預(yù)應(yīng)力錨桿在深基坑支護中的應(yīng)用及錨桿參數(shù)影響分析

鐘海

摘要：文章以某建筑深基坑工程開挖支護為研究對象，分析了該深基坑采用預(yù)應(yīng)力錨桿支護的效果，并著重對錨桿參數(shù)進行了分析，得到以下結(jié)論：采用有限元軟件PLAXIS和巖土理正軟件計算得到的基坑邊坡安全系數(shù)相近，說明了有限元模型的準(zhǔn)確性；隨著基坑開挖深度的不斷增大，基坑邊坡安全系數(shù)逐漸降低，且降低速率逐漸放緩，基坑開挖支護完成后的邊坡安全系數(shù)為1.502，大于規(guī)定的最小值1.30，說明該工程基坑開挖支護完成后的安全系數(shù)滿足要求；增大錨桿錨固段長度和增大錨桿預(yù)應(yīng)力值均可以在一定程度上減小基坑側(cè)壁水平位移和基坑周圍地表沉降，從而提高基坑穩(wěn)定性，且采用增大錨桿預(yù)應(yīng)力值的方式要比增大錨桿錨固段長度更有效。

關(guān)鍵詞：深基坑工程；預(yù)應(yīng)力錨桿；參數(shù)影響；有限元模擬

中圖分類號：U417.1+16 A 27 084 4

0 引言

深基坑工程支護問題是建筑行業(yè)中經(jīng)常遇到的工程問題之一，如何保證深基坑工程在開挖和支護過程中的安全至關(guān)重要。近年來，國內(nèi)學(xué)者對此進行了一些研究：沈榮鋒、許杰斌［1-2］在實際工程中發(fā)現(xiàn)深基坑工程常常會因為施工偏差而不能滿足設(shè)計要求，以南京市某深基坑為研究對象，重點分析了該工程采用預(yù)應(yīng)力錨桿加固的效果及經(jīng)濟效益；陳月美、童發(fā)［3-4］在研究基坑支護特點的基礎(chǔ)上，對目前工程中常見的深基坑支護形式進行總結(jié)分析，最終提出了采用預(yù)應(yīng)力錨桿和荷載分散式錨桿技術(shù)解決基坑支護中一些常見問題；唐春松、胡琦兄［5-6］從深基坑開挖支護特點出發(fā)，分析和探索了深基坑的質(zhì)量控制方法，在提高建筑企業(yè)施工管理水平方面提出了一些見解；徐森躍、沈科元［7-8］通過統(tǒng)計分析得出預(yù)應(yīng)力土層錨桿技術(shù)在實際工程中較為經(jīng)濟且效率也較高，并以此為研究重點，著重介紹預(yù)應(yīng)力土層錨桿概念和技術(shù)特點，分析了預(yù)應(yīng)力土層錨桿作用方式和特點。本文主要以某建筑深基坑工程開挖支護為研究對象，分析了該深基坑采用預(yù)應(yīng)力錨桿支護的效果，并著重對錨桿參數(shù)進行了分析，研究結(jié)果可為深基坑工程設(shè)計和施工提供參考。

1 工程簡介

某建筑深基坑深度為11.6 m，基坑邊坡坡率為1∶0.5，剖面形狀如圖1所示。采用2 m×2 m預(yù)應(yīng)力錨桿復(fù)合土釘支護結(jié)構(gòu)，支護從上而下共分為6排，其中第1～3排為預(yù)應(yīng)力錨桿支護，錨桿施加預(yù)應(yīng)力，錨桿長度從上至下依次取12 m、15 m和15 m，其中錨固段分別長7 m、10 m和10 m，設(shè)計抗拔力分別為100 kN、220 kN和220 kN，每排間距取3.0 m，注漿層厚度取110 mm，由1根直徑28 mm鋼筋組成，錨索與水平面夾角取15°。第4～6排為土釘支護，土釘長度均為12 m，由1根直徑28 mm鋼筋組成，設(shè)計抗拔力分別為220 kN。

