旋噴預應力錨索在軟土蠕變效應下的研究

黃天優，徐書平

（武漢輕工大學 土木工程與建筑學院，湖北 武漢 430023）

1 引言

預應力錨桿支護是在邊坡、深基坑以及隧道等地下施工中比較常見的一種經濟高效的支護方式，預應力錨桿（錨索）主要分為兩部分：錨固段以及自由段，錨固段是桿件與土體之間相互作用的部分，利用錨固段的長度來調控錨固體極限抗拔力，通過在自由段施加預應力以及控制錨固段的長度來達到提高錨桿抗拔力的作用。國內外針對預應力的錨固結構問題進行了系統的研究。王清標、張聰等通過建立錨索錨固力與巖土體蠕變之間的耦合效應模型來確定兩者之間的計算關系式。在《建筑基坑支護技術規程JGJ 120-2012》中指出當錨固段主要位于軟土層中時，應考慮土的蠕變對錨桿預應力損失的影響.由此可知，國內外學者都已意識到了軟土蠕變對預應力施加以及整個樁錨支護體系的影響，但仍未具體提供在軟土蠕變效應作用下預應力的施加范圍。文章通過軟件模擬旋噴錨基坑支護工程，施加不同預應力值來分析軟土蠕變規律。

2 預應力錨桿承載力分析

預應力錨桿抗拔力的確定：《加筋水泥土樁錨技術規程》規定加筋水泥土錨體的極限抗拔承載力應根據加筋體與水泥土的握裹力，以及加筋水泥土與土的摩擦力確定，取兩者最小值來定義極限抗拔承載力。在軟土中，錨桿抗拔力主要利用土體與砂漿之間摩阻力來確定，故錨桿的極限抗拔力可以表示為：

式中：Ru為錨桿的極限抗拔力；D為錨桿錨固體的直徑；L為錨桿的錨固段長度；qsi為土體與砂漿之間摩阻力。錨固段周圍砂漿與土體之間的平均抗剪強度。由（1）可知，錨固體直徑、有效錨固段長度、土體與錨固體表面接觸的摩阻力都是直接影響錨桿抗拔力的因素。土層錨桿摩阻力主要取決于沿接觸面外圍的土的抗剪強度，而抗剪強度τ值主要受土層性質、錨桿埋深以及施工灌漿、錨桿類型等影響。故：

式中：c為錨固區土層的粘聚力；φ為錨固區土層的內摩擦角，σ為錨固區土層法向壓應力。

3 工程算例

選取湖北省旋噴錨基坑工程。該基坑土層簡單，上層為淤泥質軟土，下層為粘土層，其組成厚度及相關力學參數如表1所示。

表1 土層物理力學參數表

由于是軟土，選取旋噴錨的基坑支護體系，樁、錨桿參數分別為：

表2 樁以及旋噴錨桿參數表

3.1 模型建立

FLAC3D計算模型：長*寬*高為50 m*1.4 m*30 m，模型土體底部約束水平以及豎向位移。兩側約束水平位移。土體采用Burgers模型，錨桿以及樁采用線彈性模型。Burgers模型彈性模量以及粘滯系數是根據經驗值所確定。根據等剛度原則，將支護樁等效為地下連續墻。

該施工開挖至5 m,土方開挖工期為60 d，設計坑分兩次開挖到位。第一次開挖至2 m,開挖時間設置為20 d，中間施加預應力時間為10 d，第二次開挖至5 m,開挖時間設置為30 d。

