框架預應力錨桿聯合微型鋼管樁新型支護結構數值分析

牛世平 莊超 董建華

（1甘肅第三建設集團公司，甘肅 蘭州 730030；2蘭州理工大學西部土木工程防災教育部工程研究中心，甘肅 蘭州 730050；3多維聯合集團有限公司，北京 100000）

0 引言

目前，國內城市化仍然在高速進行，基礎建設也較為廣泛地開展，由于土體資源的日益緊缺，高層建筑、超高層建筑越來越多，使得基坑的規模以及深度不斷增大，且在城市建設中，高層建筑大多建設于建筑較為密集的地段，基坑的開挖場地較為狹小，相鄰的新修建筑可能存在回填土沒有固結的情況，周圍土體土質松散，并且基坑場地受限，這使得傳統的單一形式的支護形式難以在這種情況下安全、高效地應用。針對這一工程問題，應當考慮結構形式上的創新。

框架錨桿結構是一種較為常用的支護結構，廣泛地應用于公路、鐵路邊坡地支護中。李忠等[1]學者提出了框架錨桿結構基于過程的穩定性計算方法。這種結構是單一形式的傳統支護結構，通過“被動”地受力維持坡體地穩定。一些學者提出了多種結構形式聯合的加固支護方式，許宏發等[2-6]對多種的聯合支護結構形式進行了系統地研究。孫鐵成等[7]對水泥攪拌樁復合土釘聯合支護結構進行了室內模型試驗研究，并取得了良好的效果，但是仍不能解決狹小場地應用的問題。楊向前等[8,9]對微型樁預應力錨桿復合土釘墻支護結構進行數值模擬研究，該結構形式對限制基坑變形具有良好的效果；由于單一形式的結構難以有效地解決復雜的地質環境下的支護問題，聯合支護體系[10-13]越來越受到關注與應用，但已有的這些聯合體系其支護思路都是單一地從“被動”承受土壓力地角度出發，往往經濟成本較大。

目前，已有的支護形式難以解決深基坑工程中施工空間狹窄、土體自身強度低的問題。針對這一問題，考慮“被動”和“主動”相結合的加固思路。提出一種既能通過受力滿足抗力要求，又能“主動”改善松散土體的特性使其強度增大，減小支護結構成本的結構——框架預應力錨桿聯合微型鋼管樁新型支護結構[14]。該結構將錨桿錨固技術、鋼管自鉆及注漿加固措施相結合，能夠改善土體的物理性質。而新型結構的工作機理以及力學性能的表現，目前還缺乏定量的研究與分析，使得其適用范圍和技術特點不夠明確。因此，本文針對框架預應力錨桿聯合微型鋼管樁新型支護結構的組成、工作機理進行詳細闡述，對力學特性進行了數值研究，以期為工程上的應用提供一些必要的技術支持。

1 框架預應力錨桿微型鋼管樁聯合支護結構的組成

新型聯合支護結構的構成，主要分為上部的框架預應力錨桿，以及下部的自鉆式微型鋼管樁錨，結構圖見圖1、2。

圖1 框架預應力錨桿微型鋼管樁聯合支護結構立面示意圖

圖1中，上部的框架錨桿結構由錨桿、橫梁和豎梁組成，三者協同受力維持坡體穩定，屬于“被動”加固結構。而框架錨桿結構的下部，即為自鉆式微型鋼管樁錨結構，該部分是新型結構的核心部分，也是新結構“主動”加固思路的體現所在；其由微型鋼管樁、樁頂的冠梁及錨桿組成，節點的約束使得上述3個構件可以協同工作受力。自鉆微型鋼管樁底部嵌固于土體內，其樁身有注漿、泄漿孔，利用壓力注漿技術，改善樁身周圍的土體性質，從而提高樁的嵌固穩定性。

圖2 框架預應力錨桿微型鋼管樁聯合支護結構剖面圖

冠梁留有通道，錨桿可固定于冠梁上，下部的微型鋼管的管身留有孔道，內部有鉆桿，見圖3所示。上部的框架錨桿底部受到冠梁的約束，而下部的微型樁其本身也固定于冠梁，因此，整個結構成為一個整體。

圖3 自鉆式鋼管結構示意圖

框架預應力錨桿結構對坡體具有良好的錨固作用，而自鉆式鋼管樁可以自鉆成孔，對周圍土體擾動小，同時壓力注漿能對樁周土體產生附加應力作用，使得土體密實，強度增高。

2 框架預應力錨桿微型鋼管樁聯合支護結構的工作機理

新型結構主要由上部的框架錨桿結構和下部的自鉆式微型鋼管樁組成，從受力的角度來看，兩部分均具有“被動”加固的能力，通過冠梁處的約束連接，使得整體上可以協同受力；鋼管樁自身的泄漿孔可以通過壓力注漿，擠壓周圍土體，“主動”改善土體力學特性。因此，依據新型結構的組成以及各部分結構的特性，其工作機理主要可分為三個方面。

