深基坑桩锚支护结构稳定性及受力变形特性研究

闫明慧， 闫 渊

(湖北工业大学土木建筑与环境学院， 湖北 武汉 430068)

深基坑桩锚支护结构稳定性及受力变形特性研究

闫明慧， 闫 渊

(湖北工业大学土木建筑与环境学院， 湖北 武汉 430068)

针对以诸多假定为前提的计算模型并不能真实地反映基坑桩锚支护结构与土层之间的关系,以及桩锚支护体系本身的受力和变形特征等情况，利用数据分析技术，分析桩锚支护结构稳定性的影响因素，随后对该结构的受力情况加以研究，并深入探讨基坑开挖后的受力响应情况。

深基坑； 桩锚支护结构； 受力变形； 稳定性

桩锚支护系统的主要构成包括护坡桩、腰梁、土层锚杆以及锁口梁四部分，对于部分地下水位相对较高的基坑，在支护桩后还设置有防渗土墙等，多个结构间相互影响,相互巩固，使其形成一个有机整体以确保稳固性能[1]。但仍存在部分深基坑施工过程中的桩锚支护结构不够稳固，导致出现护坡失稳问题，不利于工程施工的顺利进行，也加大了施工过程中的安全隐患[2]。因此有必要针对深基坑桩锚支护结构在施工过程中的受力变形及其稳固性进行深入探讨，为提高支护施工稳固性、确保安全奠定理论基础。

1 深基坑桩锚支护结构的数值模拟

拟分析的基坑深度为10 m，基坑倾角呈直角，共分5步进行基坑开挖，每一步骤的开挖深度均为2 m。研究所采取的模型长宽高分别为60 cm、20 cm、30 cm，在此基础上利用平面应变模型对其加以计算，并以Mohr-Coulomb准则作为土体破坏准则。有关参数详见表1。

表1 深基坑桩锚支护模型的参数设置

在该模型中并不存在桩锚单元，仅有单独存在的桩单元与锚杆单元。故而为了将上述二者实现良好结合，需首先确定二者的相交节点，并删除节点链接，随后在二者所形成的边界条件基础上，完成新链接的构建，使力与位移变化分别传递至锚杆单元和桩单元。

2 基坑稳定性计算分析

2.1锚杆长度和基坑稳定性的关系

一系列计算与模拟后得图1，即锚杆长度与基坑安全性的相关关系。

图 1 锚杆长度与基坑安全系数的关系分析

由图1不难看出，随着锚杆长度的增加，基坑的安全性呈关联性上升。当锚杆的倾角维持在30°时，便会出现一个有效锚固长度；超出这一长度后，锚杆长度的继续增加不会引起基坑安全系数随之上升。需明确的是，在其他锚杆倾角的计算过程中并不存在锚固长度这一说法，不同于单一的锚杆加固，在实际的桩锚加固过程中，除了存在锚杆的固定效果，也受到支护桩加固作用的影响。相较于其它曲线，倾角为20°的曲线斜率最大，表明这一倾角条件下，锚杆长度的变化对基坑稳定系数的影响处于最大化状态。由图1还可发现，当锚杆长度处于2～6 m这一范围内，所形成曲线的斜率处于最大值，而在6～12 m范围内较平缓，表明在这一长度区间内，基坑安全系数的取值与锚杆长度的关联性相对更小。

在此基础上对图1中的曲线进行进一步分析发现，可将基坑安全系数与锚杆长度间进行线性拟合，表2为基坑安全系数与锚杆长度的相关性拟合情况。二者相关系数越高表明其与线性关系的相符度更高。对表2数据加以观察比较可知，随着锚杆倾角的不断变大，对应拟合曲线的斜率先增大，而当倾角增加至20°时，其斜率则突然下降，斜率在锚杆倾角为20°时二者的线性拟合关系取得最大值。与图1中的分析结果相一致。

表2 深基坑安全系数(F)与锚杆长度(L)的线性关系拟合相关数值

图 2 锚杆倾角与基坑安全系数的关系图

2.2锚杆倾角和基坑稳定性的关系

图2为当锚杆长度取不同数值时，基坑安全系数与锚杆倾角间的相关性。不难发现，当锚杆长度处于较低水平时，基坑安全系数与锚杆倾角的关联度不高；而在锚杆长度为16 m、18 m时，基坑安全系数随着锚杆倾角的不断增加而表现出先上升后下降的变化趋势；而在倾角=20°时，基坑的安全系数处于最高水平，提示锚杆倾角为20°时即为最佳角度值；在此条件下，随着锚杆长度的不断增加，基坑安全性将随之提升。但在锚杆长度为6 m、倾角10°时，发现该变化曲线存在突变现象，这主要是由于基坑的破坏模式在此条件下发生变化，由原本的浅层滑动变为深层滑动，锚杆对其产生的固定作用明显下降[3]。

