群錨效應(yīng)下預(yù)應(yīng)力錨索軸力變化分析

吳麗萍，莫韜韜

（長春工程學(xué)院，吉林 長春 130012）

群錨效應(yīng)是指當(dāng)基坑支護(hù)中錨桿的布置間距較小時(shí)，錨桿在地層中產(chǎn)生的應(yīng)力場會相互重疊，這時(shí)錨桿的承載能力就會降低，且會增加基坑的變形量，甚至影響基坑安全。規(guī)范中規(guī)定錨桿間距不宜小于1.5 m來避免群錨效應(yīng)，然而由于土體的復(fù)雜性和錨桿長度及孔徑等的影響，預(yù)應(yīng)力錨桿中存在不同程度的群錨效應(yīng)問題[1]，關(guān)于如何正確避免群錨效應(yīng)以及群錨效應(yīng)下錨索軸力損失規(guī)律的研究，在如今顯得越來越重要。

1 群錨效應(yīng)研究現(xiàn)狀

張昕等[2]將群錨效應(yīng)的產(chǎn)生歸于兩大原因，一是錨桿在土體中的應(yīng)力場發(fā)生重疊，相當(dāng)于失去了部分土體重力；二是剪切應(yīng)變場內(nèi)側(cè)剪切帶相互影響，導(dǎo)致群錨喪失了部分剪切強(qiáng)度。李峰等[3]通過數(shù)值模擬的方法對施加預(yù)應(yīng)力錨索的巖體中應(yīng)力場和變形場的變化特征進(jìn)行了計(jì)算分析。馬向前[4]通過三錨、四錨試驗(yàn)得出：四錨（矩形）布置形式的承載能力與位移控制均優(yōu)于三錨（三角形）布置形式。

在前人的研究基礎(chǔ)上，本研究擬建立Midas GTS NX有限元模型，對多根錨索在不同間距下的受力情況進(jìn)行模擬分析，得出不同情況下群錨效應(yīng)對錨索軸力的影響關(guān)系。

2 模型數(shù)據(jù)選取及建模

為使模擬結(jié)果貼合實(shí)際情況，模型中各土層信息及支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)均參考吉林省長春市某實(shí)際樁錨支護(hù)深基坑工程，選用的各土層主要物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 土層參數(shù)

為了減小模擬時(shí)基坑的角部效應(yīng)影響，基坑模型尺寸采用30.0 m（長）×10.0 m（寬）×7.0 m（深）的條形基坑，錨索布置在長邊中部進(jìn)行受力分析，考慮開挖產(chǎn)生的影響，模型邊界大小設(shè)定為70.0 m（長）×50.0 m（寬）×15.0 m（深）。

支護(hù)形式采用“鋼筋混凝土樁+預(yù)應(yīng)力錨索”，支護(hù)樁樁徑為0.6 m，樁長為9.0 m，樁間距為1.0 m，錨索參數(shù)如表2所示（為方便研究，只布置3根錨索）。

表2 錨索參數(shù)

模型中支護(hù)樁等剛度轉(zhuǎn)換為地下連續(xù)墻進(jìn)行模擬，錨索采用1D植入式桁架模擬，模擬情況與實(shí)際情況的吻合度較高，已被大量試驗(yàn)研究證明，基坑網(wǎng)格模型如圖1所示。

圖1 基坑網(wǎng)格模型

3 模擬結(jié)果及分析

開挖完成后的支護(hù)結(jié)構(gòu)整體變形如圖2所示，結(jié)果顯示：長邊位移明顯大于短邊位移，且南側(cè)長邊因施加了錨索，樁身位移相比未加錨索的一側(cè)明顯變小，可見模型參數(shù)選取較為合理，模擬結(jié)果基本符合實(shí)際情況，可以進(jìn)行下一步試驗(yàn)分析。

圖2 支護(hù)結(jié)構(gòu)變形云圖

3.1 表征群錨效應(yīng)的指標(biāo)

本研究采用測定開挖完成后中間錨索在相鄰錨索影響下的軸力大小差異來表征群錨效應(yīng)，此數(shù)據(jù)易于獲取，結(jié)果也相對可靠。在后處理選項(xiàng)中選擇施工階段，在Truss Element Forces欄點(diǎn)擊Axial Force選項(xiàng)即可顯示該階段錨索軸力云圖（見圖3）。由圖3可知，在1.0 m間距下，中間錨索最大軸力明顯小于兩邊的錨索，軸力損失約22.3 kN，表明此時(shí)中間錨索受群錨效應(yīng)的影響較為嚴(yán)重。

圖3 開挖完成后錨索軸力云圖

3.2 不同間距下的群錨效應(yīng)

根據(jù)現(xiàn)行的《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》，錨桿的水平間距不宜小于1.5 m；多層錨桿的豎向間距不宜小于2.0 m。由于實(shí)際施工中錨索豎向間距很少出現(xiàn)小于2.0 m的情況，本研究只分析不同水平間距下的群錨效應(yīng)。

在上一個(gè)模型的基礎(chǔ)上，改變各錨索的水平間距，其他條件不變，共分5組試驗(yàn)進(jìn)行建模分析，所用數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 各試驗(yàn)組錨索參數(shù)

將3道錨索按所處位置分別命名為左錨、中錨和右錨，整理試驗(yàn)組所得數(shù)據(jù)，結(jié)果如表4所示。

表4 各試驗(yàn)組錨索軸力變化

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，群錨效應(yīng)受水平間距影響較大。當(dāng)錨索按水平間距為1.0 m布置時(shí)，左、右錨索軸力明顯大于中錨，表明中錨受群錨效應(yīng)影響較為嚴(yán)重，最大軸力相比于左、右錨索損失率約為17.1%；當(dāng)水平間距為1.5 m時(shí)，3根錨索的最大軸力均上升，但中錨軸力上升速率明顯大于左、右錨索，表明群錨效應(yīng)影響明顯減弱，但最大軸力相比于兩邊錨索仍損失約6.6%；當(dāng)水平間距為2.0 m時(shí)，中錨的最大軸力繼續(xù)上升，但速率相比于上組明顯減小，而此時(shí)3道錨索的最大軸力已經(jīng)相差無幾，中錨最大軸力相比于左、右錨索損失率僅為1.5%，表明此時(shí)群錨效應(yīng)的影響已經(jīng)較為微弱；當(dāng)水平間距繼續(xù)加大至2.5 m和3.0 m時(shí)，雖然中錨的最大軸力仍在上升，但速度越來越慢，且中錨的最大軸力與兩邊錨索基本一致，此時(shí)群錨效應(yīng)影響已十分微弱，可以忽略不計(jì)。

由此可以得出，1.5～2.0 m是布置預(yù)應(yīng)力錨索時(shí)較為合理的水平間距，既可大幅度避免群錨效應(yīng)造成的危害，也能防止間距過大導(dǎo)致支護(hù)結(jié)構(gòu)安全系數(shù)降低。

4 結(jié)論

（1）預(yù)應(yīng)力錨索宜采取水平間距1.5～2.0 m進(jìn)行施工，此間距下既可避免群錨效應(yīng)，充分發(fā)揮錨索的錨固力，又能防止間距過大出現(xiàn)支護(hù)結(jié)構(gòu)安全系數(shù)降低的風(fēng)險(xiǎn)。

（2）當(dāng)水平間距取1.0 m時(shí)，據(jù)模擬所得結(jié)果，中間錨索受群錨效應(yīng)影響，軸力最大損失率達(dá)17.1%。