長春市某深基坑工程的預應力錨索軸力分布研究

吳麗萍，楊明月，趙彥星

(長春工程學院，吉林 長春 130012)

0 前 言

樁錨支護結構是近年來被廣泛應用的基坑支護形式，特別適用于周圍有建筑物的狹窄施工場地，能夠有效地保證基坑的安全穩定[1]。在樁錨支護體系中，預應力錨索技術起到關鍵作用，能夠有效增強土體的承載力，削弱土體的下滑力，是一種主動的支護形式[2-3]。

目前，相關學者已經做了大量試驗，將錨索預應力的變化分為三個階段：快速下降階段、波動變化階段、穩定階段[4-5]，對預應力錨索的軸力變化規律進行了一些研究，已取得一定成果。但是對于錨索自由段和錨固段的軸力分布規律的研究還有待深入，比如隨著基坑的逐步開挖卸荷，錨索的內力分布變化；下一層錨索的施加，對于上一層錨索軸力產生的影響；當施加錨索時，張拉預應力的大小，對錨索軸力損失程度的影響等。因此，針對這些問題，本文以長春市某深基坑為背景展開研究，并通過Midas GTS NX有限元軟件進行了數值模擬，分析了基坑開挖過程中錨索軸力分布的變化規律，并與實際監測數據進行了對比，為預應力錨索的軸力研究提供了依據。

1 工程案例

1.1 工程概況

某項目位于吉林省長春市，是一座超高層建筑的深基坑工程。擬建建筑物為2幢超高層建筑(A塔44F，B塔49F)和4層地下室，場地狹小，基坑周圍環境復雜，基坑形狀不規則，開挖面積約12 003 m2，平均開挖深度約20 m。

1.2 工程地質條件

擬建場地內地層分布：上層為填土層、第四系黏性土層、砂層，下層為白堊系泥巖，詳細土體參數見表1。

表1 土層物理力學參數

基坑支護范圍初見水位埋深 4.00～14.00 m，穩定水位埋深 4.70～10.40 m，穩定水位標高 207.49～211.85 m。

1.3 基坑支護設計參數

本文選用基坑西側支護段進行基坑建模，該支護段采取鋼筋混凝土樁+預應力錨索支護。支護樁樁頂標高為0.600 m，樁徑0.8 m，樁間距1.2 m，樁長30.0 m，嵌固深度 5.4 m。從上到下共布置7道預應力錨索，錨索材料采用低松弛高強度鋼絞線，傾角為15°，錨孔孔徑為 0.11 m，注漿采用 M20 級水泥漿，第1道錨索布置在樁頂往下 2.5 m處，錨索的軸向拉力設計值為156 kN，每排錨索的詳細設計參數見表2。

表2 各層錨索設計參數

地面超載取作用寬度為8 m的均布荷載，荷載值為15 kPa。

2 數值模型建立

考慮到支護場地的地質條件、支護形式及周圍環境，將數值模擬過程簡化，為了方便計算，采用基本假定如下。

1)假定各類土體均為理想的彈塑性材料。

2)假定各結構單元均為完全彈性體。

3)假定不考慮地下水對支護結構的影響。

取依托工程西側中部建立二維模型，建模時考慮基坑影響深度為基坑開挖深度的3～5倍，影響寬度為基坑寬度的3～5倍，故建立高為72 m，寬為155 m的二維平面模型進行數值計算。

巖土體采取修正摩爾-庫倫本構模型，微型鋼管樁采取梁單元，錨索采取植入式桁架單元，有限元模型如圖1所示。

圖1 有限元模型圖

3 模擬結果及分析

3.1 錨索軸力分布規律

本工程數值模擬中共分為7步開挖，共布置7排錨索，分步開挖，每開挖至錨索標高位置下0.5 m處，施加1道預應力錨索。針對這7排錨索，進行數值模擬，分析錨索軸力沿錨索長度方向分布規律，可以看出各排錨索軸力變化規律基本一致，模擬結果如圖2所示。

圖2 各排錨索軸力分布圖

從圖2可以看出：①錨索軸力均勻分布在自由段上，且軸力值基本穩定，在錨固段呈曲線型并呈下降趨勢，整根錨索軸力分布類似錐形；②在自由段內，錨索軸力表現為直線型，軸力值最大；③在錨固段內，錨固段起始端0～3 m位置應力高度集中，軸力值相對較大，3 m位置以后，軸力值迅速降低，末端軸力值幾乎為0，軸力值最小。