3 桩锚支护结构受力分析

3.1锚杆受力分析

考虑到20°为基坑的最佳锚固角度，在实际施工中应用意义最大，故以这一倾角水平为例，分析在锚杆长度发生变化时，桩锚轴力所发生的变化。图3即为锚杆长度变化时，长度方向与锚杆锚固力的曲线关系。对图3进行分析可知，当锚杆长度处于较低水平时，锚固力的大小变化沿锚杆方向呈下降趋势，故而基坑壁表面的锚头处即为锚固力最大部位，表3为不同锚杆长度下的锚杆轴力最大部位。而当锚杆长度进一步增大时，锚固力最大部位则向锚杆内部移动，锚固力在锚杆上的分布情况为先增后减的变化趋势。

图 3 锚杆锚固力与锚杆长度方向的曲线关系图

m

以长度16 m、倾角20°的锚杆为例，将锚固力随着杆体的分布情况绘制如图4。图4中可清楚看出，第一层的锚杆锚固力随着杆体表现出先增后减的变化趋势，其轴力最大值处于锚杆中后部，而其他锚固力则随杆体表现为下降趋势，均在锚头部位得到最大轴力值。

图 4 L=16 m、倾角为20°锚杆的锚固力分布情况图

3.2支护桩受力分析

对支护桩的受力分析将从两个方面进行阐述。第一，当锚杆倾角固定时，桩的轴向压力变化与锚杆长度的变化情况见图5。由图5中不难看出，支护桩所受力以压力为主，且压力值的分布情况随桩身表现出先增大后减小的变化趋势，均在距坑顶12 m左右达到最大压力值。与此同时，桩深度的增加将直接引起支护桩所受压力的大小变化，主要表现为下降趋势。这一问题的出现是桩深度的变化而引起锚固力的上升，使基坑所产生的下滑力以及支护桩的压力值明显下降(图6)。

图 5 锚杆倾角为15°时的桩轴向压力与桩深度的曲线关系

图 6 锚杆长度L=10 m时，支护桩剪力值与桩深度的曲线关系

4 基坑桩锚支护的开挖响应分析

4.1不平衡力

将锚杆长度14 m、倾角20°、桩长14 m的基坑作为案例，对其具体开挖过程中的支护情况进行分析。结果发现，在首次施加应力或开挖等加载施工发生后，整个系统的不平衡力将下降至一个较低水平并在一段时间内维持不变，这一变化特征表明：系统在开挖或施加初始应力时并不会出现整体失稳这一不利现象。在上文中亦指出，这一基坑的开挖施工分为5个部分。由此可知，在开挖过程中的不平衡力存在5个峰值，随后逐渐由峰值下降至零(图7)。这一变化特征所对应的实现机制为：每次开挖都将对基坑土体产生扰动及较大影响，进而使其原有的平衡状态遭到破坏，进入到不平衡状态；而随着开挖后时间的不断推进，不平衡力将逐渐向土体内扩散，其对土体产生的扰动作用也逐渐下降，最终重新形成平衡状态。由本次模型研究还可知，后两次开挖过程的不平衡力相对更大，表明后期开挖会显著影响到深基坑边坡的稳定性。故而在具体基坑开挖过程中，需在这两步开挖过程中采取特殊的处理措施，最大限度避免出现基坑边坡的局部结构失衡而导致整体失稳。但考虑到该模型最终的不平衡力水平趋于零值，提示这一模型并未发生整体失稳[4]。

图 7 不同开挖阶段水平位移随基坑深度的变化曲线

4.2侧壁水平位移分析

图7为桩锚支护结构下，基坑的深度与水平位移间的关系。由图7可知，基坑顶部发生的水平位移值最大，且这一水平位移值与基坑深度间存在负相关关系，每一开挖阶段中基坑的水平位移随基坑深度的变化规律无明显差异。开挖面以下的位移相对较小，每步开挖均会使基坑坑壁出现一定程度的水平位移增量，且开挖深度的不断上升，将引起水平位移增量的上升[5]。在开挖结束后可发现，每步开挖所引起的水平位移增量基本保持一致。

4.3基坑顶部沉降与回弹分析

在深基坑桩锚支护结构中，基坑顶部的沉降量将随着基坑深度的增加而变大，二者具有正相关关系。需注意的是，顶部沉降最大值为距基坑壁4 m处，而不是基坑顶部；且在第三步开挖过程中取得最大沉降变量，表明第三步开挖对基坑的稳定性影响较其它步骤更大。与上文中的结论相一致。

从基坑底部的回弹变量而言，回弹位移随着基坑深度的变化而表现出正相关变化特点，且在基坑底部的中部位置取得最大位移量；不同开挖阶段的底部回弹变量基本一致。此外，考虑到基坑底部均存在一定数量回弹，实际施工中需对此引起重视，避免深基坑施工对地下结构或基坑造成破坏。