2.1 框架錨桿錨固機理

該部分結構將土壓力對于結構產生的拉力，通過框架將其傳遞到錨桿上，將錨桿上的壓力通過錨固段傳遞到穩定的地層當中去，從而使得坡體的下滑力得到有效地控制，維持坡面的穩定；此外，當對錨桿施加預應力后，一方面這種反壓力使得潛在滑面處摩擦力增大，另一方面其本身可以抵消一部分下滑力，進一步地限制坡體位移。

2.2 微型鋼管樁的工作機理

新型結構中的微型鋼管樁是結合了自鉆技術和壓力注漿技術的一種加固支護結構，其本身除了“被動”受力外，還可以“主動”改善樁周土體性質，具有“主動”加固的功能。具體表現在兩個過程：1）鋼管樁通過自鉆技術打入土體，樁的進入本身就可以對土體進行擠密，提高土體強度；2）樁的自鉆完成后，進行壓力注漿，一方面注漿壓力也會對周圍土體產生擠密效果，另一方面，泥漿可以滲透到周圍土體中，使其發生部分固化，進一步的改善了土體性質。樁與樁之間、樁與土之間的整體剛度增大，協同性能更好。

2.3 結構卸荷機理

新型結構通過上部、和下部的結構相互協同配合，構成一個空間協同支護體系。上部的框架錨桿結構的放坡作用，可以降低土體壓力對下部鋼管樁的作用，而通過冠梁處的連接，可以使得坡體的土壓力一部分由錨桿傳遞到穩定地層進行分擔，一部分傳遞到鋼管樁處的穩定地層進行分擔，結構受力更加均勻，有效降低各分部的承載力設計參數。

3 新型結構工作特性的數值研究

目前，該新型結構的力學特性還未有定量的研究，其工作性能表現還缺乏研究，使得應用中缺乏技術依據，因此采用數值模擬的手段對該新型結構進行受力性能的分析。

采用有限元軟件建立框架預應力錨桿微型鋼管樁支護結構的模型，同時為了探究新型結構的優勢，同時建立樁錨支護結構的分析對象，以做對比分析。

該問題為二維平面應變問題，整個對象幾何特性為50m×30m，坑深14m，土體為理想彈塑性模型，其屈服準則為Mohr-Coulomb準則，流動準則為不相關流動準則，剪脹角為度0°；結構構件均采用線彈性模型；錨桿為ADINA中的一維rebar單元彈性模量E=2×108kPa，泊松比μ=0.3，微型鋼管樁的等效彈性模量取E=1.48×107kPa，泊松比μ=0.2，為beam單元；有限元模型見圖4。

圖4 有限元模型

3.1 注漿半徑的影響

為了探究注漿半徑對新型結構支護特性的影響，在上述模型的基礎上，設置3種注漿半徑，分別為10cm、20cm以及30cm，并進行數值分析。

基坑開挖后，坑底的隆起情況，見圖5、6和7所示。

圖5 基坑開挖后豎向位移（注漿半徑10cm）

圖6 基坑開挖后豎向位移（注漿半徑20cm）

圖7 基坑開挖后豎向位移（注漿半徑30cm）

在不同注漿半徑工況下，基坑開挖后，坑底的豎向位移會隨著注漿半徑的增大而減小，但是位移場分布的規律基本不變，改變的只是位移幅值。在三種情況下，基坑底部最大隆起量分別46.6mm、39.24mm以及34.5mm，注漿半徑為30cm時，隆起量最小，見圖8所示；此外，開挖后，注漿半徑的不同也會影響到基坑坡后土體的豎向位移，如圖9所示，在30cm的注漿半徑影響下，坡后豎向位移在整個開挖過程中都是最小的，但是位移曲線的變化規律總體一致。數值結果顯示出，注漿半徑的增大可以有效地控制基坑的位移變形。

圖8 基坑隆起位移曲線

圖9 不同注漿半徑下坡后豎向位移曲線

微型鋼管樁的注漿技術，可以有效地改善樁身周圍土體的性質，使其更為緊密，強度更高，這一局部的改變，在協同工作下，必定會對整體產生影響。3種情況下，上部框架錨桿結構錨桿軸力見表1。

