地鐵深基坑采用可回收錨索支護的錨固機理研究

李習偉，王　建，李兆平（.中國礦業大學 力學與建筑工程學院，江蘇 徐州　6；.北京交通大學 土木建筑工程學院，北京　00044）

地鐵深基坑采用可回收錨索支護的錨固機理研究

李習偉1，王建2，李兆平2
（1.中國礦業大學 力學與建筑工程學院，江蘇 徐州221116；2.北京交通大學 土木建筑工程學院，北京100044）

可回收錨索的應用不但可以解決普通錨索支護造成的地下建筑垃圾問題，而且不影響鄰近地下空間的開發利用，在今后的城市建設中有廣闊的應用前景。以深圳地鐵3號線停車場深基坑支護使用的可回收錨索為研究對象，建立了數值計算模型，研究可回收錨索對土體的約束作用、錨索周圍土體的應力分布以及錨索錨固段的剪力和軸力分布規律。計算結果表明：界面剪應力沿錨固段并非均勻分布，而是呈指數曲線形式，錨固段軸力分布呈單調遞減函數形式；隨著預應力的增大，錨固體的剪應力和軸力也隨之增大，施加預應力的變化并沒有改變剪應力和軸力的分布規律?；谟嬎憬Y果提出錨固段“有效錨固長度”的概念。錨索參數設計應考慮錨固段黏結應力的實際分布狀況。最后給出了深圳地鐵3號線停車場基坑各層錨索錨固段長度值。

基坑支護結構；可回收預應力錨索；錨固段剪應力和軸力；有效錨固長度

錨索是基坑工程邊坡支護中一種常見材料，但常規錨索永久埋藏于地下，無法取出，不僅導致了浪費，而且由于錨索不回收而侵犯到鄰近地下空間的產權，其應用逐步受到限制［1］。采用可回收式錨索是解決上述問題的有效方法。在其使用功能完成后可以將錨索體從鉆孔內回收并重復利用，不但可以降低造價，更重要的是可以解決臨時支護造成的地下垃圾問題，在城市地下工程的基坑支護中將會有廣闊的應用前景。

近年來國內已經在深圳、廣州、北京等城市的深基坑邊坡支護中開始了可回收錨索的應用研究［2-7］，但對可回收錨索的錨固力學機理則較少涉及。在工程應用中往往假定土體和錨固體界面的黏結應力（剪應力）沿整個錨固段呈均勻分布形式。

本文結合一工程深基坑的可回收錨索錨固參數設計，采用數值模擬方法，對可回收預應力錨索的加固機理及其作用效果進行了探討。

1　可回收錨索錨固機理

深圳地鐵龍崗線西延段停車場工程采用明挖法施工，其基坑北端采用φ1 200 mm鉆孔樁+φ600 mm旋噴樁+可回收錨索圍護形式。錨索為承壓型預應力錨索，由鋼絞線、波紋套管、承載體、固定臺座、注漿體和外錨頭組成。其結構如圖1所示。

圖1　可回收預應力錨索結構示意

對于常規預應力錨索的錨固機理研究工作成果已經基本能夠滿足設計需要［8-10］。深圳地鐵龍崗線西延段停車場工程深基坑支護所使用的錨索是一種典型的承壓型錨索，與傳統預應力錨索最大不同在于可回收錨索鋼絞線不被水泥漿包裹，僅靠水泥漿包裹承載體和塑料螺紋套管，與土體連接受力。鋼絞線一端固定在外錨頭處，一端固定在端尾部的固定臺座上，張拉鋼絞線，使固定臺座受力并將拉拔力傳遞給承載體，承載體通過機械力及摩擦力將拉拔力傳遞給周圍注漿體，注漿體再以壓應力將力傳遞給錨固段的注漿體，最后錨固段漿體通過剪應力將力傳遞到周圍巖土體中，因此是一種壓力型錨索。

2　可回收錨索錨固機理模擬方法

采用FLAC3D模擬計算軟件，該軟件設置了梁、錨、樁、殼4種結構單元，可以方便地模擬基坑邊坡支護中的錨桿（索）、襯砌、混凝土噴層等。

可回收錨索的加固效果主要體現在2方面：①錨索對周圍巖土體的應力場的貢獻；②錨索對基坑邊坡土體約束變形的貢獻，尤其是隨著基坑開挖的進行，錨索的剛度貢獻不斷變化調整。本文主要研究可回收錨索對土體的加固作用機理及錨固段傳力機理，不考慮基坑土方開挖對錨索性能的影響。

2.1錨索模擬方法

錨索錨固段采用Cable單元模擬，自由段不模擬，將預應力的作用簡化為1個集中力作用在錨固段的端頭部，并且在土體表面1 m×1 m的范圍內施加均布面荷載來模擬錨索對土體的壓縮作用。模型周圍表面均采用法向約束，僅在施加荷載的土體表面為自由約束。2.2錨索單元的模擬

