基坑錨桿支護施工工藝與數值模擬研究

劉立偉 張吉慶 侯中偉 張子明

(青島瑞源工程集團有限公司，山東 青島 266555)

1 概述

基坑工程由于不確定因素較多，具有一定的危險性。特別是在錨桿支護結構施工過程中，錨固體與土體間力學作用復雜，稍有不慎就會影響支護效果，危害基坑安全。李明瑛等[1]基于Midas軟件建立了三維深基坑模型，研究了基坑開挖及地下室施工過程中擋土樁的水平位移、豎向位移以及錨桿錨固力等的變化規律，為變形控制設計與工程監測提供依據。李永[2]利用ANSYS有限元軟件對基坑的開挖過程進行了數值模擬，研究由于對錨桿施加預應力而產生的應力集中現象，使得樁與錨桿接觸部位的周圍小范圍內應力相對較大。賈金青等[3]利用FLAC軟件模擬了基坑支護中，錨桿形式對錨桿預應力設計值的影響及其對滑移帶的影響進行了研究。鐘連祥等[4]利用有限元軟件Midas對深基坑樁錨支護結構進行了數值模擬研究，通過對比基坑土體變形值和實際監測變形值，驗證了此模型的準確性和可行性,得出錨桿軸應力在自由段分布均勻，在錨固段逐漸減小的變化規律。此外，深入分析了深基坑樁錨支護結構變形的影響因素。

2 錨桿支護設計基本理論

2.1 錨桿設計計算

軸力計算：

通常將錨桿視作簡支梁，然后用近似計算的方法來計算錨桿的支護軸力：取寬為基坑側壁上相鄰兩排錨桿間距，高為基坑側壁高度的梁模型，模型中錨桿軸心受拉力，其大小為：

(1)

其中，Rn為基坑側壁支反力；α為面層豎向傾斜角度;β為桿件與水平方向夾角。

承載力計算：

錨桿支護結構的目的是保證極限狀態下不會被從支護體中拔出，因此錨桿承載力需要滿足三個條件：

1)桿體抗拔力要求：

(2)

2)錨固段抗拔力要求:

(3)

3)錨下結構承載力:

TR≤R

(4)

其中，fyk為鋼筋抗拉強度標準值；d為桿體部分直徑；D為鉆孔直徑；n為錨桿桿體根數；fmg為地層土體和注漿體的粘結強度；fms為錨桿和注漿體部分粘結強度；R為錨下結構部分保證整體穩定狀態下的承載力最小值。

2.2 錨桿的施工與施工監測

2.2.1施工

錨桿支護結構的施工質量會影響到基坑的安全、成本和質量，其主要包含以下施工過程：

1)錨桿鉆孔作業。

錨桿的鉆孔成孔作業關乎錨固結構的成本、工期和質量，是錨桿施工中的重要工序。鉆孔作業必須按照設計圖紙及相關規定進行操作，將鉆孔直徑、孔深、傾角等嚴格控制在誤差允許范圍內。為確保鉆孔質量，鉆孔過程可根據地質條件采用干法或濕法作業，使用沖擊鉆或旋挖鉆進行操作。

在我國傳統的肉羊養殖過程中，在飼料加工利用方面的技術是較為匱乏的，通常是利用養殖地區秸稈資源來進行粗放式飼養，但是由于作物秸稈中所含有的木質纖維以及纖維素非常豐富，營養能量較低，使得在這種粗放式飼養的過程中肉羊對于秸稈的消化和吸收較為困難，不但會造成飼料的浪費，同時也不利于肉羊增重。為了更好的提升肉羊對秸稈的吸收，可以對秸稈進行發酵處理，通過微貯加工技術來有效的提升肉羊對于飼料中養分的吸收率，從而使肉羊可以迅速增重。

2)錨桿安裝。

打入巖土層的錨桿在被拉拔至平衡狀態的過程中，預緊力會逐漸喪失，為起到降低預緊力損失的效果，錨桿桿體通常采用強度較高的鋼筋或鋼絞線。錨桿安裝前要仔細檢查確認上一步的施工質量，避免浪費材料和時間。

3)錨桿注漿。

錨桿中錨固所用灌漿根據巖土體性質可選擇水泥砂漿或水泥漿，利用注漿泵，以0.1 MPa～12 MPa的注漿壓力注入巖土體，使得錨桿和周邊巖土體錨固成整體。

4)預應力張拉。

若使用預應力錨桿則需要對鋼筋、鋼絞線進行張拉以產生預應力，普通錨桿不需要進行張拉作業。

5)錨桿防腐。

由于錨桿工作環境為巖土體，巖土體內含酸/堿性水、金屬離子等腐蝕錨桿的不利因素，因此需要對錨桿進行外露段涂瀝青、桿體用砂漿封閉等防腐工作。

2.2.2監測

基坑施工過程中監測的目的是及時掌握支護體的變形、錨桿軸力變化等情況，通過對當前支護效果的評價來指導下一步設計和施工工作。需要監測的內容有以下幾點：

1)變形：包括基坑沉降量以及基坑側壁位移量，還有基坑周邊道路、建筑的下沉量；

2)力：包括錨桿所受軸力和剪力。

3 基坑錨桿支護數值模擬

以青島南下莊小區基坑為背景。

3.1 數值模型

基坑模型尺寸為長×寬×高=260 m×10 m×30 m，為摩爾庫侖本構關系。從距離模型左邊界60 m處開挖，第一次開挖2.5 m深，在距離基坑開挖頂部2.2 m處布置15 m長錨桿，傾斜角度為25°，橫向排距為2 m；第二次開挖2 m，布置第二批長度11 m的錨桿，縱向間距1.6 m，橫向排距2 m，傾斜角度為25°；第三次開挖2 m，布置第三批長度9 m的錨桿，縱向間距1.6 m，橫向排距2 m，傾斜角度為25°；錨桿布置如圖1所示。

3.2 模擬結果分析

3.2.1基坑變形分析

監測基坑側壁上距頂部2 m處點的變形，導出未支護方案和錨固支護下監測點的水平位移變化趨勢圖如圖2所示。

從圖2中可以看出，未對基坑側壁進行錨固支護時，其經過三次開挖，變形呈顯著增大趨勢，最大約達到10 mm，通過錨固支護后，基坑側壁變形減緩，第三次開挖后變形約為4 mm，降低了60%，說明錨固效果明顯。

3.2.2錨桿軸力分析

監測三次開挖下錨桿最大軸力，制作最大軸力變化趨勢圖如圖3所示。

從圖3可以看出，隨著開挖深度增加，錨桿軸力不斷增大，還發現錨桿軸力峰值出現在第一次支護的錨桿上，說明土體開挖使得基坑側壁上土體產生傾斜下滑的趨勢，此趨勢隨開挖深度增加愈發明顯，這將導致錨固體與土體間摩阻力提升，錨固效果得到增強，可以防止土體發生滑移破壞。

4 結語

本文淺談了錨桿支護設計的基本理論，論述了錨桿支護施工中的注意事項和監測內容，然后以青島地區某基坑工程為背景進行有限元模擬，通過監測有無錨固支護兩種方案下基坑側壁變形與錨桿軸力變化趨勢，發現錨固可以顯著降低基坑側壁水平位移，且錨桿軸力峰值出現在第一次支護的錨桿。