深基坑開挖滑動面與支護錨桿內力的計算

馬文國，王蘭民，李學豐，楊有貞

(1.蘭州大學 土木工程與力學學院，甘肅 蘭州 730000;2.寧夏大學 物理電氣信息學院 固體力學研究所，寧夏 銀川 750021; 3.中國地震局 黃土地震工程重點實驗室，甘肅 蘭州 730000)

深基坑開挖滑動面與支護錨桿內力的計算

馬文國1，2，王蘭民1，3，李學豐2，楊有貞2

(1.蘭州大學 土木工程與力學學院，甘肅 蘭州 730000;2.寧夏大學 物理電氣信息學院 固體力學研究所，寧夏 銀川 750021; 3.中國地震局 黃土地震工程重點實驗室，甘肅 蘭州 730000)

以銀川地區某商業綜合體的深基坑開挖支護為對象，研究深基坑開挖過程中使用中空注漿錨桿護坡的機理。首先對深基坑分步開挖沒有錨桿支護產生的塑性應變及水平位移進行了計算，確定了邊坡滑動面的位置，計算出的無支護分層開挖深基坑所形成的塑性貫通區域和瑞典法計算的滑動面相似。其次根據滑動面的位置選擇錨桿的支護方式和長度，對設計采用的錨桿的內力進行了計算，錨桿的受力隨著開挖而動態變化。計算結果說明，中空注漿錨桿護坡是一種經濟可行的加固措施。

深基坑 滑動面 中空注漿錨桿 內力

基坑工程是巖土工程的重要組成部分，它是指建筑物基礎工程或地下工程施工中所進行的基坑開挖、降水、支護和土體加固以及監測等綜合性工程。錨固技術從1890年被發明以來，德國、法國和美國在20世紀70年代開始對其深入研究與推廣，而我國是從改革開放以后逐漸開始研究和廣泛應用的，其主要功能是加固各種類型的邊坡［1］。隨著城市高層建筑的不斷增多，基坑開挖工程越來越多，錨噴支護應用也越來越多［2-4］。從地下工程到邊坡支護錨固技術的應用范圍日益廣泛，這種先進的支護方法因具有成本低廉、施工速度快、場地環境要求低和安全系數高等優點而受到青睞［5］。關于各類錨固技術從實踐中總結出了很多工程經驗，形成了《建筑基坑支護技術規程》等行業規范［6］。最常使用的錨桿一端與擋土墻或噴射混凝土面板聯結，另一端錨固在地基的土層或巖層中。現代支護主要使用各種類型的中空注漿錨桿，主要形式有普通中空注漿錨桿、自進式注漿錨桿、漲殼式中空注漿錨桿和組合式中空注漿錨桿。中空注漿錨桿相對于實心錨桿可以獲得更大的剛度和抗剪強度，通過中空錨桿體向鉆孔中壓力注漿，可以使土體和注漿體之間形成強度更高的膠結體，既可以阻斷地下水腐蝕金屬桿體，又可以增大注漿錨桿和巖土體的摩擦力而提高錨桿的抗拔能力，從而達到良好的支護目的［7］。

基坑支護作為一個結構體系，應滿足穩定和變形的要求，為保證地下結構施工及基坑周邊環境的安全，對基坑側壁及周邊環境采用支護措施［8］。分層開挖及各種類型的支護工序實踐中應用很多，深基坑和山體道路的支護中中空注漿錨桿支護技術不僅能夠起到臨時支護土體開挖的作用，還能夠為邊坡的長期穩定提供有力保障。能夠起到承載側壓力并能夠控制其發展，防止過大變形，中空注漿錨桿能使土體的強度增加，同時還能夠使土坡本身的穩定性增加，是一種典型的主動制約結構［9-10］。

本工程基坑開挖形成二級邊坡，一邊開挖一邊使用中空注漿錨桿進行支護，錨桿的長度根據瑞典法或者通過分步開挖有限元的計算滑動面進行比較來確定。本文依據采用的支護方式計算坡體塑性應變和錨桿內力。

