为固定铰支座约束，顶部为自由面，模型立面采用限制水平方向位移的约束。

3.4 施工工况

MIDAS/GTS有限元软件主要通过“激活”和“钝化”单元来实现基坑的开挖与支护。首先对原始地层模型施加边界条件和自重荷载，并归零初始位移，进行开挖前土体的初始应力分析。然后按照基坑施工的顺序“钝化”开挖部分土体，“激活”支护结构和荷载，再“钝化”下一步开挖部分的土体，如此继续，直至结束。按照实际施工顺序，采用二次注浆锚杆支护的基坑主要划分为12个施工阶段：(1) 初始应力分析；(2) 基坑开挖至-8 m；(3) 土钉墙、排桩施工；(4) 第一排锚杆施工；(5) 开挖至-10.0 m；(6) 第二排锚杆施工；(7) 开挖至-12.0 m；(8) 第三排锚杆施工；(9) 开挖至-14.0 m；(10) 第四排锚杆施工；(11) 开挖至-16.0 m；(12) 施工第五排锚杆；(13) 开挖至-18.0 m。

采用高压旋喷锚杆支护的基坑主要划分为11个施工阶段：(1) 初始应力分析；(2) 基坑开挖至-8 m；(3) 土钉墙、排桩施工；(4) 第一排锚杆施工；(5) 开挖至-10.5 m；(6) 第二排锚杆施工；(7) 开挖至-13.5 m；(8) 第三排锚杆施工；(9) 开挖至-16.0 m；(10) 第四排锚杆施工；(11) 开挖至-18.0 m。

4 计算结果对比及分析

4.1 支护桩水平位移

支护桩水平位移结果见图4、图5。由图4可知：两种支护方式的桩体水平位移最大值随着基坑开挖深度的加大而增大，最大水平位移位置也随着开挖深度的加大而向下移动，但始终位于开挖面以上。这种变化规律主要原因是随着开挖深度不断加大、桩体所承受的土压力也不断增大，支护桩向基坑内的位移增大，此时，预应力锚杆的锚固作用逐渐凸显，有效的控制了桩上部的水平位移；桩体下部的嵌固作用有效的控制了其下部的水平位移，从而使桩体的变形曲线呈两头变形小、中间变形大的“鼓肚状”。

图4桩体水平位移曲线

由图5可知：两种支护方式的围护桩最终变形形状相似，且与文献[13]中类似工程中实测的变形曲线相似，证明了本次模拟结果的正确。桩体最大水平位移均位于距桩顶约5 m处，采用二次注浆锚杆时，桩体最大位移19.23 mm，采用高压旋喷锚杆时，桩体最大位移21.70 mm，较前者略大，分析其原因，高压旋喷锚杆与二次注浆锚杆在布置密度上相比，水平间距由1.5 m增大至1.8 m，竖向间距由2.00 m增大至2.75 m，在减少锚杆和支护桩使用数量的同时，也增大了变形控制的难度，但两种支护方式变形相差不大，均满足规范[14]对变形控制的要求。

图5开挖完成后桩体水平位移对比曲线

4.2 坑底土体隆起与坑外地表土体沉降

坑外地表土体沉降见图6，坑底土体隆起情况见图7。由图6可知：随着距离边坡距离的增加，两种锚杆支护模型坑外地表土体沉降量均呈现先快速增大后缓慢减小的特点，沉降规律与文献[15]对西安市深基坑工程的统计结果相符，验证了本次模拟结果的正确。高压旋喷锚杆支护模型在距离边坡坡顶水平距离21 m时，沉降量达到最大值5.01 mm，二次注浆锚杆支护模型在距离边坡坡顶水平距离23 m时，沉降量达到最大值5.13 mm。

图6坑外地表土体沉降量图

对比分析两条曲线可知：在距离边坡坡顶约20 m范围内，高压旋喷锚杆模型比二次劈裂注浆模型沉降量大，分析其原因，这是锚杆长度和锚杆设置密度不同的结果，在锚杆施工过程中，注浆体将对土层起到一定的加固作用，由于二次注浆锚杆间距小，密度大，且其长度比高压旋喷锚杆长，所以在锚杆长度范围内，其沉降量小。在20 m以外范围，两种模型沉降量逐渐趋于相同。