分析認為產生上述現象的原因為：①在自由段內，鋼絞線不直接承受土體側阻力，相當于一端固定、一端自由的桿件，錨索軸力為均勻分布；②在錨固段內，由于泥漿對鋼絞線的約束，由泥漿、錨索、土體共同組成的錨固體將錨索軸力分擔給周圍土體，因此，錨索軸力逐漸減小，并最終趨于0。

3.2 錨索軸力隨基坑開挖的變化規律

隨著基坑開挖及下層錨索施工，上層錨索軸力值也會發生變化，依據數值模擬分析結果，記錄得到錨索軸力隨開挖的變化規律如圖3所示(以四排錨索為例)。

從圖3可以看出：①開挖完成后，自由段軸力值增量較小，變化區間為8～20 kN，錨固段軸力值增量較大，變化區間為 45～65 kN，可見錨索軸力逐漸向錨固段集中，錨固段受力越來越大；②預應力錨索施工后，發生較大的軸力損失，隨著土體開挖及下層錨索的施工，軸力首先呈下降趨勢，然后又呈上升趨勢，到達一定值后又逐步趨于穩定。

具體的錨索軸力損失情況見表3所示，由表3可知：本工程錨索軸力損失率比較大，從上到下，隨著錨索軸力設計值依次增大，錨索軸力的初期損失率和開挖完成損失率均增大，可以看出，錨索軸力越大，損失率越大。

表3 錨索軸力開挖損失率

第1排錨索軸力初期鎖定值為82.82 kN，第2排錨索施加后，其錨索軸力下降5.24 kN；第2排錨索軸力初期鎖定值為81.82 kN，在第3排錨索施加后，其軸力僅下降0.42 kN，第3排錨索初期鎖定值為93.37 kN，但在施加第4排錨索后，第3排錨索軸力增加3.5 kN，此時，下排錨索的施工已經不會導致上層錨索軸力損失。可以看出，錨索位置越靠近樁頂，受下層錨索施工影響越大，損失現象越明顯。

分析認為，產生上述現象的原因為：在施加錨索初期，錨索預應力對土體產生主動作用力，使土體發生背離基坑方向的變形，因此，錨索顯示出一定的軸力損失，但隨著基坑的不斷開挖，土體在主動土壓力的作用下向基坑方向變形，使錨索軸力增長，并趨于穩定。

3.3 監測與模擬對比

依據對實際工程的監測，并將監測值與模擬值比較分析，以第1排錨索監測為例，兩種結果的軸力變化曲線如圖4所示。可以看出：模擬結果值偏大，而實際監測值偏小，這是由于實際工程又具有諸多可變性，然而，該模型沒有考慮地下水和周圍環境對基坑的影響，數值模擬具有一定的有限性，計算出的錨索軸力結果是錨索分段后的平均軸力，結果小于模擬值。但兩種結果變形趨勢大致相同，錨索軸力皆表現為快速下降、波動上升、趨于穩定三個階段，證明了Midas GTS NX數值模擬分析基坑工程的可實行。

圖4 第一排錨索軸力變化曲線

4 結 論

1)依據對模型計算結果的錨索軸力隨基坑開挖的變化規律分析，可以看出,模擬結果與實際工程的監測結果基本一致，證明了Midas GTS NX數值模擬分析基坑工程的可實行。

2)整根錨索軸力分布類似錐形，錨桿軸力均勻分布在自由段內，在錨固段中，應力高度集中在錨固段開始處0～3 m位置，3 m位置后，軸力值迅速減小，末端軸力值幾乎為0。計算和實測結果表明，錨固段在一定長度內發揮作用，超出一定長度后軸力為0，錨固段已不再發揮作用。

3)隨著土體開挖及下層錨索的施工，錨索軸力逐漸向錨固段集中，錨固段受力越來越大，由上向下呈遞增趨勢。同時，下一層錨索的施加會對上一層錨索造成軸力損失，且錨索越靠近樁頂位置，損失現象越顯著。在基坑施工過程中，錨索軸力先呈下降趨勢，隨后又呈上升趨勢，到達一定值后又逐步趨于穩定，這與前文提到的相關學者對于錨索軸力變化規律的研究吻合。本工程錨索軸力初期損失率較大，約46.9%～58.1%，開挖完成損失率約24.9%～41.7%，且軸力越大、損失越大。故為減少軸力損失、避免軸力損失產生的影響，設計時可適當提高軸力設計拉力值。