錨索單元設置成一維理想彈塑性2節點直線單元，每個節點在軸向只有1個平動自由度（相對于轉動自由度）。錨索單元可以在張力或壓力下達到屈服狀態，但是不能承擔彎矩作用。錨索單元和周圍介質節點之間通過平行于軸線方向的剪切摩擦作用與周圍介質發生作用。被賦予注漿參數后，當錨索體與周圍介質土體之間有相對位移的趨勢時，沿錨索長度就會產生力阻止這個相對位移，以此來模擬實際受力情況。

2.3注漿體的剪切性質

錨固體與土體界面間的作用本質上說是黏結作用和摩擦作用，注漿體的剪切性質用彈簧和滑片效應進行簡化，并通過漿體的剪切剛度、漿體的黏結強度、漿體的摩擦角、外圍周長等參數來控制。注漿體的剪切剛度從拉拔試驗直接獲得。

2.4界面的剪切滑移模擬

采用FLAC3D軟件自帶的Cable單元可以考慮界面的剪切滑移作用。

3　可回收錨索錨固機理數值模擬

3.1可回收錨索單錨計算模型及參數

可回收錨索計算模型見圖2。模型尺寸10 m× 10 m×30 m，錨固段長度取15 m，自由段長度6 m，錨索放在模型的中心。預應力取100 kN，對于普通錨索在錨固段的端頭部施加集中力100 kN，而對于可回收錨索在錨固段的端尾部施加集中力100 kN，并在各自對應的土體表面1 m×1 m的范圍內施加均布荷載100 kPa。計算模型不考慮土體自重作用，長方體模型6個面除均布荷載作用面為自由約束外，其余全采用方向約束。

土體物理力學參數見表1。采用摩爾-庫倫本構模型，錨索力學參數見表2。

圖2　可回收式錨索計算模型

表1　土體（殘積土）物理力學參數

表2　錨索力學參數

3.2可回收錨索錨固效果分析

1）可回收錨索對土體的約束作用

錨索XY平面Y方向位移云圖見圖3。可見：錨墩處土體表面產生了壓縮區，而且在錨墩中心處位移最大。由于錨固段尾部受到錨索拉力的作用，錨固段尾部周圍土體也有一定的位移，但小于錨墩處的土體位移，錨固段其余部位周圍的土體幾乎沒有變形。而一般的預應力錨索會在錨固段的端頭部位周圍土體中產生較大的位移?？苫厥斟^索有利于將不穩定巖土體錨固在地層更深部，有利于圍護結構體系的穩定。

圖3　錨索XY平面Y方向位移云圖（單位：m）

2）錨索周圍土體的應力分布

模型XY平面Y方向正應力云圖見圖4。可見：在預應力錨索的作用下，土體中明顯地形成了1個受壓區和1個受拉區。錨索張拉力在錨墩周邊的土體中形成了一個壓應力集中區。該應力集中區的范圍沿錨索徑向約為（2～3）D（D為錨墩邊長），從自由段端部到距離錨固段尾部4 m的范圍土體均為受壓區。這說明可回收錨索對土體的加固范圍要比普通的預應力錨索大，加固效果更好。

圖4　模型XY平面Y方向正應力云圖（單位：Pa）

3）錨索錨固段應力分布

錨索錨固段部位土體的Y向正應力云圖見圖5。可見，在錨固段尾部形成1個拉力集中區，在錨固段沿軸向離拉力集中區約4 m處形成1個壓力集中區，在這2個集中區之間為壓拉交界區。這符合上面的分析結果。

圖5　錨固段正應力云圖（單位：Pa）

4）界面黏結力（剪應力）分布

錨索錨固段漿土界面的黏結應力沿全長并不是均勻分布的，其峰值大約在距離錨固段尾部1/3處，在端尾處較大，在端頭處較小甚至趨于0。錨固段剪應力云圖見圖6。

圖6　錨固段剪應力云圖（單位：Pa）

3.3預應力的改變對可回收錨索錨固性能的影響

不同預應力作用下錨固段應力分布曲線（右端為錨固段端頭部位）見圖7?？梢婋S著施加預應力的改變：錨固體剪應力及軸力的大小和施加的預應力成正比，隨著預應力的增大，錨固體的剪應力和軸力也隨之增大；施加預應力的變化并沒有改變剪應力和軸力的分布規律；錨固段的剪應力分布形式都是單峰型曲線，軸力分布形式都是單調遞減曲線；隨著預應力不斷增大，錨固段的主要受力區域變化并不明顯，都集中在距承載板10 m以內，這說明按錨固段黏結力均勻分布計算的錨固段長度偏于保守，其中部分錨固段并不受剪應力和軸力作用。

圖7　不同預應力作用下錨固段受力分布曲線（右端為錨固段端頭部位）

上述結論與文獻［11］的解析解結論基本一致，但數值模擬由于所采取的模擬條件與實際工程基本一致，因此其結論對可回收錨索的設計更具有參考價值。

4　基于界面剪應力非均勻分布的可回收錨索支護參數設計

上述計算結果表明，在不同預應力工況下，可回收錨索錨固段的剪應力沿著錨固段并不呈現均勻分布，而是呈現單峰型曲線，并且隨著預應力不斷增大，錨固段承受剪應力作用的區域并沒有明顯變化。由于承受剪應力的錨固段才是有效錨固區域，因此提出“錨固段有效錨固長度”的概念。在錨索參數設計時必須考慮錨固段剪應力的實際分布狀況。