2 分析方法

2.1 有限元模型的建立

如圖2所示，采用PLAXIS軟件建立模型。模型長、寬、高依次為70 m、20 m、50 m。模擬過程中，錨桿、土釘采用結(jié)構(gòu)單元模擬，其他采用實體單元模擬，除上邊界外，其他邊界均進行位移約束。原始地層從上往下分為2層，依次為粉土和夾塊粉質(zhì)黏土，厚度分別為15 m和35 m。

該基坑的開挖坡率為1∶0.4，整體采用預(yù)應(yīng)力錨桿復(fù)合土釘支護結(jié)構(gòu)，支護結(jié)構(gòu)共6排，其中上三排為預(yù)應(yīng)力錨桿支護結(jié)構(gòu)，從上至下錨桿設(shè)計預(yù)應(yīng)力值依次為60 kN、120 kN和120 kN，下三排為土釘支護結(jié)構(gòu)，基坑表面掛鋼網(wǎng)后噴射80 mm混凝土支護。錨桿和土釘與水平面夾角均為20°，除第一排鋼筋采用28 mm外，其他排鋼筋均采用32 mm；除第二、三排錨桿長度取15 m外，其余均取12 m；錨桿和土釘孔徑均采用二次注漿，并在基坑頂部和底部設(shè)置排水溝。

如表1和表2所示，給出了基坑土體和錨桿、土釘?shù)牧W(xué)參數(shù)。

2.2 基坑開挖支護過程

主要分6個步驟進行，分別為：步驟一，開挖第1層至-2 m，施作第一排錨桿，施加錨桿預(yù)應(yīng)力并噴射面層混凝土；步驟二，開挖第2層至-4 m，施作第二排錨桿，施加錨桿預(yù)應(yīng)力并噴射面層混凝土；步驟三，開挖第3層至-6 m，施作第三排錨桿，施加錨桿預(yù)應(yīng)力并噴射面層混凝土；步驟四，開挖第4層至-8 m，施作第一排土釘和噴射面層混凝土；步驟五，開挖第5層至-10 m，施作第二排土釘和噴射面層混凝土；步驟六，開挖第6層至-11.5 m，施作第三排土釘和噴射面層混凝土。

3 預(yù)應(yīng)力錨桿支護基坑穩(wěn)定性分析

為了對預(yù)應(yīng)力錨桿支護基坑效果進行分析，如圖3所示，給出了基坑開挖過程中的位移云圖。由圖3可知，每個開挖步的開挖破裂面基本呈圓弧狀，且從坡腳附近發(fā)生滑裂，最大滑裂面曲線從錨桿的自由段和錨固段相交處穿過。如表3所示給出了基坑開挖支護過程中的穩(wěn)定性系數(shù)。由表3可知，采用PLAXIS軟件和巖土理正軟件計算得到的基坑邊坡安全系數(shù)相近，二者差值＜4%，說明了有限元模型的準(zhǔn)確性。將圖3與表3結(jié)合來看，隨著基坑開挖深度的不斷增大，基坑邊坡安全系數(shù)逐漸降低，且降低速率逐漸放緩，基坑開挖支護完成后的邊坡安全系數(shù)為1.502。

根據(jù)《基坑土釘支護技術(shù)規(guī)程》（CECS 96∶97）要求，如表4所示，該工程基坑最小安全系數(shù)應(yīng)≥1.30。由此可知，該工程基坑開挖支護完成后的安全系數(shù)滿足要求，處于穩(wěn)定狀態(tài)。

4 錨桿參數(shù)變化影響分析

本節(jié)主要基于錨固段長度變化和錨桿預(yù)應(yīng)力變化對基坑側(cè)壁水平位移與基坑周圍地表沉降的影響進行監(jiān)測分析。

4.1 錨固段長度變化

如圖4所示，給出了基坑側(cè)壁水平位移隨錨桿錨固段長度的變化曲線。由圖4可知，基坑開挖支護完成后，隨基坑深度增加，基坑側(cè)壁水平位移先增大后減小，在基坑1/2深度附近側(cè)壁水平位移最大。基坑側(cè)壁水平位移隨著錨桿錨固段長度的增大而減小，錨固段長度取8 m、10 m和12 m時的基坑側(cè)壁水平位移最大值分別為21.28 mm、19.42 mm和18.26 mm。相比于錨固段長度取8 m時，錨固段長度取10 m和12 m時的基坑側(cè)壁水平位移最大值分別減少8.7%和14.2%。