圖1 基坑模型建立

3.2 預應力大小的影響分析

本次模擬中，旋噴攪拌加勁樁抗拔承載力Ru=212 kN。采用分別加載預應力的方式，分析樁頂位移水平位移變化，預應力加載量如下表所示。

表3 預應力加載值

圖2所示為土方開挖完成后42 d樁頂位移變化情況。在不同預應力條件下，基坑樁頂水平位移不同，預應力為0時，最大樁頂水平位移為68.4 mm。在21.2 kN預應力下，最大樁頂水平位移為67.4 mm。在42.4 kN預應力下，最大樁頂水平位移為62.3 mm。在63.6 kN預應力下，最大樁頂水平位移為61.3 mm。在84.8 kN預應力下，最大樁頂水平位移為56.8 mm。在106 kN預應力下，最大樁頂水平位移為56.5 mm。在127.2 kN預應力下，最大樁頂水平位移為52.2 mm。在148.4 kN預應力下，最大樁頂水平位移為51.4 mm。在169.6 kN預應力下，最大樁頂水平位移為50.3 mm。在180.2 kN預應力下，最大樁頂水平位移為63.3 mm。在190.8 kN預應力下，最大樁頂水平位移為69.7 mm。在212 kN預應力下，最大樁頂水平位移為84.2 mm。

圖2 樁頂位移與時間關系曲線

隨著預應力的增加，樁頂水平位移不斷增大，對支護結構施加預應力，可以增加墻外側主動土壓力的應力水平，當土體發生剪切破壞后，旋噴錨錨固段周圍土體塑性區不斷增大，應變不斷增大，錨固段周圍摩阻力不斷減小，支護樁水平位移不斷增大。

3.3 錨固段長度影響分析

在0.8 Ru預應力以及其他情況一定的條件下，在軟土蠕變效應作用下通過施加不同錨固長度來分析樁錨支護體系的變化。設置錨固段長度分別為5 m、8 m、10 m、15 m。

表4 土方完成后樁頂側向位移表

圖3中反映了在軟土蠕變作用下樁頂位移的變化，在時空效應作用下，水平位移不斷增大并逐漸趨于穩定。

圖3 樁頂位移-時間關系曲線

監測土方施工完成后第12 d支護樁側向位移情況，錨固段長度為5 m時，最大側向位移為55.8 mm。錨固段長度為8 m時，最大側向位移為44.8 mm。錨固段長度為10 m時，最大側向位移為37.8 mm。錨固段長度為15米時，最大側向位移為35.8 mm。圖4為四種不同錨固段長度情況下樁體側向位移的情況，錨固段長度不斷增大，位移不斷減小并且也存在一臨界錨固長度。

圖4 支護樁側向位移-深度關系曲線

通過以上分析可以看出，樁+旋噴錨支護結構變形影響因素主要體現在預應力以及錨固段長度等幾個方面。因此，結構設計過程等中，應考慮這幾方面因素，選取合理參數值。

4 結論

（1）在軟土基坑中，不能單一將軟土蠕變效應與預應力錨桿錨索錨固系統分開考慮，應基于兩者之間的耦合效應進行研究。由上述表可知，當預應力處處于較低的應力水平時，軟土處于衰減蠕變過程中，此時所造成的反向拉力較小，錨固段周圍軟土處于較低的應力水平中，因此造成軟土應變較小，樁的水平位移變化逐漸趨于平穩。隨著預應力不斷增大，當軟土處于較高的應力水平時，軟土應變處于非衰減蠕變過程中，軟土摩阻力減小，樁水平側向位移不斷增大。

（2）在預應力支護體系中，《建筑基坑支護技術規程JGJ 120 -2012》中指出錨桿鎖定值宜取錨桿抗拔力特征值的 0.75～0.9 倍，但在軟土蠕變的基坑工程中，預應力值太大造成較大位移變化.《高壓噴射擴大頭錨桿技術規程 JGJ/T282-2012》中指出預應力在基坑工程中宜取抗拔力特征值的60%～85%。根據本次模擬以及軟土規范所取值，綜合得出在流變軟土工程中，預應力宜取抗拔力特征值的60%～80%。

（3）在軟土蠕變效應作用下，錨固段長度不斷增大，基坑支護結構變形不斷減小，并且趨于一定值。