1 工程概述

本工程為銀川某商業綜合體的基坑開挖項目，基坑為規則長方形，長600 m，寬300 m，深14.45 m。基坑邊坡分兩級開挖，上半部分坡度為1∶0.6，下半部分坡度1∶0.7。土層從上向下依次為雜填土、素填土、粉質黏土、粉土和細砂，地下水位降至15.45 m。基坑采用噴錨網支護，噴射混凝土強度等級為 C20，面板厚80 mm;錨桿體為螺紋鋼筋 HRB400，錨桿與水平面夾角為12°，注漿孔徑 120 mm，注漿材料采用標號為42.5R普通硅酸鹽水泥配置的水泥漿，水灰比0.5，其強度不低于M10。支護平面設計如圖1。

圖1 基坑開挖支護結構平面(單位:mm)

2 支護前后滑動面形狀及位移分布

為計算開挖引起的滑動面位置，在沒有錨桿支護的情況下進行分步開挖，雜填土、素填土、粉質黏土、粉土厚度均 ＜2 m，每層土一次性開挖。細砂層厚度較大，每1 m開挖一次考慮土的蠕變效應，蠕變時間近似等于開挖時間，也就是開挖以后臨空面的土體應力需要經過和開挖時間相同的時間完全釋放。分步開挖產生的水平滑動位移如圖2。

圖2 塑性應變完全貫通時水平位移等值線

從圖2可以發現滑動主要發生在坡面處，和塑性應變的分布形成對應，最大位移同樣發生在坡腳處，最大滑動位移為163 mm。當向下開挖到－11.0 m時塑性區域完全貫通，塑性應變從坡腳處開始逐漸向上發展，是典型的應變局部化問題。最大塑性應變可以達到18.5%，可以認為發生了流動破壞，使用瑞典法計算的滑動面和此塑性貫通區域相當。所以，開挖時應采取支護措施，保證基坑開挖的安全。

基坑開挖支護采用設計提供的方案計算塑性應變分布等，開挖從素填土層開始進行錨桿支護，由于素填土和粉質黏土黏聚力相對細砂較大，可以選擇長度較短的錨桿支護。第3根錨桿在粉質黏土層開挖結束后進行支護，此時開挖深度已經達到深基坑的定義深度，設計采用9 m長的注漿錨桿旨在穿越潛在的滑動面，達到下步開挖時的穩定要求。開挖到粉土層約1/2時設計1 m的平臺，平臺以上放坡坡度為1∶0.6，平臺以下放坡坡度為1∶0.7，一直開挖到 －14.45 m處，坡度放緩能夠為穩定坡體提供自然條件。平臺以下部分幾乎全是細砂區域，第4根錨桿設計長度為9 m，以下錨桿的設計長度依次變短，最下層采用1.5 m的錨桿支護。支護后的水平方向位移分布如圖3。

圖3 開挖結束錨桿支護后的水平位移等值線

從圖3可以看出，開挖到底部時最大水平位移僅為21 mm，和開挖到11.0 m時沒有支護措施產生的水平位移 163 mm相比，水平位移僅是沒有支護的12.9%。從支護后的塑性變形和水平位移可以看出支護措施是有效的。塑性應變的發展主要集中在平臺坡腳處和平臺下部的邊坡坡面附近，及由于開挖導致應力釋放的基坑底部發生的隆起。最大塑性應變1.37%，和開挖到11.0 m時沒有支護措施產生的塑性應變18.5%相比，塑性應變僅是沒有支護時的7.4%。

3 開挖支護過程錨桿的內力變化

錨桿內力在邊開挖邊支護的過程中始終在變化，支護過程中錨桿的內力變化如圖4。錨桿的內力分布隨開挖變化不大，內力的大小隨開挖變化較大。錨桿的內力大致隨開挖不斷增大，細砂層以上開挖引起的錨桿內力變化范圍較小，當開挖到細砂層以下時部分錨桿的內力陡然增大。從圖4(a)可以看出，當第2根錨桿在粉質黏土開挖過程中進行支護時內力分布和第1根錨桿內力分布很相似。從圖4(b)可以看出，第3根和第4根長錨桿在非錨固段的內力大于錨固段的內力，由于第3根和第4根錨桿的長度一樣，第3根錨桿承受了很大的內力，第4根錨桿在支護時所在區域位移很小導致了錨桿體內力很小。從圖4(c)和圖4(d)可以看出，當開挖到細砂層下部時下半部分錨桿的內力均有所增大。

