长春市某深基坑工程的预应力锚索轴力分布研究

吴丽萍，杨明月，赵彦星

(长春工程学院，吉林 长春 130012)

0 前 言

桩锚支护结构是近年来被广泛应用的基坑支护形式，特别适用于周围有建筑物的狭窄施工场地，能够有效地保证基坑的安全稳定[1]。在桩锚支护体系中，预应力锚索技术起到关键作用，能够有效增强土体的承载力，削弱土体的下滑力，是一种主动的支护形式[2-3]。

目前，相关学者已经做了大量试验，将锚索预应力的变化分为三个阶段：快速下降阶段、波动变化阶段、稳定阶段[4-5]，对预应力锚索的轴力变化规律进行了一些研究，已取得一定成果。但是对于锚索自由段和锚固段的轴力分布规律的研究还有待深入，比如随着基坑的逐步开挖卸荷，锚索的内力分布变化；下一层锚索的施加，对于上一层锚索轴力产生的影响；当施加锚索时，张拉预应力的大小，对锚索轴力损失程度的影响等。因此，针对这些问题，本文以长春市某深基坑为背景展开研究，并通过Midas GTS NX有限元软件进行了数值模拟，分析了基坑开挖过程中锚索轴力分布的变化规律，并与实际监测数据进行了对比，为预应力锚索的轴力研究提供了依据。

1 工程案例

1.1 工程概况

某项目位于吉林省长春市，是一座超高层建筑的深基坑工程。拟建建筑物为2幢超高层建筑(A塔44F，B塔49F)和4层地下室，场地狭小，基坑周围环境复杂，基坑形状不规则，开挖面积约12 003 m2，平均开挖深度约20 m。

1.2 工程地质条件

拟建场地内地层分布：上层为填土层、第四系黏性土层、砂层，下层为白垩系泥岩，详细土体参数见表1。

表1 土层物理力学参数

基坑支护范围初见水位埋深 4.00～14.00 m，稳定水位埋深 4.70～10.40 m，稳定水位标高 207.49～211.85 m。

1.3 基坑支护设计参数

本文选用基坑西侧支护段进行基坑建模，该支护段采取钢筋混凝土桩+预应力锚索支护。支护桩桩顶标高为0.600 m，桩径0.8 m，桩间距1.2 m，桩长30.0 m，嵌固深度 5.4 m。从上到下共布置7道预应力锚索，锚索材料采用低松弛高强度钢绞线，倾角为15°，锚孔孔径为 0.11 m，注浆采用 M20 级水泥浆，第1道锚索布置在桩顶往下 2.5 m处，锚索的轴向拉力设计值为156 kN，每排锚索的详细设计参数见表2。

表2 各层锚索设计参数

地面超载取作用宽度为8 m的均布荷载，荷载值为15 kPa。

2 数值模型建立

考虑到支护场地的地质条件、支护形式及周围环境，将数值模拟过程简化，为了方便计算，采用基本假定如下。

1)假定各类土体均为理想的弹塑性材料。

2)假定各结构单元均为完全弹性体。

3)假定不考虑地下水对支护结构的影响。

取依托工程西侧中部建立二维模型，建模时考虑基坑影响深度为基坑开挖深度的3～5倍，影响宽度为基坑宽度的3～5倍，故建立高为72 m，宽为155 m的二维平面模型进行数值计算。

岩土体采取修正摩尔-库伦本构模型，微型钢管桩采取梁单元，锚索采取植入式桁架单元，有限元模型如图1所示。

图1 有限元模型图

3 模拟结果及分析

3.1 锚索轴力分布规律

本工程数值模拟中共分为7步开挖，共布置7排锚索，分步开挖，每开挖至锚索标高位置下0.5 m处，施加1道预应力锚索。针对这7排锚索，进行数值模拟，分析锚索轴力沿锚索长度方向分布规律，可以看出各排锚索轴力变化规律基本一致，模拟结果如图2所示。

图2 各排锚索轴力分布图

从图2可以看出：①锚索轴力均匀分布在自由段上，且轴力值基本稳定，在锚固段呈曲线型并呈下降趋势，整根锚索轴力分布类似锥形；②在自由段内，锚索轴力表现为直线型，轴力值最大；③在锚固段内，锚固段起始端0～3 m位置应力高度集中，轴力值相对较大，3 m位置以后，轴力值迅速降低，末端轴力值几乎为0，轴力值最小。

