基于ABAQUS的土钉-桩锚联合支护结构分析

刘慧军 唐天国

以某深基坑工程为研究对象，运用ABAQUS有限元软件模拟基坑开挖支护过程，通过单因素分析法分析土钉-桩锚联合支护结构的设计参数对基坑稳定性的影响。计算结果显示：随着土钉倾角、土钉长度的增加，基坑边缘土体水平位移逐渐减小，但沉降量基本保持不变；随着锚杆倾角、锚固段长度的增加，放坡面土体水平位移逐渐减小，但沉降量逐渐增加；随着地面超载的增加，基坑边缘土体水平位移、沉降量都逐渐增大，且变化幅度比较大。

深基坑； 土钉； 桩锚； 联合支护； 稳定性

TU94+2 A

［定稿日期］2022-06-01

［作者简介］刘慧军（1992—），男，硕士，研究方向为工程安全监测；唐天国（1973—），男，博士，副教授，主要从事结构抗震及工程监测方面的研究工作。

随着我国城市化进程的发展，基坑支护工程在建筑、交通、地下空间等领域的应用越来越广泛［1］。由于每种支护措施各有优缺点，单独使用某一支护措施不仅成本较高、经济效益较差，而且还不能达到预期的支护效果，因此在深基坑支护方案的选择中，经常采用2种及以上的支护措施，形成新型的复合式支护结构，以便取长补短、优势互补，实现资源利用最大化［2-4］。本文主要研究土钉-桩锚联合支护结构的影响因素，为后期类似工程提供参考依据。

1 工程概况

本工程基坑开挖深度为13 m，支护体系采用土钉+桩锚联合支护结构。上部土钉墙放坡开挖，坡度1∶0.3，开挖深度5.0 m，坡底平台宽度1.0 m；墙面设置2排土钉，面板铺设8@250 mm×250 mm钢筋网，喷射C20细石混凝土，厚度100 mm。下部桩锚支护结构，桩长15 m、桩径0.8 m，嵌固深度7.0 m，混凝土强度为C30；设置2排预应力锚杆，第一排锚杆施加预应力260 kN，第二排锚杆施加预应力300 kN。土层及材料参数如表1、表2所示。

2 建立模型

模型尺寸65 m×50 m，通过结构法将二维基坑模型划分为4 111个网格，土体和支护桩采用四结点双线性平面应变四边形单元（CPE4），土钉和锚杆采用二结点二维桁架单元（T2D2），土体本构关系选取Mohr-Coulomb（摩尔-库伦）模型［5-6］。有限元模型如图1所示。

假设条件：

（1）假定土体和围护结构各向同性且为理想弹塑性体。

（2）忽略地下水位的影响。

（3）在基坑工程施工前，土体在自重应力状态下固结。

（4）在基坑开挖过程中，不考虑锚杆横向抗剪作用。

3 计算结果分析

3.1 土钉倾角

如图2、图3所示，分别取5°、10°、15°分析土钉倾角对基坑顶部土体水平位移和沉降的影响。随着土钉倾角的增加，基坑边缘土体水平位移逐渐减少，且均在距离基坑边缘2.8～3 m范围内水平位移达到最大值；基坑边缘土体沉降值变化很小，曲线基本重叠。

3.2 土钉长度

如图4、图5所示，分别取6 m、8 m、10 m分析土钉长度对基坑顶部土体水平位移和沉降的影响。随着土钉长度的增加，基坑边缘土体水平位移逐渐减少，且均在距离基坑边缘3 m处水平位移达到最大值；基坑边缘土体沉降值变化很小，曲线基本重叠。

3.3 锚杆倾角

如图6、图7所示，分别取10°、15°、25°分析锚杆倾角对基坑放坡面土体水平位移及沉降的影响。随着锚杆倾角的增大，放坡面土体水平位移逐渐减小，说明锚杆倾角在一定程度上增加，有利于控制放坡面水平位移；另外，沿放坡面到坡顶距离3.3～4 m范围内水平位移基本相同，也是位移最大值所在位置。随着锚杆倾角的增大，放坡面土体沉降逐渐增大，最大值均出现在沿放坡面到坡顶4.8 m处；说明锚杆倾角增大不利于控制放坡面土体沉降。

3.4 锚固段长度

如图8、图9所示，分别取18 m、20 m、24 m分析锚固段长度对基坑放坡面土体水平位移及沉降的影响。随着锚杆锚固段长度的增加，放坡面土体水平位移逐渐减小，说明适当加大锚杆锚固段长度，更有利于控制放坡面水平位移；另外，沿放坡面到坡顶距离3.3～4 m范围内水平位移基本相同，也是位移最大值所在位置。随着锚杆锚固段长度的增加，放坡面土体沉降逐渐增大，最大值均出现在沿放坡面到坡顶4.8 m处。

3.5 地面超载

如图10、图11所示，分别取10 kPa、20 kPa、40 kPa分析超载大小对基坑顶部土体水平位移和沉降的影响。随着地面超载的增加，基坑边缘土体水平位移逐渐增大，且均在距离基坑边缘4 m处水平位移达到最大值。随着地面超载的增加，基坑边缘土体沉降逐渐增大，且均在距离基坑边缘1 m处沉降量达到最大值。

4 结论

（1）随着土钉倾角、土钉长度的增加，基坑边缘土体水平位移逐渐减小，但沉降值基本保持不变；说明土钉能够有效控制基坑顶面土体裂缝，但不能抑制坑顶土体沉降。

（2）随着锚杆倾角、锚固段长度的增加，放坡面土体水平位移逐渐减小，但沉降量逐渐增加，最大值在放坡面坡脚附近。

（3）随着地面超载的增加，基坑边缘土体水平位移、沉降量都逐渐增大，且变化幅度比较大；在基坑开挖过程中要控制坡顶堆载，尽量远离基坑边缘。

参考文献

［1］ 丁鹏. 深基坑土钉墙与桩锚组合支护结构的研究［D］.保定：华北水利水电大学，2020.

［2］ 张传虎. 西宁某深基坑土钉墙支护数值模拟与现场监测［D］.合肥：安徽建筑大學，2021.

［3］ 蔡勇. 复合土钉墙支护结构在深基坑工程中的应用研究［D］.西安：西安建筑科技大学，2015.

［4］ 黄智国. 土钉桩锚联合支护分步开挖基坑应力—应变的数值分析［D］.郑州：华北水利水电大学，2017.

［5］ 陈艳平. 某深基坑桩锚支护与土钉墙支护结构的受力变形分析［D］.保定：河北大学，2021.

［6］ 王帅栋. 深基坑土钉墙—桩锚复合结构工作性能分析［D］.北京：中国地质大学（北京），2019.