深基坑桩锚支护结构和土体之间协同作用

黄新

【摘要】现如今，对于深基坑桩锚支护结构的研究越来越深入，但是，其与土体之间的协同作用分析比较少。对此，本文首先对桩锚支护结构的应用范围进行介绍，然后桩锚支护与土体相互作用进行详细探究。

【关键词】桩锚支护结构;支护特点;协同作用

1、引言

在深基坑施工中，桩锚支护结构可起到主动支护的作用，能够有效降低土体结构的下滑力，保证深基坑结构稳定性。在国内外很多深基坑工程研究中，都有对于预应力锚索与土体、支护桩与土体相互作用的研究，但是，对于桩锚支护结构与土体之间协同作用的分析并不全面，因此，亟需对深基坑桩锚支护结构和土体之间协同作用进行深入研究。

2、桩锚支护结构的支护特点和适用范围

支护桩与锚杆支护可作为一种整体加固结构，通过土压力变化情况，即可显示出实际支护效果。在深基坑开挖施工中，如果桩身结构受到基坑底部水压力、基坑以外土体等因素的影响，就会发生侧向移动，同时还会向坑内发生倾斜。在支护桩锚固范围中，深基坑土体中会产生被动土压力，同时，支护桩也会向深基坑内侧发生倾斜，二者可发挥相互抗衡的作用，同时，锚杆预应力还可有效抵御土体压力。如果在桩锚施工中，在锚固范围内，锚杆加固与土体被动土压力的综合大于支护桩主动土压力，则能够达到良好的支护效果。

3、支护桩与土体的协同作用

支护桩是由锚固段侧向地基岩土抗力抵抗土压力的横向受力桩，桩后土压力的传递方式：第一，桩身嵌入基坑坑底以下的部分产生的抵抗矩;第二，桩侧土体与桩身的负摩阻力。维持基坑的稳定是靠多种因素共同决定的，依靠以上两种方式，将桩后土体压力进行传递，直到离桩身较远的稳定地层，以其未被扰动的特性抵消这部分土压力。支护桩与土体互相作用可以从以下几个方面着手：（1）支护群桩与土体作用时产生的土拱效应，掌握其荷载的传递机理。（2）支护桩与土体相互作用时，作用在桩后土压力分布形式的确定，不同土质条件就决定了其分布形式的不同，矩形是比较常见的形式，此外还有三角形、梯形等分布形式;再加上基坑周边荷载对支护桩的作用，受力形式的简化要尽可能准确。（3）对桩身内力进行研究时，首先要建立一个恰当的计算模型，对桩土相互作用而言，一般是把土体当成是土弹簧单元模拟;另外，计算方法的选取对计算结果的影响也不可忽略。

4、锚杆与土体的协同作用

4.1预应力锚杆的基本原理

锚杆加固土体的主动性体现在两个方面：一方面将其施加的预应力通过锚固段、再通过注浆体主动传到稳定土层深处;另一方面主动抵挡外界压力或构筑物带来的外荷载，以达到维持整个体系平衡稳定的目的。从以下幾个方面对预应力锚杆加固土体的力学作用和基本原理进行描述：

（1）锚杆的预应力值是通过与之相接触的土体获得的，其利用了土体自身的力学特性。其加固原理可表现为锚杆周围土体物理性能的改善，围岩抗剪强度、内聚力等参数都会随之增强;另外还可以在基坑开挖过程中维持其稳定。这就需要被加固的土体自身有足够的强度，能够抵抗锚杆施加的预应力。而在深基坑桩锚支护结构中，锚杆、支护桩与土体组成了一个相互作用的整体，锚杆主要起受拉构件的作用，支护桩起主要起受压构件的作用，锚杆通过周围土体与支护桩传递土压力，土压力的大小则决定了整个体系的受力状态。（2）预应力锚杆有许多优点：第一，增大了土体软弱土层的抗剪强度，使其力学性能优势有效地发挥，是保持基坑稳定性的前提;第二，改变了支护桩单独支护土体时的受力状态，将其传统的悬臂梁式特点改变为支座简化了的梁式受力特点，使其能够有效加固土体。（3）预应力锚杆在增强了地层稳定性的同时，也改善了岩土体的受力性能。普通支护桩的受力特点是，不管是桩身自由段还是锚固段，其弯矩值表现形式单一;而预应力锚杆使得桩身弯矩发生了变化，它把前者正的弯矩值一部分变为负的弯矩值，而且最大弯矩值的位置也发生了变化（如图1、图2），弥补了普通单桩支护受力上的缺陷，使荷载均匀地分布于整个支护桩上。