由图7可知，高压旋喷锚杆模型和二次劈裂注浆模型的坑底土体的隆起变化情况大致相同。在距支护桩水平距离约5 m范围内，坑底土体隆起由大变小，原因是围护桩向基坑内的变形，挤压坑内土体使桩体附近的土体向上凸起。距围护桩水平距离5 m范围以外，土体隆起随距离的增大逐渐增大，并在基坑中部的土体隆起量达到最大值，最大值约34 mm。

图7坑底土体隆起曲线

4.3 锚杆轴力分析

表4和表5为两种支护形式中各排锚杆的轴力随开挖深度的变化情况，可以看出高压旋喷锚杆在施工阶段中承受的最大轴力均未超过其承载力设计值，可以认为两种支护方案中，锚杆的选型与布置是合理的。

表4 二次注浆锚杆轴力随开挖深度变化情况统计表

表5 高压旋喷锚杆轴力随开挖深度变化情况统计表

5 结 语

(1) 以西安市某深基坑工程为例，通过有限元计算分析，得出以下结论：两种基坑支护方式下，桩体水平位移均呈现“鼓肚状”；在距离边坡坡顶约20 m范围内，高压旋喷锚杆模型地表土体的沉降量比二次注浆锚杆模型的沉降量大，在20 m以外范围，两种模型沉降量逐渐趋于相同；两种支护方案坑底土体的隆起变化情况大致相同。

(2) 计算分析表明，两种支护方式均可满足该基坑支护的技术要求，但采用高压旋喷锚杆支护时，锚杆使用数量更少。在本工程9 m支护长度范围内，采用二次注浆锚杆支护时，需要锚杆总长度516 m，采用高压旋喷锚杆支护时，所需锚杆总长度320 m，为二次注浆锚杆长度的62%。可大幅度降低施工成本。

(3) 高压旋喷锚杆与普通锚杆相比，单锚抗拔承载能力得到大幅度提升，且筋体可实现回收，降低了锚杆施工对周围土层的干扰，其在黄土地区高边坡和深基坑支护工程中有着广泛的应用前景。

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HighPressureJetGroutingAnchorSimulationinLoessDeepFoundationPitSupport

XU Longshuai1, NI Wankui1, LIU Kui2, WANG Baisheng1, JIANG Qian1

(1.Chang'anUniversity,Xi'an,Shaanxi710054,China; 2.ElectronicComprehensiveInvestigation&SurveyingInstituteofMinistryofInformationIndustry,Xi'an,Shaanxi710054,China)

In order to analyze the behaviour of high pressure jet grouting anchor system in loess deep foundation pit, in the construction of a foundation pit in Xi'an, the finite element numerical simulation of the supporting system is developed by using MIDAS / GTS software and compared with the secondary splitting grouting anchor. The results show that the two kinds of foundation pit support methods can meet the technical requirements of the foundation pit support, but by using high pressure jet grouting anchor, the total length of the anchor is 62% of the secondary splitting grouting anchor, and high pressure jet grouting anchor bar can achieve recovery, reduce the effect of cable construction on the surrounding soil layers, it has a broad application prospect in the high slope and deep foundation pit supporting engineering in Loess Area.

highpresurejet-groutingcable;thesecondarysplittinggroutinganchor;recoverableanchor;loessarea;foundationsupport;numericalsimulation

10.3969/j.issn.1672-1144.2017.05.023

2017-04-24

2017-05-20

陕西省科技统筹创新工程计划项目(2013KTCL03-12)

徐龙帅(1992—)，男，山东郓城人，硕士研究生，研究方向为边坡与基坑支护。E-mail: 1510176606@qq.com

倪万魁(1965—)，男，宁夏固原人，博士，教授，博士生导师，主要从事边坡稳定性方面的研究工作。E-mail: 1326763493@qq.com

TU444

A

1672—1144(2017)05—0134—06