不同材质腰梁对锚索预应力损失的影响研究

2023-03-15张启军秘金卫张昌太闫楠李明章伟陈吉光桑松魁白晓宇

科学技术与工程 2023年4期

张启军，秘金卫，张昌太，闫楠，李明，章伟，陈吉光，桑松魁，白晓宇*

(1.青岛业高建设工程有限公司，青岛 266042；2.青岛理工大学土木工程学院，青岛 266520；3.深圳海川新材料科技股份有限公司，深圳 518040；4.中建八局第二建设有限公司，济南 250014)

随着基坑支护技术的不断发展，基坑向着深度更深、覆盖面更大的方向发展，基坑的安全问题越来越突出。在进行支护结构选型设计时，预应力锚索以其施工方便、主动支护、经济效益高及提高岩土体自稳能力等优势，被广泛应用在深基坑支护工程中[1-4]。为了适应深基坑的复杂地质环境，保护毗邻的建筑物，预应力锚索通常与其它支护结构形成组合支护体系使用，如锚索+桩、锚索+桩+内支撑等支护型式[5]。受多种因素的影响，锚索预应力损失是一个普遍存在而又不可避免的现象，对锚索的支护能力和围岩的稳定性产生一定的影响，为了减少锚索预应力损失，众多学者利用有限元模拟软件，研究了基坑开挖过程中锚索预应力的变化规律[6-7]。范一平[8]通过建立三维数值模型分析了压力型预应力锚索受力特性。袁坤等[9]、张玉芳等[10]通过有限差分数值分析软件，分析了新型双锚固段锚索在外锚固段、自由段和内锚固段长度不同的情况下锚固机理和轴力变化规律。徐哲等[11]结合数值模拟和现场实测结果，研究了地下洞室群开挖过程中预应力损失规律，揭示了锚索预应力损失对围岩变形和应力状态的影响规律。邓建等[12]提出了一种预应力锚索初始张拉荷载计算方法。锚索预应力损失的大小与实际工程的施工安全密切相关，提前预测锚索预应力损失规律，不仅可以提高施工进度，而且能够避免预应力损失过大带来的安全隐患。为了能够定量描述预应力损失，王渭明等[13]针对济南某桩锚支护基坑现场监测结果，提出了一种现场针对超张拉和二次张拉施工的锚索预应力损失计算方法，并利用Plaxis数值模拟验证了该方法的准确性。

结合现场监测数据，借助有限元分析软件对基坑工程进行数值模拟，是研究基坑施工过程中支护结构内力变化和基坑位移变形规律有效手段之一[14-17]。曹程明等[18]通过建立有限元模型，计算分析不同施工阶段锚索轴力的变化情况,并与现场监测数据进行了对比分析，得到了支护结构对基坑变形的影响规律。侯俊伟等[19]利用有限元软件MIDAS GTS模拟了某锚索支护结构超深岩质基坑的开挖和支护过程，与现场试验和监测结果综合分析，得到了基坑位移和锚索内力随施工进行的变化规律。任志亮[20]通过对青岛某地铁车站基坑锚索轴力以及周边建筑物沉降进行现场监测分析，结果表明，该基坑采用的应急支撑体系(内支撑+格构柱)可有效减少锚索的预应力损失。此外，不同的土层性质，随着基坑开挖、支护结构的内力变化和基坑变形规律也不相同。高鑫等[21]利用FLAC3D有限元分析软件模拟了桩锚支护基坑开挖过程对锚索轴力和基坑位移的变化，结合理正深基坑软件计算结果，揭示了厚冲击黏性土层基坑支护结构的内力变化和基坑变形规律。许健等[22]对黄土地区深大基坑施工过程中锚索轴力、支护桩位移与周边建筑物沉降等进行了数值模拟分析，丰富了黄土地区深基坑采用桩锚支护的发展前景。玻璃纤维增强聚合物(glass fiber reinforced polymer，GFRP)材料，凭借抗拉强度高、质量轻、工程性价比高等优势已在岩土锚固中崭露头角，如GFRP锚杆[23]、GFRP腰梁[24]等。张顺凯等[25]研究了腰梁在基坑支护中的作用，对比分析了GFRP腰梁和双背槽钢腰梁对锚索预应力损失的影响规律，验证了GFRP腰梁代替传统材料腰梁施工的可行性和优越性。

综上所述，目前大多数学者研究内容主要集中于基坑开挖过程及不同支护结构对锚索预应力损失的影响规律上，不同材质腰梁对锚索预应力损失影响的研究鲜有报道。基于此，以青岛海天中心桩锚支护基坑工程为研究对象，借助ABAQUS有限元分析软件，对不用材料的腰梁进行建模，结合数值模拟结果和现场监测数据分析，系统介绍了不同材质腰梁对锚索预应力损失的影响规律、土体应力状态以及基坑水平和竖向位移规律。研究成果可为青岛地区类似基坑工程提供参考和借鉴。

