預應力錨索對樁錨支護變形影響數值分析

張凱 范孟華 王瑋

（河南大學土木建筑學院 河南開封 475004）

樁錨支護結構因其材料用量少、低成本、環境污染小等優點，在深基坑工程中得到了廣泛的應用。目前關于樁錨支護的研究很多，申海平[1]等對樁錨支護結構變形的空間分布進行了分析，得出樁錨支護結構變形坑角效應的影響范圍和影響系數；鮑生才[2]通過有限元軟件與實際工程經驗相結合，得出開挖深度對基坑側壁穩定性的影響規律；時偉[3]通過現場試驗，得出了支護樁與樁側土體隨開挖工況而變化的水平位移分布規律。本文利用ABAQUS有限元軟件，以樁錨支護結構為研究對象，結合工程實例，針對預應力錨索對基坑變形的影響進行三維有限元分析。

1 工程概況

該基坑工程位于蘭州某地，擬建建筑25F-27F，地下三層。基坑長度約為205m，寬約為71m，開挖深度為20m。場地底面絕對標高為1511.7m。

根據巖土工程勘察報告，地貌單元屬黃河南岸Ⅰ級階地，場地地層在勘探深度范圍內，自上而下主要為①填土層：層厚為4.0m，容重為17.0kg/m3，內摩擦角為12°，粘聚力為0.01kPa；②卵石層：層厚為6.0m，容重為23.0kg/m3，內摩擦角為30°，粘聚力為0kPa；③第三系砂巖層：厚為50.0m，容重為 24.0kg/m3，內摩擦角為 25°，粘聚力為 0.02kPa。

由于考慮到周圍建筑物地下室外墻的影響，故錨索打入位置并不一樣，以基坑東側陽角處為界，將其南側三排錨索編號1、2、3北側錨索標號4、5、6，各排錨索材料參數分別為：1號錨索豎向間距3.5m，總長11.0m，預應力150kN；2號錨索豎向間距4.0m，總長13.0m，預應力290kN；3號錨索豎向間距4.5m，總長20.0m，預應力400kN；4號錨索豎向間距4.5m，總長15.0m，預應力180kN；5號錨索豎向間距4.5m，總長17.0m，預應力340kN；6號錨索豎向間距5.0m，總長21.5m，預應力450kN；支護樁參數為樁徑1.0m，樁長28m，樁間距1.8m。

2 有限元分析模型的建立

ABAQUS計算模型：長×寬×高為170m×70m×60m，模型底面固定，側面限制水平位移，上表面為自由邊界。假定土體材料破壞符合Mohr-Coulomb強度準則。錨索、支護樁采用線彈性模型。定義M-C本構模型的彈性模量由勘測報告中的壓縮模量根據經驗公式確定[4]，根據等剛度原則，將支護樁等效為地下連續墻[5]，錨索自由段通過降低溫度的方法對其施加預應力[6～7]。

2.1 不同工況下樁身位移對比

將陽角北側段中部變形最大的樁體在每個工況下樁身的水平位移數據提取，從其結果看出：樁身最大位移發生在樁頂位置，并沿樁身長度不斷減小，這與加內支撐的變形不同[8]；隨著基坑開挖的進行，樁身整體位移不斷增大，說明基坑開挖深度對支護的變形影響很大；在有錨桿打入的位置，相鄰兩工況樁身變形較小。

2.2 有錨索和無錨索狀況下支護樁水平位移對比

做出無錨索狀況下的對比模型。將兩個模型中基坑陽角西側段陽角處樁身位移、陰角處樁身位移、中部樁身位移和西側段整體樁頂位移分別提取，結果表明：兩種狀況下，樁身最大位移均發生在中部，陽角處次之，陰角處最小；樁身整體變形均為上部最大，并沿樁身向下不斷減小；樁身變形差別很大，除陰角處外，其余部位均大于有錨索狀況下樁身位移，預應力錨索對抑制基坑變形效果明顯；陰角處均為基坑變形最小且最穩定處，故在實際工程中可降低該處支護等級；陽角處變形較大，應在工程中重點注意。有錨索和無錨索狀況下，樁頂水平位移差別很大，預應力錨索對抑制基坑變形效果明顯。

2.3 模擬值與實測值對比分析

通過模擬值與實測值的對比可以發現：在基坑的整個開挖過程中，檢測點水平位移檢測值與模擬值具有相似的趨勢且數值相差不大，說明本模型采取的本構關系是合理的。

圖1

3 結論

①基坑開挖深度對基坑支護的變形影響很大；②深基坑樁錨支護中，預應力錨索對控制基坑變形具有顯著作用；③預應力錨索對基坑陽角效應具有明顯抑制作用。

[1]申海平，彭文祥，郝玉，等.深基坑樁錨支護結構變形的坑角效應分析[J].土工基礎，2016，30（01）：73～76+82.

[2]鮑生才.深基坑樁錨支護結構數值模擬研究[J].地下空間與工程學報，2014，10（S2）：1941～1945.

[3]時偉，劉繼明，章偉.深基坑樁錨支護體系水平位移試驗研究[J].巖石力學與工程學報，2003（S1）：2355～2358.

[4]賈堤，石峰，鄭剛，徐舜華，安璐.深基坑工程數值模擬土體彈性模量取值的探討[J].巖土工程學報，2008，30（S1）：155～158.

[5]李芬祥.深基坑樁錨支護的數值模擬分析[D].馬鞍山：安徽工業大學，2013.

[6]陳宜言，林松，堯國皇.有限元分析中鋼筋混凝土梁的預應力模擬[J].深圳土木與建筑，2009，6（3）：22～24.

[7]徐前衛，尤春安，朱合華.預應力錨索的三維數值模擬及其應用研究[J].巖石力學與工程學報，2004（S2）：4941～4945.

[8]范東嶺.基于坑角效應的深基坑開挖對圍護結構變形的影響研究[D].南充：西南石油大學，2016.