框架自排水串式扩体锚杆深基坑支护效果仿真分析

2020-09-10袁方龙陈运涛李斌

中国港湾建设 2020年9期

袁方龙，陈运涛，2，李斌

（1.中交天津港湾工程研究院有限公司，港口岩土工程技术交通运输行业重点实验室，天津市港口岩土工程技术重点实验室，天津 300222；2.河北工业大学，天津 300401）

0 引言

随着城市地下空间建设规模和深度增加，基坑安全问题日益突出，且随着城市建设用地的制约和环保施工理念的深入，传统锚固支护结构形式已经无法满足深基坑开挖支护、环保、施工等方面的要求，如注浆锚杆[1]存在注浆体强度增长慢、杆体埋设较长影响临边工程地下空间施工等问题；自钻式锚杆[2]存在锚固效果不理想的问题等，对此产生了大量深基坑开挖支护的课题，且各种支护结构类型层出不穷，而扩体锚固技术凭借较高承载力的特性受到业内人士的广泛关注。

目前，扩体锚固技术根据扩体膨胀形式的不同主要分为：扩体注浆型[3]、充气膨胀型[4-5]、预拉（压）膨胀型[6]等。实践表明：扩体注浆型锚杆存在成孔难、扩体段与锚杆杆体整体性差、注浆体硬化强度增长周期长而影响施工进程等问题；充气膨胀型锚杆尚处于研发阶段，气囊强度、气密性、工程适用性等诸多问题尚不确定；预拉（压）膨胀性锚杆施工简便，扩体张开机理较易实现，但扩体结构较为复杂、制作成本较高，制作工艺较繁琐，很难在工程中大规模应用。

深基坑开挖施工前或施工过程中的降水设计是提高基坑稳定性的重要措施，目前深基坑降水[7]广泛采用井点法和坡面插管法，井点法排水效果明显，但施工工艺繁琐，且需要真空抽水；坡面插管法应用范围较窄，且对于深层土体的排水效果不明显。

框架自排水串式扩体锚杆支护结构是一种将排水措施[8]和扩体锚固[9]技术相结合，实现深基坑双重支护的新型支护形式，从排水角度讲，锚杆杆体为坡体提供理想的排水通道，能够有效加快软土边坡的固结速率；从结构形式来讲，扩体段吸水膨胀形成扩大头，联合框架挡墙共同将潜在滑移土体锚固于稳定土层中。目前，该支护结构的排水效果和支护特性尚不清楚，结构设计尚不完善，为了指导后续设计和施工，急需对其展开深入研究。本文采用有限元[10]软件建立三维基坑实体模型，对框架自排水串式扩体锚杆结构的支护效果和排水特性进行研究。

1 框架自排水串式扩体锚杆支护结构的提出

该支护结构整体由格构挡墙、挡土板、自排水串式扩体锚杆和抽水系统组成，自排水串式扩体锚杆通过锚具和钢垫板与格构挡墙固定连接，协同挡土板共同承担坡面土压力，自排水串式扩体锚杆由钻头、吸水膨胀环、滤水管和钢圆管通过螺纹连接而成，钻头设有绞龙叶片，吸水膨胀环采用高强度吸水膨胀橡胶材料，并用抱箍固定在钢圆管周围，滤水管上设有滤水孔，并在表面绑扎单向透水薄膜，空间结构示意图如图1所示。

图1 框架自排水串式扩体锚杆空间结构示意图Fig.1 Space structure diagram of grillage self-drilling string expansion anchor

2 框架自排水串式扩体锚杆支护结构的受力机制和承载力计算

2.1 受力机制

框架自排水串式扩体锚杆支护结构综合考虑了锚杆自钻成孔、锚固段吸水膨胀形成扩体、锚杆杆体为土层提供理想的排水通道等原理所研发，伴随基坑开挖过程将其受力机制分为3个阶段。

第1阶段：静止受力阶段。在基坑开挖初期，坡体水平位移较小，锚杆与周围土体间无相对位移，锚杆拉力主要来自锚固段扩体和杆体的侧摩阻力，扩体前端面受静止土压力。

第2阶段：塑性区开展阶段。随着基坑开挖深度的增加，坡面水平位移逐渐增大，土体与锚杆间产生相对位移，锚杆侧摩阻力由静摩阻力转为滑动摩阻力，扩体前端面承受土压力，端阻力逐渐发挥作用，扩体前端面土体受压产生局部塑性区。

第3阶段：塑性区贯通阶段。随着外荷拉力继续增大，各扩体段依次发挥锚固作用，各吸水膨胀环前端面土体不同程度的产生塑性区，塑性区土体受上覆土体约束，当端阻力足够大时，膨胀环前端土体塑性区不断向前扩展，直至相邻膨胀环间土体发生贯通破坏。