如圖5所示，給出了基坑周圍地表沉降隨錨桿錨固段長度變化曲線。由圖5可知，隨著與基坑距離的增大，地表沉降先增大后減小，基坑周圍最大地表沉降值發(fā)生在距離基坑邊緣約9 m處。基坑周圍最大地表沉降隨著錨桿錨固段長度的增大而減小，錨固段長度取8 m、10 m和12 m時的基坑周圍最大地表沉降最大值分別為25.62 mm、24.18 mm和22.88 mm。相比于錨固段長度取8 m時，錨固段長度取10 m和12 m時的基坑周圍最大地表沉降最大值分別減少5.6%和10.7%。

綜上可知，增大錨桿錨固段長度可以一定程度上減小基坑側(cè)壁水平位移和基坑周圍地表沉降，從而提高基坑穩(wěn)定性。

4.2 預(yù)應(yīng)力大小變化

如圖6所示，給出了基坑側(cè)壁水平位移隨錨桿預(yù)應(yīng)力大小的變化曲線。由圖6可知，基坑開挖支護完成后，隨基坑深度增加，基坑側(cè)壁水平位移先增大后減小，在基坑1/2深度附近側(cè)壁水平位移最大。同時，基坑側(cè)壁水平位移隨著錨桿預(yù)應(yīng)力的增大而減小，錨桿預(yù)應(yīng)力取50 kN、100 kN和150 kN時的基坑側(cè)壁水平位移最大值分別為24.13 mm、18.96 mm和15.64 mm。相比于預(yù)應(yīng)力取50 kN時，錨桿預(yù)應(yīng)力取100 kN和150 kN時的基坑側(cè)壁水平位移最大值分別減少21.4%和35.2%。

如圖7所示，給出了基坑周圍地表沉降隨錨桿預(yù)應(yīng)力大小的變化曲線。由圖7可知，隨著與基坑距離的增大，地表沉降先增大后減小，基坑周圍最大地表沉降值發(fā)生在距離基坑邊緣約9 m處。基坑周圍最大地表沉降隨著錨桿預(yù)應(yīng)力的增大而減小，錨桿預(yù)應(yīng)力取50 kN、100 kN和150 kN時的基坑周圍地表沉降最大值分別為26.03 mm、24.15 mm和22.48 mm。相比于預(yù)應(yīng)力取50 kN時，錨桿預(yù)應(yīng)力取100 kN和150 kN的基坑周圍最大地表沉降最大值分別減少7.2%和13.6%。

綜上可知，增大錨桿預(yù)應(yīng)力值可以一定程度上減少基坑側(cè)壁水平位移和基坑周圍地表沉降，從而提高基坑穩(wěn)定性，且采用增大錨桿預(yù)應(yīng)力值的方式要比增大錨桿錨固段長度更有效。

5 結(jié)語

本文主要以某建筑深基坑工程開挖支護為研究對象，分析了該深基坑采用預(yù)應(yīng)力錨桿支護的效果，并著重對錨桿參數(shù)影響進行了分析，得到以下結(jié)論：

（1）采用PLAXIS軟件和巖土理正軟件計算得到的基坑邊坡安全系數(shù)相近，說明了有限元模型的準(zhǔn)確性。

（2）隨著基坑開挖深度的不斷增大，基坑邊坡安全系數(shù)逐漸降低，且降低速率逐漸放緩，基坑開挖支護完成后的邊坡安全系數(shù)為1.502，大于規(guī)定的最小值1.30，說明該工程基坑開挖支護完成后的安全系數(shù)滿足要求，處于穩(wěn)定狀態(tài)。

（3）增大錨桿錨固段長度和增大錨桿預(yù)應(yīng)力值均可以一定程度上減小基坑側(cè)壁水平位移和基坑周圍地表沉降，從而提高基坑穩(wěn)定性，且采用增大錨桿預(yù)應(yīng)力值的方式要比增大錨桿錨固段長度更有效。

參考文獻

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收稿日期：2023-07-10