1）剪應力分布不是均勻的，而是存在1個峰值，因此設計時必須保證剪應力峰值小于漿土界面的極限黏結應力，這樣才能保證錨固段不發生拉拔剪切破壞。

2）由于錨固段存在有效長度，因此錨固長度的設計必須以有效長度為基礎，根據有效長度計算結果再考慮一個安全系數得出錨固段長度。

按照上述設計原則，根據停車場深基坑工程各層錨索設計要求施加的預應力大小，并考慮適當的安全系數，給出4層錨索的錨固段有效長度計算結果，見表3。

表3　錨索錨固段長度計算結果

5　結論

1）在預應力作用下，錨固段尾部周圍土體產生位移，錨固段其余部位周圍的土體幾乎沒有變形，而一般的預應力錨索會在錨固段的端頭部位周圍土體中產生較大的位移。

2）在預應力作用下，從自由段端部到距離錨固段尾部4 m的范圍土體均為受壓區。受壓區分布范圍明顯比常規的預應力錨索要大，說明可回收錨索對土體的加固范圍要比普通的預應力錨索大，加固效果更好。

3）界面剪應力（黏結力）和軸力沿錨固段并非均勻分布，剪應力分布呈指數曲線形式，軸力分布呈單調遞減函數形式。隨著預應力的增大，錨固體的剪應力和軸力也隨之增大，施加預應力的變化并沒有改變剪應力和軸力的分布規律。

4）在不同預應力工況下，錨固段受剪力和軸力作用的長度均小于錨固段長度，說明錨固段中存在1個有效錨固長度。錨索參數設計時應考慮錨固段剪力和軸力的實際分布狀況。

［1］盛宏光，聶德新，傅榮華.可回收式錨索試驗研究［J］.地質災害與環境保護，2003，14（4）：68-72.

［2］趙啟嘉，劉正根.可回收錨索在基坑支護工程中的技術研究及應用探討［J］.巖土工程學報，2012（增1）：480-483.

［3］李兆平，黃明利，王建，等.地鐵深基坑采用可回收錨索支護方案優化設計［J］.地下空間與工程學報，2012，8（1）：154-160.

［4］王東欣.深基坑可回收錨索施工技術［J］.鐵道建筑技術，2014（1）：97-99.

［5］劉衛鐸.可回收錨索工藝在城市地鐵施工中的應用［J］.鐵道工程學報，2011（3）：105-108.

［6］嚴卓輝，關永波，李柏青.地鐵深基坑采用可回收錨索支護的錨固參數設計［J］.市政技術，2013，31（1）：63-65.

［7］區焱彬，郭永順.可回收預應力錨索施工技術研究［J］.廣東土木與建筑，2008（5）：27-29.

［8］尤春安.全長黏結式錨桿的受力分析［J］.巖石力學與工程學報，2000，19（3）：339-341.

［9］曹國金，姜弘道，熊紅梅.一種確定拉力型錨桿支護長度的方法［J］.巖石力學與工程學報，2003，22（7）：1141-1145.

［10］尤春安.壓力型錨索錨固段的受力分析［J］.巖土工程學報，2004，26（6）：828-831.

［11］李兆平，李文濤，王建.可回收錨索錨固段應力分布及錨固長度研究［J］.北京交通大學學報，2011，35（4）：57-61.

（責任審編李付軍）

Anchoring Mechanism of Removal Anchor Cable Support Used in Metro Deep Foundation Pit

LI Xiwei1，WANG Jian2，LI Zhaoping2
（1.School of Mechanics and Civil Engineering，China University of Mining and Technology，Xuzhou Jiangsu 221116，China；2.School of Civil and Architecture Engineering，Beijing Jiaotong University，Beijing 100044，China）

T he conventional anchor cable cannot be removed，which leads to the problem of long-term occupation of adjacent underground space.T he removable anchor cable can solve the problem of underground waste caused by temporary support structures，so it has broad application prospects in underground space development.In this paper，taking the removable anchor cable used in the deep foundation pit support structure of parking lot in Shenzhen metro No.3 line as the research object，a numerical simulation model was established to discuss the restriction performance of anchor cable on soils，the regularity of stress distribution of surrounding soils，and the distribution of shear stress and axial stress of anchor cable.T he simulation results indicate that the distribution of shear stress along the anchor cable bonding segment is not uniform but presenting a feature of exponential distribution.T he distribution of axial stress presents a type of monotone decreasing function.T he shear stress and axial stress of anchor cable increase synchronously with the increase of pre-stress，and their distribution type were not changed.A new concept called effective bonding length was put forward，which means that actual distribution of shear stress should be considered in design.T he bonding lengths of anchor cables of the deep foundation pit support structure of parking lot in Shenzhen metro No.3 line were calculated using new design method.

Supporting structure for foundation pit；Removable anchor cable；Shear stress and axial stress on the bonding segment；Effective bonding length

TU443；U455

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2016.08.25

1003-1995（2016）08-0100-04

2016-05-23；

2016-06-27

李習偉（1995— ），男，本科生。