分析认为产生上述现象的原因为：①在自由段内，钢绞线不直接承受土体侧阻力，相当于一端固定、一端自由的杆件，锚索轴力为均匀分布；②在锚固段内，由于泥浆对钢绞线的约束，由泥浆、锚索、土体共同组成的锚固体将锚索轴力分担给周围土体，因此，锚索轴力逐渐减小，并最终趋于0。

3.2 锚索轴力随基坑开挖的变化规律

随着基坑开挖及下层锚索施工，上层锚索轴力值也会发生变化，依据数值模拟分析结果，记录得到锚索轴力随开挖的变化规律如图3所示(以四排锚索为例)。

从图3可以看出：①开挖完成后，自由段轴力值增量较小，变化区间为8～20 kN，锚固段轴力值增量较大，变化区间为 45～65 kN，可见锚索轴力逐渐向锚固段集中，锚固段受力越来越大；②预应力锚索施工后，发生较大的轴力损失，随着土体开挖及下层锚索的施工，轴力首先呈下降趋势，然后又呈上升趋势，到达一定值后又逐步趋于稳定。

具体的锚索轴力损失情况见表3所示，由表3可知：本工程锚索轴力损失率比较大，从上到下，随着锚索轴力设计值依次增大，锚索轴力的初期损失率和开挖完成损失率均增大，可以看出，锚索轴力越大，损失率越大。

表3 锚索轴力开挖损失率

第1排锚索轴力初期锁定值为82.82 kN，第2排锚索施加后，其锚索轴力下降5.24 kN；第2排锚索轴力初期锁定值为81.82 kN，在第3排锚索施加后，其轴力仅下降0.42 kN，第3排锚索初期锁定值为93.37 kN，但在施加第4排锚索后，第3排锚索轴力增加3.5 kN，此时，下排锚索的施工已经不会导致上层锚索轴力损失。可以看出，锚索位置越靠近桩顶，受下层锚索施工影响越大，损失现象越明显。

分析认为，产生上述现象的原因为：在施加锚索初期，锚索预应力对土体产生主动作用力，使土体发生背离基坑方向的变形，因此，锚索显示出一定的轴力损失，但随着基坑的不断开挖，土体在主动土压力的作用下向基坑方向变形，使锚索轴力增长，并趋于稳定。

3.3 监测与模拟对比

依据对实际工程的监测，并将监测值与模拟值比较分析，以第1排锚索监测为例，两种结果的轴力变化曲线如图4所示。可以看出：模拟结果值偏大，而实际监测值偏小，这是由于实际工程又具有诸多可变性，然而，该模型没有考虑地下水和周围环境对基坑的影响，数值模拟具有一定的有限性，计算出的锚索轴力结果是锚索分段后的平均轴力，结果小于模拟值。但两种结果变形趋势大致相同，锚索轴力皆表现为快速下降、波动上升、趋于稳定三个阶段，证明了Midas GTS NX数值模拟分析基坑工程的可实行。

图4 第一排锚索轴力变化曲线

4 结 论

1)依据对模型计算结果的锚索轴力随基坑开挖的变化规律分析，可以看出,模拟结果与实际工程的监测结果基本一致，证明了Midas GTS NX数值模拟分析基坑工程的可实行。

2)整根锚索轴力分布类似锥形，锚杆轴力均匀分布在自由段内，在锚固段中，应力高度集中在锚固段开始处0～3 m位置，3 m位置后，轴力值迅速减小，末端轴力值几乎为0。计算和实测结果表明，锚固段在一定长度内发挥作用，超出一定长度后轴力为0，锚固段已不再发挥作用。

3)随着土体开挖及下层锚索的施工，锚索轴力逐渐向锚固段集中，锚固段受力越来越大，由上向下呈递增趋势。同时，下一层锚索的施加会对上一层锚索造成轴力损失，且锚索越靠近桩顶位置，损失现象越显著。在基坑施工过程中，锚索轴力先呈下降趋势，随后又呈上升趋势，到达一定值后又逐步趋于稳定，这与前文提到的相关学者对于锚索轴力变化规律的研究吻合。本工程锚索轴力初期损失率较大，约46.9%～58.1%，开挖完成损失率约24.9%～41.7%，且轴力越大、损失越大。故为减少轴力损失、避免轴力损失产生的影响，设计时可适当提高轴力设计拉力值。