群錨效應下預應力錨索軸力變化分析

吳麗萍，莫韜韜

（長春工程學院，吉林 長春 130012）

群錨效應是指當基坑支護中錨桿的布置間距較小時，錨桿在地層中產生的應力場會相互重疊，這時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。規范中規定錨桿間距不宜小于1.5 m來避免群錨效應，然而由于土體的復雜性和錨桿長度及孔徑等的影響，預應力錨桿中存在不同程度的群錨效應問題[1]，關于如何正確避免群錨效應以及群錨效應下錨索軸力損失規律的研究，在如今顯得越來越重要。

1 群錨效應研究現狀

張昕等[2]將群錨效應的產生歸于兩大原因，一是錨桿在土體中的應力場發生重疊，相當于失去了部分土體重力；二是剪切應變場內側剪切帶相互影響，導致群錨喪失了部分剪切強度。李峰等[3]通過數值模擬的方法對施加預應力錨索的巖體中應力場和變形場的變化特征進行了計算分析。馬向前[4]通過三錨、四錨試驗得出：四錨（矩形）布置形式的承載能力與位移控制均優于三錨（三角形）布置形式。

在前人的研究基礎上，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行模擬分析，得出不同情況下群錨效應對錨索軸力的影響關系。

2 模型數據選取及建模

為使模擬結果貼合實際情況，模型中各土層信息及支護結構參數均參考吉林省長春市某實際樁錨支護深基坑工程，選用的各土層主要物理力學參數如表1所示。

表1 土層參數

為了減小模擬時基坑的角部效應影響，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行受力分析，考慮開挖產生的影響，模型邊界大小設定為70.0 m（長）×50.0 m（寬）×15.0 m（深）。

支護形式采用“鋼筋混凝土樁+預應力錨索”，支護樁樁徑為0.6 m，樁長為9.0 m，樁間距為1.0 m，錨索參數如表2所示（為方便研究，只布置3根錨索）。

表2 錨索參數

模型中支護樁等剛度轉換為地下連續墻進行模擬，錨索采用1D植入式桁架模擬，模擬情況與實際情況的吻合度較高，已被大量試驗研究證明，基坑網格模型如圖1所示。

圖1 基坑網格模型

3 模擬結果及分析

開挖完成后的支護結構整體變形如圖2所示，結果顯示：長邊位移明顯大于短邊位移，且南側長邊因施加了錨索，樁身位移相比未加錨索的一側明顯變小，可見模型參數選取較為合理，模擬結果基本符合實際情況，可以進行下一步試驗分析。

圖2 支護結構變形云圖

3.1 表征群錨效應的指標

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，此數據易于獲取，結果也相對可靠。在后處理選項中選擇施工階段，在Truss Element Forces欄點擊Axial Force選項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，表明此時中間錨索受群錨效應的影響較為嚴重。

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

根據現行的《建筑基坑支護技術規程》，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。由于實際施工中錨索豎向間距很少出現小于2.0 m的情況，本研究只分析不同水平間距下的群錨效應。

在上一個模型的基礎上，改變各錨索的水平間距，其他條件不變，共分5組試驗進行建模分析，所用數據如表3所示。

表3 各試驗組錨索參數

將3道錨索按所處位置分別命名為左錨、中錨和右錨，整理試驗組所得數據，結果如表4所示。

表4 各試驗組錨索軸力變化

從試驗結果可以看出，群錨效應受水平間距影響較大。當錨索按水平間距為1.0 m布置時，左、右錨索軸力明顯大于中錨，表明中錨受群錨效應影響較為嚴重，最大軸力相比于左、右錨索損失率約為17.1%；當水平間距為1.5 m時，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%；當水平間距為2.0 m時，中錨的最大軸力繼續上升，但速率相比于上組明顯減小，而此時3道錨索的最大軸力已經相差無幾，中錨最大軸力相比于左、右錨索損失率僅為1.5%，表明此時群錨效應的影響已經較為微弱；當水平間距繼續加大至2.5 m和3.0 m時，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，此時群錨效應影響已十分微弱，可以忽略不計。

由此可以得出，1.5～2.0 m是布置預應力錨索時較為合理的水平間距，既可大幅度避免群錨效應造成的危害，也能防止間距過大導致支護結構安全系數降低。

4 結論

（1）預應力錨索宜采取水平間距1.5～2.0 m進行施工，此間距下既可避免群錨效應，充分發揮錨索的錨固力，又能防止間距過大出現支護結構安全系數降低的風險。

（2）當水平間距取1.0 m時，據模擬所得結果，中間錨索受群錨效應影響，軸力最大損失率達17.1%。