基坑工程中樁錨支護結構的力學變形特性研究

陳涵，雷鳴，程成，汪中林

(長江大學城市建設學院，湖北 荊州 434023)

基坑工程中樁錨支護結構的力學變形特性研究

陳涵，雷鳴，程成，汪中林

(長江大學城市建設學院，湖北 荊州 434023)

樁錨支護體系是基坑工程中常用的支護形式，由于其獨特的支護特性和受力性能，在工程實際中被廣泛應用。為研究樁錨結構的力學變形特性，結合某深基坑工程實例，運用巖土有限元軟件MIDAS GTS NX，分析預應力錨桿和普通注漿錨桿組成的樁錨支護結構的力學變形規律。結果表明，在基坑開挖到底后，預應力錨桿+排樁的支護結構，排樁的最大水平位移為13mm，預應力錨桿的最大軸力為145kN；普通注漿錨桿+排樁的支護結構，排樁的最大位移值為28mm，注漿錨桿的最大軸力為53kN；相比普通注漿錨桿而言，預應力錨桿具有較好的限制變形能力，該研究成果可為類似工程提供一些參考。

基坑支護；MIDAS；預應力錨桿；注漿錨桿

基坑工程在巖土工程領域占有很重要的地位，是整個建筑安全的關鍵。隨著時代的發展，基坑工程項目越來越多，所涉及到的工程地質條件越來越復雜，支護方法和支護結構也更加多樣，人們對基坑支護的安全性、實用性和適用性提出了更高的要求[1～4]。在眾多支護形式中，利用排樁+錨桿(索)組合的支護結構體系由于其支護效果好、安全可靠、便于施工和開挖等一系列特點，被廣泛的應用到工程生產中[5]。但目前對預應力錨桿支護技術的理論研究相對滯后于工程實踐。樸龍澤等[6]采用理論分析方法與有限元法，研究了預應力錨索錨根處的應力特征。尤春安[7]根據錨固系統的受力特征研究了預應力錨桿錨固段的應力分布規律。高永濤等[8]根據彈性力學共同變形原理，得出預應力錨桿承載過程中錨桿軸力及其變形的計算公式。在眾多支護形式中，樁錨支護與內支撐結構相比，具有支護空間較小、施工便捷、造價低等優點；與水泥土墻支護相比，具有材料用量少、污染小、適用性廣等優點；與土釘支護相比，樁錨支護可以更好的控制土體變形[9]。

顯然，樁錨支護在眾多支護形式中優勢明顯，但是常規錨桿的作用機理仍然是被動受力，即土體產生位移之后，錨桿的作用才能得以發揮，這對高質量的基坑支護和臨近建筑的整體性很不利[10,11]。為了減少甚至是消除這種安全隱患，采用排樁+預應力錨桿支護結構可以很好解決這一問題[12,13]。下面，筆者結合基坑工程實例，對基坑開挖過程中土體的變形進行了模擬，結合理論分析和數值模擬，總結了樁錨支護體系中土體的變形規律。

1 工程概況及方案設計

1.1 工程概況

該項目地上19層，地下1層，框架剪力墻結構，地下室基坑支護設計后的基坑面積1955.5m2，基坑周長184.2m。地下室主樓部分為鉆孔灌注樁基礎，基坑邊緣承臺布置較密，基坑開挖深度計算到邊承臺墊層底，基坑邊緣承臺墊層底普遍標高為-8.80m，則實際設計計算深度為8.5m；承臺墊層底普遍標高為-10.10m，則實際設計計算深度為9.8m。

1.2 方案設計

根據場地的周邊環境及地質情況，基坑的支護形式為排樁+預應力錨桿支護。支護樁直徑800mm，C30混凝土，樁間距1300mm。錨桿采用直徑25mm的HRB400級鋼筋，錨桿的水平間距為1.3m，傾角20°，上下2排錨桿豎向間距2m。上排錨桿設計拉力值為265kN，下排錨桿設計拉力值為210kN，實際施加的預應力為140kN。

2 數值模擬分析

2.1 設計參數

表1 基坑支護設計土層參數

基坑支護設計相關的土層參數如表1所示。

綜合考慮基坑土方分層開挖的影響，錨桿采用預應力錨桿，上下2排錨桿間距為2m，錨桿水平間距為1.3m，傾角20°。第1道錨桿自由段長度為6m，錨固段長度為12m；第2道錨桿自由段長度為5m，錨固段長度為10m。根據相關研究結論，不能對錨桿施加過大的預應力，以免樁體過分后移而使受力條件惡化，危及強度和整體穩定性安全，施加的最佳預應力值為錨桿設計拉力的60%左右[14]。工程錨桿設計拉力值為265kN和210kN，為達到較好的支護效果，錨桿施加預應力為140kN。

