理正深基坑軟件有關預應力施加問題的探討

張磊 張穎

(1.中勘冶金勘察設計研究院有限責任公司，河北保定 071069; 2.邯鄲市成祥房地產開發有限公司，河北邯鄲 056000)

1 概述

在深基坑支護體系中，樁錨支護結構安全可靠、經濟合理，因此在深基坑支護中得到迅速發展和應用。然而理論遠遠滯后于工程實踐，錨桿預應力施加的大小對支護結構的穩定性和位移的影響有待進一步研究，本文結合“理正”深基坑設計軟件，對目前樁錨支護結構設計中常遇的錨桿預加力的取值及最終鎖定值的問題進行探討分析。

目前“理正”軟件中對錨桿預應力的施加值與最終的鎖定值都處于半經驗半理論的階段，目前常用的方法有兩種:一種是結合以往經驗，先在軟件中預設一定的預應力值，然后由軟件自動計算出錨桿的長度，最后出施工圖時，錨桿的預應力的鎖定值先按(錨桿筋體的抗拉強度;錨固段筋體與砂漿之間的粘結強度;錨固段周圍土體與砂漿之間的粘結強度)這三者之間的最小值，計算出錨桿極限抗拔承載力標準值Rk，再由JGJ 120—2012建筑基坑支護技術規程［1］公式Rk/Nk≥Kt(Kt為錨桿抗拔安全系數)求出Nk(錨桿軸向拉力標準值);錨桿預應力最終鎖定值取(0.75 ～0.8)Nk。

第二種方法首先計算錨桿長度，錨桿長度由非錨固段和錨固段兩部分組成，錨桿非錨固段長度按如下式求得:

式中:lf——錨桿非錨固段長度，m;

a——錨桿傾角;

a1——錨桿的錨頭中點至基坑底面的距離;

a2——基坑底面至基坑外側主動土壓力強度與基坑內側被動土壓力強度等值點的距離;對成層土，當存在多個等值點時應按其中最深的等值點計算;

d——擋土構件的水平尺寸;

φm——等值點以上各土層按厚度加權的等效內摩擦角。

求出錨桿非錨固段長度，然后結合當地工程經驗給定錨桿錨固段長度。錨桿長度選定好后，結合以往工程經驗對錨桿施加一個預應力值，然后通過計算滿足支護結構的安全穩定、最大位移滿足規范限制的規定，錨桿預應力的最終鎖定值按施加的預應力值進行鎖定。

由上可以看出對樁錨支護結構預應力施加值目前處在半經驗半理論的階段，缺乏經驗的設計人員，對錨桿預應力施加值及最終鎖定值的確定可操作性差，本文通過“理正”深基坑設計軟件的試算比較，對軟件施加預應力的原理做簡單分析，為設計人員在今后利用“理正”軟件做樁錨支護設計時，對錨桿預加力的施加值及最終鎖定值的確定給出些建議。

2 錨桿有效預應力及對土壓力平衡分析

樁錨支護體系中，施加的預應力由支護樁及支護樁背后的主動土壓力來平衡，李元勛、朱彥鵬等［2-4］提出錨桿有效預應力計算模型:首先由樁土之間的變形協調關系，可知施加預應力引起的支護樁的位移δ與樁后土體產生的位移相同。錨桿有效預應力的計算模型如下(如圖1所示)。

式中:P——錨桿上施加預應力;

δ——錨桿施加預應力后引起的樁土位移;

θ——錨桿的傾角;

K——土彈簧剛度;

FZ——預應力作用下排樁在該作用點處產生的抗力;

H——錨桿作用點至基坑底的距離。

圖1 樁錨支護體系力學模型

排樁屬于柔性支擋結構，柔性支擋結構剛度小，支擋結構在自身的工作狀態下變形較大，基坑開挖后及錨桿施加預應力之前，支擋結構隨主動土壓力向基坑內側發生較大的變形，錨桿發揮著懸掛的作用，錨桿承受著一定的拉力，把作用于樁上的荷載傳遞到穩定的地層中。對錨桿施加預應力將支護樁與樁后穩定土體連接在一起，使樁錨支護結構體系形成一主動受力支護體系，使支護樁后穩定土體由主動土壓力變成靜止土壓力，隨著預應力的增加由靜止土壓力再轉變為被動土壓力，導致土體中產生應力增量，減小了支護結構體系的位移，錨桿在整個變化過程中(支護樁后穩定土體由主動土壓力變成被動土壓力的過程中)承擔著懸掛作用時的軸向拉力及施加鎖定后的預加力之和。

