基坑锚杆支护施工工艺与数值模拟研究

刘立伟 张吉庆 侯中伟 张子明

(青岛瑞源工程集团有限公司，山东 青岛 266555)

1 概述

基坑工程由于不确定因素较多，具有一定的危险性。特别是在锚杆支护结构施工过程中，锚固体与土体间力学作用复杂，稍有不慎就会影响支护效果，危害基坑安全。李明瑛等[1]基于Midas软件建立了三维深基坑模型，研究了基坑开挖及地下室施工过程中挡土桩的水平位移、竖向位移以及锚杆锚固力等的变化规律，为变形控制设计与工程监测提供依据。李永[2]利用ANSYS有限元软件对基坑的开挖过程进行了数值模拟，研究由于对锚杆施加预应力而产生的应力集中现象，使得桩与锚杆接触部位的周围小范围内应力相对较大。贾金青等[3]利用FLAC软件模拟了基坑支护中，锚杆形式对锚杆预应力设计值的影响及其对滑移带的影响进行了研究。钟连祥等[4]利用有限元软件Midas对深基坑桩锚支护结构进行了数值模拟研究，通过对比基坑土体变形值和实际监测变形值，验证了此模型的准确性和可行性,得出锚杆轴应力在自由段分布均匀，在锚固段逐渐减小的变化规律。此外，深入分析了深基坑桩锚支护结构变形的影响因素。

2 锚杆支护设计基本理论

2.1 锚杆设计计算

轴力计算：

通常将锚杆视作简支梁，然后用近似计算的方法来计算锚杆的支护轴力：取宽为基坑侧壁上相邻两排锚杆间距，高为基坑侧壁高度的梁模型，模型中锚杆轴心受拉力，其大小为：

(1)

其中，Rn为基坑侧壁支反力；α为面层竖向倾斜角度;β为杆件与水平方向夹角。

承载力计算：

锚杆支护结构的目的是保证极限状态下不会被从支护体中拔出，因此锚杆承载力需要满足三个条件：

1)杆体抗拔力要求：

(2)

2)锚固段抗拔力要求:

(3)

3)锚下结构承载力:

TR≤R

(4)

其中，fyk为钢筋抗拉强度标准值；d为杆体部分直径；D为钻孔直径；n为锚杆杆体根数；fmg为地层土体和注浆体的粘结强度；fms为锚杆和注浆体部分粘结强度；R为锚下结构部分保证整体稳定状态下的承载力最小值。

2.2 锚杆的施工与施工监测

2.2.1施工

锚杆支护结构的施工质量会影响到基坑的安全、成本和质量，其主要包含以下施工过程：

1)锚杆钻孔作业。

锚杆的钻孔成孔作业关乎锚固结构的成本、工期和质量，是锚杆施工中的重要工序。钻孔作业必须按照设计图纸及相关规定进行操作，将钻孔直径、孔深、倾角等严格控制在误差允许范围内。为确保钻孔质量，钻孔过程可根据地质条件采用干法或湿法作业，使用冲击钻或旋挖钻进行操作。

在我国传统的肉羊养殖过程中，在饲料加工利用方面的技术是较为匮乏的，通常是利用养殖地区秸秆资源来进行粗放式饲养，但是由于作物秸秆中所含有的木质纤维以及纤维素非常丰富，营养能量较低，使得在这种粗放式饲养的过程中肉羊对于秸秆的消化和吸收较为困难，不但会造成饲料的浪费，同时也不利于肉羊增重。为了更好的提升肉羊对秸秆的吸收，可以对秸秆进行发酵处理，通过微贮加工技术来有效的提升肉羊对于饲料中养分的吸收率，从而使肉羊可以迅速增重。

2)锚杆安装。

打入岩土层的锚杆在被拉拔至平衡状态的过程中，预紧力会逐渐丧失，为起到降低预紧力损失的效果，锚杆杆体通常采用强度较高的钢筋或钢绞线。锚杆安装前要仔细检查确认上一步的施工质量，避免浪费材料和时间。

3)锚杆注浆。

锚杆中锚固所用灌浆根据岩土体性质可选择水泥砂浆或水泥浆，利用注浆泵，以0.1 MPa～12 MPa的注浆压力注入岩土体，使得锚杆和周边岩土体锚固成整体。

4)预应力张拉。

若使用预应力锚杆则需要对钢筋、钢绞线进行张拉以产生预应力，普通锚杆不需要进行张拉作业。

5)锚杆防腐。

由于锚杆工作环境为岩土体，岩土体内含酸/碱性水、金属离子等腐蚀锚杆的不利因素，因此需要对锚杆进行外露段涂沥青、杆体用砂浆封闭等防腐工作。

2.2.2监测

基坑施工过程中监测的目的是及时掌握支护体的变形、锚杆轴力变化等情况，通过对当前支护效果的评价来指导下一步设计和施工工作。需要监测的内容有以下几点：

1)变形：包括基坑沉降量以及基坑侧壁位移量，还有基坑周边道路、建筑的下沉量；

2)力：包括锚杆所受轴力和剪力。

3 基坑锚杆支护数值模拟

以青岛南下庄小区基坑为背景。

3.1 数值模型

基坑模型尺寸为长×宽×高=260 m×10 m×30 m，为摩尔库仑本构关系。从距离模型左边界60 m处开挖，第一次开挖2.5 m深，在距离基坑开挖顶部2.2 m处布置15 m长锚杆，倾斜角度为25°，横向排距为2 m；第二次开挖2 m，布置第二批长度11 m的锚杆，纵向间距1.6 m，横向排距2 m，倾斜角度为25°；第三次开挖2 m，布置第三批长度9 m的锚杆，纵向间距1.6 m，横向排距2 m，倾斜角度为25°；锚杆布置如图1所示。

3.2 模拟结果分析

3.2.1基坑变形分析

监测基坑侧壁上距顶部2 m处点的变形，导出未支护方案和锚固支护下监测点的水平位移变化趋势图如图2所示。

从图2中可以看出，未对基坑侧壁进行锚固支护时，其经过三次开挖，变形呈显著增大趋势，最大约达到10 mm，通过锚固支护后，基坑侧壁变形减缓，第三次开挖后变形约为4 mm，降低了60%，说明锚固效果明显。

3.2.2锚杆轴力分析

监测三次开挖下锚杆最大轴力，制作最大轴力变化趋势图如图3所示。

从图3可以看出，随着开挖深度增加，锚杆轴力不断增大，还发现锚杆轴力峰值出现在第一次支护的锚杆上，说明土体开挖使得基坑侧壁上土体产生倾斜下滑的趋势，此趋势随开挖深度增加愈发明显，这将导致锚固体与土体间摩阻力提升，锚固效果得到增强，可以防止土体发生滑移破坏。

4 结语

本文浅谈了锚杆支护设计的基本理论，论述了锚杆支护施工中的注意事项和监测内容，然后以青岛地区某基坑工程为背景进行有限元模拟，通过监测有无锚固支护两种方案下基坑侧壁变形与锚杆轴力变化趋势，发现锚固可以显著降低基坑侧壁水平位移，且锚杆轴力峰值出现在第一次支护的锚杆。