其实，当土体表面发生松动现象或者使土体本身表现出更大的力学作用时，才需对锚杆施加预应力，以达到所需目的;对于普通的土体，锚杆仅仅是一个加筋效果。这也体现了“加固”二字的意义，对具体工程而言，并非所有的锚杆都要施加预应力，而是以安全经济为原则制定施工方案。

4.2预应力锚杆的力学作用

4.2.1抵抗倾倒的作用

一般来说，建筑结构物转动边上的正、负弯矩值决定了抵抗倾倒的稳定性。可用下述关系式来表现建筑结构物是否稳定，或是否会发生倾倒。而结构物的重心到基底边上的距离决定了对建筑物结构稳定性有优势的负弯矩值。施加锚固力可谓是有效的改进建筑结构物稳定性的方法之一。

4.2.2抵抗竖向位移的作用

在基坑工程中，若坑内地下水位较高，使得支护物自身重量小于地下水浮力。则有可能会发生竖向变位引起的破坏。这种形式的破坏还常发生于车库、水库等水的上浮力比较大的结构中。这种破坏形式是由自然因素和人为因素共同决定的，其一是因为对上浮力的值不能准确的掌握;其二是由于设计师按最不利荷载设计的结构不经济性。为了防止这种形式的破坏，可采取增加结构物自身的重量或将结构物锚固在下卧土层中的方法。

4.2.3控制岩土体变形的作用

基坑开挖会扰动岩土体，使其最初的平衡状态发生变化，比如岩土体松动、岩石变形甚至是破坏等。传统的维持土体稳定的方式是采用支架和混凝土等具有一定强度的材料进行初衬，这种方式不仅造价高而且施工进度缓慢。新型的锚固方法随着锚杆技术的成熟应运而生：第一，使用普通锚杆来承受一部分拉力和剪力以达到稳定岩土体的目的;第二，从控制变形的角度出发，新型的预应力锚杆在提高岩土体的相关性能外，还能起主动支护的效果，有效控制土体位移。

4.2.4防止岩层剪切破坏的作用

剪切破坏通常在边坡事故中常见，当土体的自重力加外荷载力超过使支挡结构物所能承受的抗力限制时，在软弱土层界面会出现这种破坏形式。土体性质不同，剪切破坏的位置和形状也不同。在坚硬的土质条件下，破坏面会在一些薄弱层上出现，比如断层等;在相对较软土质条件下，破坏面形状比较平整，而含水量较大的粘土等，破坏面并不平整。为了防止岩层发生剪切破坏，直观的方法之一是削坡，直到边坡土体到达稳定的状态;另一种方法是再加固。然而这两种方法是难以实现的，对工程造价有着严峻的考验，采用预锚支护体系加固显然是一个有效地方法。

结语：

在桩锚支护结构中，锚杆、支护桩可形成完整的支护体系，本文对桩锚支护结构与土体之间的相互作用进行了详细探究，采用静力平衡方程分析方式，对锚杆拉力进行解析，另外，在锚杆（索）设计拉力计算中，综合考虑了桩锚支护结构变形协调与不考虑变形协调两种计算方式的特点，说明，通过改进变形协调方程，能够保证计算结果与实际情况相符合。

参考文献：

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