結合工程實例來更好的說明樁錨支護中，錨桿所受到的力的狀態，算例如下。

3 工程算例

北京市某基坑工程項目，基坑周邊環境復雜，場地狹小，基坑深度8.0 m，分段采用排樁預應力錨桿支護結構。地下水埋藏較深可不考慮地下水，建設場地內分布兩層土，雜填土和卵石，土體參數如表1所示。

表1 土層物理力學參數

選取基坑北側支護段進行計算分析研究，支護結構如圖2所示。排樁樁徑0.8 m，間距1.5 m，樁長12.4 m，嵌固端埋深5 m，樁間采用鋼筋網片+噴射混凝土進行封堵。在冠梁頂往下3 m深度處設置一道預應力錨索，錨索采用低松弛高強度鋼絞線fptk=1 860，1×7標準型鋼絞線公稱直徑 d=15.2 mm，傾角為 15°，錨孔孔徑為0.15 m，注漿采用純水泥漿，水灰比0.5，錨固體設計強度30 MPa，其余參數見支護結構剖面圖(見圖2)。地表超載取值為20 kPa，作用寬度為24 m。

圖2 支護結構剖面圖

選用“理正”軟件［5］分別計算錨桿施加預應力為0 kN，50 kN，100 kN，150 kN，200 kN時錨桿軸向內力標準值、樁承擔的抗力標準值、施加預應力對錨桿軸向內力標準值的增加值及樁頂位移最大值，計算結果如表2所示。

表2 不同情況下計算結果

經對比可以看出，伴隨著錨桿施加的預應力值的增加，樁頂位移最大值減小，分析原因，樁身上錨桿的作用是把作用于樁面板上的荷載傳遞到更遠的穩定的地層中，嚴格講可把錨桿當成彈性支座，樁身是支承在一系列彈性支座上，可得到預應力錨桿位置處其節點水平位移為:

式中:P——錨桿施加的預應力值;

F——錨桿支座處的水平支座反力;

Lf——錨桿非錨固長度;

E——錨桿筋體彈性模量;

A——筋體的截面面積。

當對錨桿施加的預應力值為0 kN時，錨桿承受的軸向內力標準值為164.31 kN(懸掛力)，對錨桿施加的預應力一部分由支護樁分擔，而且伴隨著預應力值的增加支護樁承擔的抗力標準值增加(支護樁的剛度為，伴隨著錨桿施加的預應力值的增加，錨桿位置處預應力引起的樁體位移δ增加，可知樁承載的抗力δ增加)，還可得知樁承擔的抗力標準值與施加預應力對錨桿軸向內力標準值的增加值之和等于對錨桿施加的預應力值。

樁錨支護體系中對錨桿主要承受的軸力有:

1)主動土壓力作用下引起的拉力;

2)為控制位移施加的預應力值。對于土體來分析，伴隨著錨桿施加預應力值的增大，由施加預應力之前的主動土壓力變化為被動土壓力的趨勢，這過程中經歷了靜止土壓力。通過對土體施加預應力來平衡一部分主動土壓力(錨桿施加預應力可以把一部分主動土壓力通過錨桿錨固段傳遞到遠處較穩定的土層中)，利用穩定土體來加固不穩定土體，使排樁擋土結構與土體協同工作來保持樁錨支護結構的穩定性。

4 結語

本文從已有樁錨支護體系中，錨桿有效預應力計算模型研究入手，結合實際工程對“理正”軟件中預應力的施加值及作用進行了分析研究，得出以下幾點結論:

1)深基坑樁錨支護體系中，對錨桿施加的預應力值越大，支護體系的控制位移越明顯，對基坑周邊環境的影響越小;

2)“理正”軟件中施加的預應力值，一部分作用在支護樁上，一部分平衡支護結構后的主動土壓力值(減少支擋內力和水平位移)，使支護體系后面的主動土壓力通過錨桿傳到更遠的穩定土層中);

3)“理正”軟件中最后計算結果中，錨桿軸向內力標準值由懸掛力和施加預應力值(扣除作用在樁上的力)兩部分組成;

4)有關錨桿預應力的最終鎖定值，《建筑基坑支護技術規程》中規定可按照錨桿軸向拉力標準值Nk的0.75～0.9鎖定，鎖定值偏大不合理，實際工程中錨桿預應力的最終鎖定值可按P/cosθ鎖定(其中，P為實際施加的預應力值;θ為錨桿的傾角);

5)文中以單排錨桿施加的預應力及最終鎖定值的確定進行了分析研究，對多排錨桿預應力值作用機理有待進一步研究。