1 工程概况

本工程为青岛海天大酒店改造项目(海天中心)基坑支护工程，面临着复杂的周边环境，北邻香港西路，地下管线埋深不超过2 m；西邻青岛世纪名人广场，地下室外墙线相距较近；南邻东海路，地下管线复杂且埋深在2.0 m之内；东邻华夏大厦及多层建筑。本基坑属于一级基坑，开挖深度在24～29 m，建设场区整平标高按5.5～10.5 m考虑，根据建筑要求，本工程拟建1幢73层375.4 m办公酒店，1幢41层216.4 m的会所酒店，1幢55层251.4 m的公寓，3～5层裙带房，5层地下车库。设计室内坪标高12.25 m，地下室基槽底标高约-18.43 m，地下室外轮廓周长约760 m。根据现场地质勘察研究报告，场区各土层参数如表1所示。

表1 岩土层物理力学参数

2 有限元模拟过程

2.1 有限元模型建立

本场地基坑底部有较厚的岩层，假定土体是均质、各向同性的弹塑性体，土体采用摩尔-库仑弹塑性本构模型；腰梁材料是各向同性，腰梁采用梁单元；支护结构和锚索是理想的弹性体，锚索采用桁架单元。研究目的在于探究不同材质的腰梁对锚索预应力损失的影响规律，因此为了控制变量，忽略腰梁形状和截面的影响，在建模过程中，3种腰梁尺寸保持一致。表2为土体、支护桩、腰梁及锚索等各部件的主要模型参数。

表2 主要模型参数

基于以上各部件主要模型参数进行建模，各部件所建模型如图1所示。

图1 各部件模型

2.2 网格划分

将土体模型、支护桩模型、锚索模型以及腰梁模型装配成整体，构成该基坑数值模拟分析的整体几何模型如图2(a)所示。划分网格时，网格过于密集会增加计算量，降低收敛性，合理划分网格能够提高模型的计算效率和计算精度。本模型各主体网格的划分情况主要是：由两种基本单元构成，其中土体、支护桩和腰梁采用C3D8R实体单元，锚索采用T3D2一阶杆单元。锚索作用范围内的土体网格稍密划分，其他区域内的网格粗略划分；由于支护桩变形较小，故粗略划分网格；预应力锚索采用扫掠网格划分；锚孔周围的腰梁加密网格划分，在无削弱部位的腰梁正常划分。图2(b)为整体几何模型的网格划分情况。

2.3 施加预应力

定义土体与桩内侧、土体与腰梁之间的接触为罚接触，摩擦系数取0.2，腰梁与支护桩绑定为一个整体。锚索内置于土体，采用降温法在ABAQUS中对锚索施加预应力，通过式(1)建立预应力N与温度的关系。

N=-αEST

(1)

式(1)中：α为线膨胀系数；E为弹性模量；S为锚索截面面积；T为温度。

通过分析锚索预应力变化的现场实测数据，发现预应力随时间的变化趋势主要分3个阶段：快速下降阶段、稳定变化阶段和基本稳定阶段。考虑到初始地应力的影响，用4个分析步分别对应锚索预应力损失的几个阶段，其中Step0用来平衡初始地应力，Step1、Step2、Step3分别对应锚索预应力随时间变化的3个阶段。图3为平衡初始地应力前后的应力云图。

图3 初始地应力平衡

3 有限元计算结果及分析

因为现场基坑开挖时，提前进行了降排水处理，故采用有限元软件ABAQUS模拟基坑开挖过程时未考虑孔隙水压力的影响，通过控制温度的变化模拟锚索预应力变化情况，得到了预应力锚索在开始加荷阶段、快速下降阶段、稳定变化阶段以及基本稳定阶段的应力云图，最后通过模拟值与现场监测数据的对比，分析锚索预应力随时间的变化规律。

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3.1 开始加荷阶段

加荷阶段，锚索预应力损失主要来源于千斤顶突然卸荷引起锚索回缩。图4、图5分别为预应力锚索张拉锁定前后的锚索应力云图和腰梁应力云图的对比。

由图4可知，加载初期，锚索的应力随着深度逐渐减小，即应力最大值出现在自由段。由于锚索自由段受到拉力作用，钢绞线出现弹性变形，应力逐渐增大，并逐步向锚固段传递，使锚固段处于滑裂面主动区。锚固段随着荷载增加逐渐出现了应力，且直到锚索张拉锁定时，锚固段预应力仍小于自由段。故从锚索张拉锁定前后应力云图数值上分析，锚索应力从自由段到锚固段逐渐减小。由图5锚索张拉前后腰梁的位移云图可知，加载初期，受到锚索张拉的影响，腰梁的一端逐渐发生形变，这是由于锚索采用间隔张拉的方式，导致腰梁只在锚索张拉位置变形较大。锚索张拉锁定后，锚索带动腰梁产生相同方向的回弹变形，受到腰梁刚度较大的影响，随即产生反力，起到补偿张拉的作用，腰梁中部变形增大而刚开始发生形变的一端有所减小。模拟结果表明：腰梁的布置可以减少锚索预应力的损失。