4.4开挖过程中支锚杆轴力和护桩受力情况分析

在深基坑桩锚支护结构的开挖过程中，锚杆轴力均沿杆体表现出下降变化特点，且锚头部位均为其轴力最大处；而锚杆的轴力也将随开挖过程的不断推进而增大，这主要是由于锚杆的锚固力发挥其固定作用，且相同层次锚杆的锚固力扩散范围并不会出现较大差距。需注意的是，锚杆的拉应力随开挖进程的变化增量并不具有一致性，故此在构造永久性、具负荷作用的锚杆支护基坑，如需必要可在原有锚杆基础上进一步加长[6]。在开挖过程中由于锚杆与土体界面的摩擦阻力会表现出将锚杆拔出土体的作用趋势，这一摩擦阻力还会随着开挖进程的推进而增大，当锚杆轴力随之增加至最大值后，摩擦阻力的方向发生改变，又将引起锚杆轴力随之下降。

对支护桩轴力在开挖过程中的变化情况进行研究发现，支护桩轴力沿桩深方向的分布并不具有规律性。其具体轴力变化如下：在开挖初期，考虑到基坑土体的下滑力较锚杆所产生的轴向拉力而言明显更小，故而支护桩的初期受力以轴向拉力为主；随着开挖工作的推进，由于基坑土体的下滑力随着深度加大而上升，最终超过固定的轴向拉力值，使支护桩的受力情况由轴向拉力转变为压力，并在某一位置处发生轴力突变，一般的轴力突变处大多位于基坑底部。

在实际开挖过程中，通过对不同开挖阶段内不同时段进行位移检测与对应数据计算，并将计算数值与实际监测的位移数据进行对比，即得图8。进行图形分析可知，在时间间隔相同的前提条件下，相较于其他时段，开挖初期的位移变量相对更大，这一位移变量在后期趋于稳定，且最终的计算量与实际监测位移量并未表现出明显差异，二者的变化规律也具有一致性。比对结果充分表明了这一模型构建与数据计算的可行性及准确性。

图 8 实际监测数据与计算数据的比较分析

5 结语

综上所述，在深基坑桩锚支护中，对支护结构的稳定性与受力变形以及在基坑开挖过程中对上述特性产生影响的因素进行分析，对于实际深基坑桩锚支护结构的安全处理有积极指导意义。研究结果显示：支护桩在开挖过程中的受力以压力为主，且所承受压力值沿桩身呈现为先升后降的变化趋势；而锚杆长度的增加将使支护桩所受压力下降，在开挖过程中的支护桩受力以拉力为主，并随着开挖施工的不断推进而转变为受压状态。因此在深基坑桩锚支护的具体实践过程中，应加强对第4、5步开挖的重视并及时采取特殊的处理措施，以便进一步确保基坑支护的稳定性，使深基坑施工的安全性得到良好保障。

[1] 刘自由.基坑应变软化的桩锚支护数值计算[J].中南大学学报(自然科学版),2012(7)： 1672-7207.

[2] 吴文,徐松林.深基坑桩锚支护结构受力和变形特性研究[J].岩石力学与工程学报,2001(3):1000-6915.

[3] 张迪.深基坑桩锚支护体系受力特性及变形研究[D].武汉：中国地质大学，2010.

[4] 白云哲.桩-锚支护结构在岳家嘴地铁站深基坑工程中的应用研究[D].武汉：中国地质大学，2012.

[5] 朱桂春,刘兴鑫,韩武娟.深基坑桩锚支护体系的受力变形研究及优化设计[J].安全与环境工程,2012,19(1):1671-1556.

[6] 郭晓军.深基坑桩锚支护技术及施工工艺[J].城市建设理论研究,2012,(20):2095-2104.

[责任编校：张岩芳]

StabilityandDeformationCharacteristicsofPile-AnchorRetainingStructureinDeepFoundationPit

YAN Minghui, YAN Yuan

(SchoolofCivilEngin.,Architectureand,HubeiUniv.ofTech.,Wuhan430068,China)

The pile-anchor support system is a new type of supporting structure developed in recent years with the development of foundation pit engineering. It is widely used in geotechnical engineering because of its strong engineering applicability, but at present the calculation model based on many suppositions can not reflect the relationship between the pile anchor support structure and the soil layer, and the stress and deformation characteristics of the pile anchor support system. This paper, using data analysis technology, analyzes the influencing factors of the stability of the pile-anchor supporting structure stability, then studied the structure of the force, and the depth of the excavation stress response, so as to provide a theoretical reference for the construction process.

deep foundation pit; pile anchor supporting structure; force deformation; stability

2016-11-27

闫明慧(1989-)，女，湖北黄冈人，湖北工业大学硕士研究生，研究方向为力学

1003-4684(2017)05-0026-04

U238

A