2.2 數值模擬

利用巖土有限元分析軟件MIDAS GTS NX模擬分析排樁+注漿錨桿支護和排樁+預應力錨桿支護這2種不同情況下的周邊土體及支護結構體系的變形規律。由于工程土質及周邊環境并不十分復雜，為簡化建模采用二維平面模擬，巖石的本構模型選用巖土工程中常用的摩爾-庫倫模型。為了方便比較常規錨桿和預應力錨桿的特性，左邊上下2排錨桿施加140kN的預應力，右邊上下2排錨桿不施加預應力。重點研究錨桿的支護特性，故未設置內支撐，開挖后基坑2側的相互影響可以忽略不計，為了更直觀的比較，在同一基坑內設置普通注漿錨桿和預應力錨桿，開挖后網格圖如圖1所示。

圖1 開挖后網格圖

3 結果對比分析

3.1 支護樁側向位移對比分析

從模擬結果(見圖2和圖3)可以得出，由于左邊2排錨桿施加了預應力，其所在一側的排樁側向位移較小，模擬結果顯示最大位移值為13mm；而右邊2排錨桿未施加預應力，其所在一側的排樁側向位移較大，模擬結果最大位移值為28mm。根據《基坑工程技術規程》(DB42/T159-2012)，該工程屬于一級基坑，且a

圖2 基坑位移云圖

圖3 排樁位移云圖

3.2 錨桿軸力對比分析

開挖后錨桿軸力云圖如圖4所示。由于左右2側排樁間并未設置內支撐，故左右2側錨桿間的相互影響可以忽略不計。左側上下2排錨桿施加140kN的預應力，開挖后最大軸力為145kN，且小于錨桿的極限設計值210kN；右側上下2排錨桿未施加預應力，開挖后最大軸力僅為53kN，遠小于錨桿的極限設計值，沒有充分發揮錨桿的錨固作用。從模擬結果可知，預應力錨桿可以有效的控制基坑的變形，而未施加預應力的注漿錨桿，在基坑開挖后被動受力，該側基坑變形較大，且沒有發揮錨桿的最大作用。顯然，預應力錨桿較普通注漿錨桿具有更佳的支護效果。

圖4 錨桿軸力云圖

4 結論

采用MIDASGTSNX有限元軟件對該深基坑排樁+預應力錨桿支護結構進行了數值模擬，分析了排樁的水平位移變形和錨桿的受力特性，得出以下結論：

1)MIDASGTSNX計算的結果規律是正確的，且與實際的基坑變形特性一致，即模擬與實際的吻合度較高，模擬結果可為實際施工提供指導。

2)通過對比發現，預應力錨桿比普通注漿錨桿具有明顯的優勢，預應力錨桿作用的發揮可以較好的控制排樁的位移變形，表明了預應力錨桿在基坑工程中的優越性；預應力錨桿雖然比注漿錨桿單價高，但是其錨固效果遠優于注漿錨桿，且長期經濟效益較高，可在基坑工程實際中推廣應用。

3)錨桿預應力的大小對排樁變形影響較大，后期將在施加預應力的大小如何取值對基坑支護最有利等方面做進一步的研究。

[1]馮永. 光大銀行基坑支護方法的比較與數值模擬[D].長春：吉林大學,2015.

[2]王立軍. 深基坑樁錨支護優化研究及數值模擬[D].西安:長安大學,2014.

[3]白啟樹. 高應力軟巖回采巷道預應力錨桿-錨索支護技術研究[D].武漢:武漢理工大學,2014.

[4]郭宗斌. 樁錨基坑支護與數值模擬分析[D].邯鄲:河北工程大學,2013.

[5]曹劍波. 深基坑樁錨支護及工程應用研究[D].武漢:中國地質大學,2010.

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[7]尤春安.錨固系統應力傳遞機理理論及應用研究[D].青島:山東科技大學，2004.

[8]高永濤,昊順川,孫繼海.預應力錨桿錨固段效應應力分布規律及應用[J].北京科技大學學報，2002, 24 (4): 387～391.

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[13]董誠,鄭穎人,陳新穎,等. 深基坑土釘和預應力錨桿復合支護方式的探討[J]. 巖土力學,2009,30(12):3793～3796+3802.

[14]陳娟. 基坑樁錨支護體系現場試驗與數值模擬研究[D].長沙:中南大學,2008.

[編輯] 計飛翔

2016-12-01

湖北省自然科學基金項目(2015CFB667)；湖北省教育廳科學技術研究項目(Q20141307)；大學生創新訓練計劃項目(2015004)。

陳涵(1981-)，男，碩士生，現主要從事工程項目管理方面的研究工作。

雷鳴(1974-), 男，博士，副教授，現主要從事工程項目管理方面的教學與研究工作,88456455@qq.com。

TU470

A

1673-1409(2017)05-0060-04

[引著格式]陳涵，雷鳴，程成，等.基坑工程中樁錨支護結構的力學變形特性研究[J].長江大學學報(自科版)，2017,14(5)：60～63.