图4 锚索应力云图

图5 腰梁位移云图

3.2 快速下降阶段

锚索张拉锁定之后，由于千斤顶突然卸荷，钢绞线出现回弹变形，引起锚索预应力急速下降。图6为快速下降阶段锚索应力云图及腰梁位移云图。

图6 快速下降阶段

由图6可以看出，锚索预应力锁定之后，锚索应力整体下降，以中部最为明显，本阶段腰梁可以产生补偿部分钢绞线回缩引起的预应力损失的变形。腰梁在预应力作用下持续发生变形，应力逐渐增大，此时，腰梁只出现微小变形，逐渐趋于稳定，对锚索预应力损失的控制作用变得微乎其微，从而导致锚索预应力快速下降。分析原因，失去腰梁的控制作用后，锚索应力传递到支护桩，支护桩出现向坑外方向的位移，使得桩后土体受到压缩出现形变，土体应力逐渐增大，同时土体的抗剪、抗滑能力得以提高。

3.3 稳定变化阶段

锚索预应力经过一段时间的快速下降，逐渐开始出现波动变化，图7为稳定变化阶段锚索应力云图及腰梁位移云图。

图7 稳定变化阶段

从图7可以看出，锚索应力整体有所下降但最大值有微小上升。当相邻2根锚索张拉锁定之后，腰梁变形呈现中部大，两侧小的趋势，腰梁、支护桩不再产生较大的变形，逐渐达到稳定状态，此时土体蠕变、岩石流变和钢绞线持续松弛逐渐代替腰梁和支护桩的变形，成为影响锚索预应力损失的主要因素。

3.4 基本稳定阶段

锚索预应力经过快速下降和稳定变化之后，逐渐达到一个稳定状态并开始向四周扩散，图8为基本稳定阶段锚索应力云图、腰梁位移云图以及土体最终的水平和竖向位移云图。

由图8(a)、图8(b)可以看出，与稳定变化阶段相比，锚索预应力和腰梁变形出现微小下降，逐渐趋于稳定状态，应力分布更加均匀。随着时间的进行，土体蠕变和岩体流变变形不再扩展，土体压缩基本完成，钢绞线不再继续松弛，除外界环境和施工因素的影响，锚索预应力、腰梁变形以及土体的位移均达到稳定。由图8(c)、图8(d)可以得到基坑地表水平位移累计值为6.20 mm，竖向位移累计值为2.80 mm，均满足《建筑基坑工程监测技术标准》(GB 50497—2019)[26]对基坑变形的要求。

3.5 锚索预应力变化规律

3.5.1 现场监测

图9给出了锚索预应力现场监测点的位置DY1-2和DY1-3，腰梁采用混凝土腰梁，基坑整体支护情况如图10所示。采用垫板、锚具等将锚杆轴力计安装在孔口自由段位置，如图11所示，最大量程超过设计拉力值的120%。锚索张拉时开始监测，历时81 d，依靠609读数仪与轴力计连接，测出各轴力计频率，通过公式换算得出轴力值。图12给出了锚索轴力现场监测结果。

图9 监测点平面布置图

图10 基坑支护效果

图11 轴力计安装

图12 锚索轴力随时间变化规律

3.5.2 实测值与模拟值对比

如图13所示，以混凝土腰梁作用下锚索预应力模拟值为例，与现场监测点DY1-3和DY2-1的预应力监测值进行对比分析。图14为3种不同材质腰梁作用下，锚索预应力随时间变化的模拟结果。

图13 混凝土腰梁模拟值与监测值对比

图14 不同材料腰梁作用下锚索轴力模拟值

由图13可以看出，混凝土腰梁作用下锚索预应力模拟值与监测点DY2-1监测值相接近，且与监测点DY1-3和DY2-1的预应力变化趋势大体相同，均经历快速下降阶段、稳定变化阶段和基本稳定阶段，证明采用ABAQUS有限元软件研究腰梁对锚索预应力损失的影响具备可行性和有效性。经过对比发现，数值模拟的结果变化较为平缓，没有出现现场监测结果的跳动现象。究其原因，现场监测结果受到了基坑开挖施工的影响，造成数据波动较大，而模拟过程中则忽略了此类影响。

从图14可以看出，GFRP腰梁模拟值与混凝土腰梁和钢腰梁相比，随时间的变化趋势更为平缓，混凝土腰梁次之，钢腰梁变化波动范围最大，出现这种差异的原因主要是在建立模型时，不同材料的接触面约束条件的定义和实际情况存在差异，如GFRP腰梁的建模是先分步建成各向异性板再组合而成，而钢腰梁则是现场焊接而成，受到了额外因素的影响。

由图14还可知，GFRP腰梁、混凝土腰梁和钢腰梁模拟值总的预应力损失率分别为6.89%、14.74%、16.84%，即混凝土腰梁和钢腰梁作用下锚索预应力的损失率分别为GFRP腰梁的2.14倍和2.44倍。