圖4 錨桿內力隨土層開挖的大小和分布變化

4 結語

基坑開挖過程中計算的塑性應變貫通區和瑞典法計算的滑動面相似，錨桿在基坑開挖過程中主要以拉力為主是符合實際情況的。錨桿的受力不是固定不變的，它的受力隨動態的開挖過程而持續變化，軸力不斷增大，錨桿的受力分布是不均勻的，但是隨著基坑的開挖這種不均勻性變化不大。基坑發生位移才會受力，基坑位移偏小時錨桿軸力也很小。基坑開挖后靠近臨空面的錨桿和錨頭的受力較大，而錨固段的受力偏小。基坑側向位移隨開挖呈現逐漸增大的趨勢，最大位移出現在坡腳附近。經中空注漿錨桿加固的邊坡塑性應變和水平位移均很小，所以采用錨桿支護是經濟可行的方案。

［1］趙樹德，廖紅建.土力學［M］.2版.北京:高等教育出版社，2010.

［2］程良奎.巖土錨固的現狀與發展［J］.土木工程學報，2000，34(2):7-12.

［3］陳祖煜，楊健.巖土預應力錨固技術的進展［J］.貴州水力發電，2004(5):5-10.

［4］邱玥，宋二祥.深基坑錨桿—土釘復合支護的三維非線性有限元分析［J］.工程勘察，200(6):1-3，7.

［5］劉志杰.高邊坡錨桿支護設計及計算問題研究［J］.基礎工程設計，2012(12):107-109.

［6］中華人民共和國建設部.JGJ 120—2012 建筑基坑支護技術規程［S］.北京:中國建筑工業出版社，2012.

［7］范秋雁，趙寧，劉財林，等.基坑錨桿受力及變形機理的現場試驗［J］.廣西大學學報(自然科學版)，2010，35(4): 639-643.

［8］汪班橋，郝建斌.基坑錨桿工程危險性評估準則與方法［J］.長安大學學報(自然科學版)，2014，34(3):80-85.

［9］崔京浩，李英.深基坑錨桿支護簡要設計計算及應用［J］.水文地質與工程地質，1995(5):48-53.

［10］林杭，曹平.錨桿長度對邊坡穩定性影響的數值分析［J］.巖土工程學報，2009，31(3):470-474.

Calculation of sliding surface in deep foundation pit and internal forces in bolt supporting

MA Wenguo1，2，WANG Lanmin1，3，LI Xuefeng2，YANG Youzhen2
(1.School of Civil Engineering and Mechanics，Lanzhou University，Lanzhou Gansu 730000，China; 2.Institute of Solid Mechanics，School of Physics Electrical Engineering，Ningxia University，Yinchuan Ningxia 750021，China; 3.Key laboratory of Loess Earthquake Engineering，China Seismological Bureau，Lanzhou Gansu 730000，China)

T he supports for the evacuation of deep foundation pit of a commercially integrated building in Yinchuan，Ningxia autonomous region was taken as the object.T he mechanism of hollow grouting bolt in the process of evacuation for slope protection was researched.Firstly，the plastic stress and lateral displacement of layer evacuation process with no bolt supporting are calculated.And then the location of the sliding surface was identified.T he plastic through area without supporting layer excavation of deep foundation pit is similar to the sliding surface calculated by the Sweden method.Secondly，according to the location of the sliding surface to choose the supporting approach and length，then carries out internal force calculation for the bolt used.T he internal force changes with the proceed of the excavation.T he results indicate that the hollow grouting bolt is an economical and practical choice for reinforcement.

Deep foundation pit;Sliding surface;Hollow grouting bolt;Internal force

U417.1+16

:ADOI:10.3969/j.issn.1003-1995.2015.11.18

(責任審編 趙其文)

2015-05-20;

:2015-08-09

國家自然科學基金項目(51368050，11202112);寧夏科技支撐計劃項目(201301)

馬文國(1980— )，男，講師，博士研究生。

1003-1995(2015)11-0058-03