深基坑新型張拉嵌入復合排水型錨固結構支護特性數值仿真分析

袁方龍，陳運濤，4，喻志發，王健

（1.中交天津港灣工程研究院有限公司，天津 300222；2.中交第一航務工程局有限公司，天津 300461；3.港口巖土工程技術交通運輸行業重點實驗室，天津 300222；4.河北工業大學，天津 300401）

0 引言

城市地下空間建設規模的擴大和進程的加快，致使傳統錨固結構很難滿足軟土地區深基坑工程工期緊、穩定性要求高、用地制約等方面的要求，同時錨固技術的理論研究[1-2]和加固效果的評價間的矛盾突出、錨固結構類型的創新[3]相對滯后、施工質量和安全難以保證等問題日益尖銳，使得深基坑工程的安全穩定性問題面臨前所未有的挑戰。

目前，國內外學者開始從錨固結構類型和提高深基坑土體物理力學特性方面開展了一些研究，如董建華等[4-5]提出一種排水板復合框架自鉆胎串式錨桿支護結構，對其力學特性和支護效果進行了系統的研究，但該結構制作成本較高，結構的實用性較難保證；楊學祥等[6]研發出一種充氣膨脹控制錨桿并對其進行室內拉拔試驗，給出了影響承載力的因素，但充氣型錨桿結構安全性較難保證，可控性和可實施性較差，很難應用于實際工程中；袁方龍等[7]提出一種自排水串式擴體錨桿，該結構兼顧排水和擴體錨固技術，但目前對其結構的可行性和現場應用效果尚不明確；陳浩華等[8]提出一種船錨式注漿張開型土錨，并對端頭擴大型土錨的發展進行了詳細的介紹，但該土錨結構復雜，對施工工藝要求較高，較難推廣應用。除此之外，深基坑降排水方面大多采用井點法[9]和坡面插管法，其中井點法降水效果明顯，但對于城市建設工程，該方法施工不當極易引起周邊建筑和地表沉降，存在較大的安全隱患；坡面插管法應用范圍較窄，排水效果較差，只適用于坡體表面排水，對于坡后深層土體排水效率較差。

張拉嵌入復合排水型錨固結構是一種錨固效果好同時具有排水功能的支護結構，能夠快速提高深基坑的穩定性。目前，該新型結構尚處于研發階段，對其力學特性、支護效果和排水特性尚不明確，結構設計尚不完善，亟需對其展開系統的研究。

1 張拉嵌入復合排水型錨桿支護結構的提出

該支護結構屬沿海軟土地區深基坑支護技術領域，其目的是快速提高坡體的穩定性；整體結構由格構框架梁、張拉嵌入復合排水型錨桿和虹吸集水系統組成，張拉嵌入復合排水型錨桿通過錨具與格構框架梁固定連接形成空間支護系統，以承擔坡后土體壓力；張拉嵌入復合排水型錨桿由鉆頭、濾水管、預張拉錨頭和中空鋼管組裝而成，其中預張拉錨頭包括嵌固葉片、彈簧連接件和限位鋼槽，嵌固葉片隨著預應力及坡體水平位移的增大逐漸撐開并穩定嵌入周圍土體內。新型錨固結構空間安裝及新型錨桿結構示意見圖1。

圖1 新型錨固結構空間安裝及新型錨桿結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of spatial installation of new anchoring structure and new anchor rod structure

2 新型支護結構受力特性分析

2.1 張拉嵌入復合排水型錨桿的錨固機制

張拉嵌入式錨桿屬于主動支護結構，其設計綜合考慮了擴體錨固技術和基坑降排水技術，以滿足深基坑安全穩定的需要。伴隨基坑開挖，其錨固機制可分為3 個階段：

階段一：預張拉階段。錨桿埋設完成后，進行預張拉，錨桿與周圍土體間的相對位移較大，嵌固葉片初步進入周圍土體，此時，錨固力主要由桿體與嵌固葉片側阻力承擔。

階段二：端阻力遞增階段。隨著基坑開挖，被錨固坡體水平位移逐漸增大，錨桿與周圍土體間的相對位移增大，嵌固葉片受拉逐漸張開，側阻力逐漸轉變為端阻力，當嵌固葉片達到極限張開角度時，葉片前端面承受土壓力，端阻力發揮主要作用，且前端土體受壓開始產生局部塑性變形區。

階段三：錨固失效階段。隨著被錨固坡體拉力繼續增加，葉片前端面承受的土壓力持續增加，受周圍土體的約束作用，端前土體的塑性區逐漸擴大并向前擴展，直至預張拉錨頭脫離錨固體，錨固作用失效。

2.2 張拉嵌入復合排水型錨桿承載力計算

通過分析張拉嵌入復合排水型錨桿的錨固機制可知，錨固失效階段所對應的承載力最大，且極限抗拔承載力[10-11]主要為葉片端阻力與桿體側阻力，其力學計算模型如圖2 所示。

圖2 張拉嵌入復合排水型錨桿力學計算模型Fig.2 Mechanical calculation model for tensioning embedded composite drainage anchor

2.2.1 端阻力計算方法

端阻力為：

式中：n 為葉片個數；βc為端阻力修正系數，對于臨時性錨桿取4.5～6.5，對于永久性錨桿取3.0～5.0；L1為葉片長度；d 為葉片寬度；θ 為葉片與桿體夾角；τ1為葉片與周圍土體間的側阻力。

對于固結土體，

對于飽和土體，

式中：γ為上覆土體重度；H 為葉片上覆土的平均厚度；α 為土體破壞面與錨桿之間的夾角，α=45°+φ/2；c 和φ 分別為葉片周圍土體的黏聚力和內摩擦角；Ku為土體側壓力系數，對于水平向錨桿，Ku=1，對于豎向錨桿，Ku=1-sin（1.3φ）[3]；Δu 為孔隙水壓力，可根據Henkel 公式[12]計算，即：