2.2 承载力计算

通过分析串式扩体锚杆的受力机制可知，其抗拔承载力[11]主要由扩体端阻力和侧摩阻力组成。董建华等[5]给出了一种胎串式锚杆在孔压影响下的承载力计算公式，较好地描述了多串式扩体锚杆周围土体发生剪切破坏时的抗拔承载力随孔压消散的计算公式，即：

式中：Qp1为小圆柱面破坏情况下扩体的端阻力；βc为端阻力修正系数，对于临时性锚杆取4.5～6.5，对于永久性锚杆取3.0～5.0；pu为扩孔压力；μ为扩体端面与土体间的摩擦系数；uw为土体孔压，对于饱和土，uw=Δumax；Δσr为扩体侧壁土体径向应力增量；d为杆体直径；De为扩体等效直径；Qs1为扩体侧阻力；Le为扩体摩擦段有效长度，Le=0.7L～0.9L，L为扩体长度；c为土体的黏聚力；σra为扩体侧壁土体的径向有效应力，σra=pu-uw；φ为土体的内摩擦角。

3 基坑开挖支护有限元模拟

3.1 模型的建立

为了更清楚地了解框架自排水串式扩体锚杆的受力特性和排水效果，且考虑到该支护结构空间布置的对称性，现取单榀框架为计算单元，建立三维基坑实体模型进行支护和排水模拟，模型尺寸为65 m×4 m×40 m，基坑开挖深度为10 m，坡面倾角为80°，采用3层2列锚杆支护，第1层锚杆距坡顶竖向距离为3.5 m，各层锚杆水平间距4 m，竖向间距2 m。第1层锚杆长8 m，锚固端杆体设置3个吸水膨胀环，第2层锚杆长6.6 m，设置2个吸水膨胀环，第3层锚杆长5.0 m，设置1个吸水膨胀环，各段膨胀环长0.6 m；滤水管长0.8 m；框架挡墙厚400 mm。土层和锚杆参数见表1。

表1 材料参数Table 1 Material parameters

土体采用Mohr-Coulomb弹塑性模型；框架挡墙和锚杆均采用线弹性模型。杆体、吸水膨胀环和滤水管设为变截面的Rebar单元，杆体和滤水管横截面面积为12.56×10-4m2，吸水膨胀环横截面面积为3.14×10-2m2；框架挡墙采用Beam单元，赋予含水层土体多孔介质属性，并将滤水管设为排水边界。

3.2 基坑开挖支护和排水过程模拟

基坑开挖支护过程采用单元生死功能实现，排水过程采用孔压消散来反映，具体步骤如下：

1）单元划分。划分锚杆单元、框架挡墙单元和土体单元，并将各单元定义为土体材料属性。

2）含水层土体模拟。赋予各土层单元多孔介质属性。

3）开挖模拟。“杀死”第一层开挖的土体单元。

4）排水模拟。将开挖深度范围内的锚杆滤水管设为排水边界。

5）支护模拟。将支护结构处的土性参数属性修改为支护结构材料参数。

6）重复步骤3）—步骤5），直至开挖至坑底设计标高。

3.3 计算结果分析

3.3.1 支护效果分析

1）锚杆轴力分析

为了更清楚地了解自排水串式扩体锚杆的支护特性，将模型修改为普通锚杆支护模型，并与自排水串式锚杆支护模型结果进行对比分析，为了定性分析结构支护特性，暂不考虑锚杆的排水情况。

图2给出了基坑整体开挖支护结束后，各层自排水串式扩体锚杆和普通锚杆轴力分布云图。由图可知，自排水串式扩体轴力分布与普通锚杆相比存在很大差异，普通锚杆轴力最大值在靠近坡面位置，自排水串式扩体轴力分布呈“锯齿形”，轴力在吸水膨胀环位置出现陡升，而杆体的轴力分布明显小于普通锚杆。这是由于基坑开挖卸载，坡后土体产生水平位移，框架挡墙承受主动土压力，拉动锚杆向坑内移动，而大部分拉力被吸水膨胀环以端阻力和侧摩阻力的形式传递到锚固区稳定土层中，而普通锚杆主要以杆体侧摩阻力的形式承担拉力。

2）框架挡墙水平位移分析

图3分别给出了基坑在普通锚杆不排水、串式扩体锚杆不排水和串式扩体锚杆排水支护条件下，框架挡墙在基坑整体开挖结束后的水平位移分布情况。由图3可知，框架挡墙的水平位移均呈“凸肚形”分布，且水平位移最大值均出现在临近坑底的位置；在串式扩体锚杆排水条件下，框架挡墙的水平位移最大值为2.32 cm，相比于在普通锚杆不排水和串式扩体锚杆不排水条件下，框架挡墙水平位移最大值分别降低了34.6%和19.5%，有效地减小了基坑开挖期间坡后土体的水平位移，更有利于基坑的稳定。