可以看出，四排錨桿中，第三排的錨桿軸力在各種情況下都最小，對于同一位置處的錨桿，注漿半徑越大，錨桿的軸力則越小。

表1 錨桿軸力

注漿半徑的不同，除了會影響到上部的錨桿外，框架的彎矩也會受到影響，見圖10所示。在30cm注漿半徑下，框架的彎矩在整個坡體內都處于最小。

圖10 樁身彎矩

底部的微型樁，在不同注漿半徑影響下，其內力值也會有明顯不同，見表2所示，隨著注漿半徑的增加，同一位置處的樁內力值會減小，并且各排樁的內力值越來越接近，這意味內力分布的越均勻，受力協同性更好。

表2 樁內力信息

因此，依據上述模擬結果可知，注漿半徑的增加，不僅能夠有效地的控制基坑開挖后的變形，而且對于新型結構的工作力學特性也會產生影響，注漿半徑增大，構件的內力分布更為均勻，新型結構的協同性越強。

3.2 支護深度比的影響

新型結構從支護的形式上來看，具體可以分為上部的框架錨桿以及下部的樁錨形式，因此，在設計時，就會遇到上部深度和下部深度到底該如何確定的問題，為了探究這一問題，在基本的模型上，分別設置了3種支護深度比，1:2、1:1以及2:1。

在該種情況下，基坑坡后的豎向位移曲線見圖11，可以看出2:1工況下，位坡后豎向位移是3種情況下最小的，最值為18.9mm，但是，依據圖12所示，在3種工況下，坡后豎向位移的變化非常小；改變上、下支護深度對上部坡體的豎向位移影響較小。同理，依據圖12所示，基坑底的地面隆起3種情況下變化也非常小。

圖12 基坑隆起位移

不同深度比下，上部框架錨桿結構內力值也會受到不同程度的影響，錨桿軸力見表3所示。可以看出隨著深度比的增加，各排錨桿軸力的都會增大，特別是第三排錨桿，其軸力變化幅度較大，接近100%。這是由于上部的坡體高度的增大，使得土壓力會增大，框架錨桿結構分擔的內力也會增大。通常，在實際應用中，上下結構的高度選擇是受到場地條件限制的，因此，對于場地較小時，難以進行較大尺度放坡時，需要提高上部錨桿的承載力設計參數。

表3 深度比工況下的錨桿軸力值

深度比對下部微型樁的內力影響見表4所示：隨著深度比的增大，各排樁的內力值呈現出了先增大后減小的變化規律，深度比1:2增大到1:1時，樁的內力值時呈增大的趨勢，從1:1到2:1時，內力值出現了降低。新型結構是一種協同工作的支護結構，在考慮深度比時，除了考慮上部結構的內力分布外，也應該考慮到對于下部樁內力的影響。

表4 樁身內力信息

結合基坑開挖后的位移變形以及上部框架錨桿的內力和下部微型鋼管樁的內力變化可知，深度比的不同，對于新型結構的工作特性影響較小，在實際應用時，深度比主要受到場地的限制。

3.3 排樁數的影響

前述的研究分析中，下部的微型樁為3排布置方案，為了探究樁數量對于新型結構工作力學特性的影響，設置了2排樁布置方案以作對比。

錨桿軸力信息見表5所示，在雙排情況下，上部坡體中錨桿的軸力均大于三排布設時的錨桿軸力，其中第二排錨桿軸力變化幅度最大，相對于三排時，軸力變化約為42.25%，因此，在實際的設計應用中，應當考慮排樁數量對于上部錨桿內力的影響。

表5 深度比工況下的排樁軸力值

樁身內力值計算結果見表6。從彎矩值來看，雙排布設下，最大彎矩值出現在前排樁處，為91.56 kNm，前排樁彎矩值較后排樁大13.4%；三排形式下，前排樁彎矩值最大，為77.08kNm；剪力值的變化規律與彎矩基本一致，排樁數的增加可以有效降低樁身的內力幅值；因此，在設計選擇方案時，不僅需要從經濟成本上考慮，還應當考慮排樁數的減小對于支護結構內力的影響。

表6 樁身內力信息

4 結論與建議

1）依據新結構的組成和連接情況，新型結構的工作機理主要分為三個方面：框架錨桿支護、微型鋼管樁支護和結構的卸荷機理。

2）建立了有限元分析模型，通過數值模擬研究了注漿半徑對新結構力學特性的影響，注漿半徑的增大可以降低基坑的變形，同時可以抑制上部坡體的位移，并且使結構內力分布更為均勻，新結構個構件的協同工作能力得到加強。

3）支護深度比的增大，會引起基坑的變形的降低，但使得上部坡體中錨桿的軸力增大，對下部排樁的內力影響較小，整體來看，深度比對于新結構的影響較小。

4）排樁數量對于上部錨桿的軸力影響較大，隨著排樁數的增大，錨桿軸力分布更加均勻，且內力幅值會降低，下部排樁的內力分布也更為均勻。