式中：β 為Henkel 孔隙水壓力系數，在飽和土中β=1；Δσoct、Δτoct分別為八面體正應力增量和剪應力增量；αf為與Skempton 孔隙水壓力參數Af有關的系數，

式中：Af為Skempton 孔隙水壓力參數，Af=0.4。

2.2.2 側阻力計算方法

根據張拉嵌入復合排水型錨桿力學計算模型，可得側阻力計算公式為：

式中：Qs為錨固段桿體側阻力；D 為桿體直徑；L為桿體長度；τ2為桿體與周圍土體之間的側阻力，τ2=c+γHtan φ。

3 基坑開挖支護模擬

3.1 模型的建立

為了更清楚地了解該新型錨固結構的支護特性和排水效果，建立二維基坑開挖支護實體模型，模型尺寸為65 m×45 m，基坑深11 m，坡面開挖傾角為80°，采用4 層錨桿進行支護，各層錨桿豎向間距2.0 m，首層錨桿與地面的間距為3 m。首層錨桿長度為11 m，第2 層和第3 層錨桿長度為9 m，第4 層錨桿長度為7 m，預張拉錨頭均設置于錨桿桿體的末端，長度為1 m，同時將預張拉錨頭位置設為排水邊界模擬排水工況；格構框架梁厚度為400 mm。

土體采用非線性彈塑性模型，為2D 四節點單元；錨桿采用Rebar 單元，以方便指定桿體與預張拉錨頭截面大小；錨桿和格構框架梁采用線性彈性模型，桿體截面積為12.56×10-4m2，預張拉錨頭橫截面面積為1.2×10-2m2；格構框架梁與土體間定義單元接觸，有限元模型與網格劃分見圖3，各土層與錨桿計算參數見表1。

表1 材料參數Table 1 Material parameters

圖3 有限元模型的建立Fig.3 Establishment of finite element model

3.2 分級開挖與支護過程的模擬

基坑開挖支護采用“單元生死”功能，模擬如下：

1）對劃分好網格的土體單元施加約束，模型底部節點約束全部自由度，側面節點約束水平向自由度，施加重力荷載，提取土體應變數據。

2）對原模型定義擋板、錨桿單元，導入應變數據來消除重力作用對土體產生的變形。

3）進行第一步開挖，即“殺死”被開挖部分的土體單元，計算當前土體的應力和變形。

4）進行支護，即將支護單元的材料屬性由土體屬性改為支護結構屬性，計算模型的應力和應變。

5）進行下一步開挖，重復第3）、4）、5）步，該模擬采用6 次開挖至坑底設計標高。

3.3 計算結果分析

3.3.1 新型錨桿軸力分析

圖4 給出了基坑開挖支護結束后各層錨桿軸力的分布情況，為便于分析，與普通錨桿軸力分布進行對比，可以看出2 種類型錨桿軸力分布存在明顯差異，張拉嵌入式錨桿的軸力普遍高于普通錨桿，且在預張拉錨頭的位置，軸力出現陡增的情況。這是由于基坑開挖相當于土體卸載，坡體產生位移，將摩阻力傳遞給錨桿，隨著錨桿承受的拉力逐漸增大，而新型錨桿錨頭端阻力逐漸發揮作用，使得軸力得到成倍地提高，因此，張拉嵌入式錨桿承載力更大，可為坡面提供更好的錨固作用。

圖4 錨桿軸力云圖（N）Fig.4 Nephogram of axial force of anchor（N）

3.3.2 格構框架梁水平位移分析

圖5 分別給出了開挖結束后在新型錨桿和普通錨桿支護下，基坑整體水平位移分布情況，可以看出在2 種不同支護類型作用下，基坑水平位移最大值均發生在臨空坡面且距離坡腳1/3 坑深處。在新型錨桿支護下，坡體水平位移較小，周圍土體受開挖影響程度較輕，相比于普通錨桿支護，坡面最大水平位移減小了37.2%，極大地提高了基坑的穩定。

圖5 深基坑水平位移分布云圖Fig.5 Horizontal displacement distribution nephogram of deep foundation pit

3.3.3 排水效果分析

圖6 給出了基坑整體開挖結束后，坡后土體孔隙水壓力消散情況，可以看出在張拉嵌入復合排水型錨固支護結構排水作用下，臨空坡面附近孔隙水壓力已基本消散完成，因此，該新型錨固結構具有良好的排水效果。

圖6 孔隙水壓力分布云圖Fig.6 Nephogram of pore water pressure

4 結語

通過對張拉嵌入復合排水型錨固結構錨固機制、支護效果和排水特性進行分析，得出：

1）根據新型錨桿的結構及受力特征，隨著基坑開挖支護過程的進行，可將其錨固機制分為預張拉階段、端阻力遞增階段和錨固作用失效階段。

2）新型錨桿承載力主要包括嵌固葉片端阻力與桿體側阻力兩部分，且其軸力分布與普通錨桿有很大區別，軸力在預張拉錨頭位置出現陡增。

3）隨著基坑開挖，臨空坡面在新型錨固結構支護下產生的水平位移較小，且周圍土體受開挖影響程度較輕，相比于普通錨桿，坡面最大水平位移減小了37.2%，有效地控制了坡后土體的水平位移的開展。

4）張拉嵌入復合排水型錨固支護結構具有較好的排水效果，在基坑開挖結束后，臨空坡面附近土層內的孔隙水壓力已基本消散完成，有效且及時地保證了基坑的穩定。