郭玉君 王 雷 刘 帆

(1.江苏南京地质工程勘察院，江苏 南京 210041; 2.江苏省邮电规划设计院有限责任公司,江苏 南京 210019)

基坑工程桩锚支护结构受力性能数值分析

郭玉君1王 雷2刘 帆1

(1.江苏南京地质工程勘察院，江苏 南京 210041; 2.江苏省邮电规划设计院有限责任公司,江苏 南京 210019)

目前桩锚支护结构常用于基坑工程中，但其受力分析并不完善,结合实际工程案例，应用FLAC3D软件分析桩锚支护结构中锚杆和支护桩的受力，模拟基坑开挖过程中位移、沉降、坑底回弹及支护桩受力情况，可为今后类似工程提供借鉴。

桩锚支护，数值分析，支护结构受力，水平位移

0 引言

锚杆作为一种支护形式用于基坑工程已近五十年。其与内支撑的支护形式相比，坑内土方开挖空间开阔，施工效率高，工程质量有保障，被广泛地应用于基坑支护工程中[1,2]。锚杆结合排桩的支护方式可有效控制基坑水平位移，确保基坑及周围建筑物和地下管线的安全，亦大量的应用于基坑支护工程中[3]。

目前对于桩锚支护的深基坑，设计计算尚未完全成熟，存在若干问题。韩军等[4]分析了这些问题，并提出一些有益的处理措施。陶西贵等[5]现场实测了桩锚支护的水平位移、锚杆轴力以及支护结构内力等，得出了有益的结论。张钦喜等[6]对锚杆受力进行原位测试，研究分析了土压力的分布规律，并采用数值分析方法进行了拟合验证，证明计算方式的正确性。贾金青等[7]采用FLAC程序对基坑进行了数值模拟分析，得出了不同锚杆预应力大小对基坑塑性区和变形的影响，实际监测最大水平位移与数值模拟值整体上比较吻合。武崇福等[8]运用有限差分法，采用FLAC3D软件建立了深基坑桩锚支护结构的模型，并对支护结构中锚杆的内力与变形进行数值模拟。分析结果表明:理论计算、现场试验与数值模拟得到的结果基本吻合。黄敏等[9]针对典型桩锚支护结构型式的土岩组合基坑，通过有限元模拟，在地表沉降模式、灌注桩的嵌岩比、基坑开挖影响范围、地表沉降与桩体水平位移的关系等方面得到了一些定性和定量的基本规律。

虽然上述三种计算方式中，数值方法能更全面的反映实际工程情况，但基坑开挖是变化过程，具有多种影响因素。数值分析计算模型的建立与基坑周围环境及土层力学参数的选择，以及计算产生的小误差，使数值分析结果类似。支护桩、锚杆与地层土体互相作用的难题，通常是因为本构模型和地质参数的选取不符合实际而出现病结论。若数值分析法用于指导实际工程支护方案设计，我们还需做很多研究性工作。本文分析了桩锚支护结构中锚杆和支护桩的受力,通过基坑开挖各工况数值分析，得到一些有益的数据，值得设计同行参考。

1 桩锚支护结构数值模型简介

将基坑土方分3层卸土至11.0 m。第1层卸土至-3.5 m，第2层卸土至-8.0 m、第2层卸土至坑底。建立长100 m，高45 m的模型，模拟用平面应变法。采用Mohr-Coulomb土体破坏准则。锚杆长度取10 m,12 m,14 m，倾角取10°，15°，20°三个角度，分析基坑开挖过程中桩身轴力、弯矩变化情况，锚杆抗力、基坑位移和坑底回弹情况。

锚杆外径150 mm，截面面积17 673 mm2，弹性模量200 GPa，泊松比0.26，内摩擦角28°，砂浆粘结力17.5 kPa，粘结刚度1.1×109N/m2。水平向粘结力1.75×105N/m，水平向粘结刚度1.0×109N/m2，水平向摩擦角30°，垂直向粘结力1.85×108N/m，垂直向粘结刚度1.2×109N/m2，E=39.0 GPa；v=0.30。土体容重19.7 kN/m3，内摩擦角23°，弹性模量20.5 MPa，泊松比0.25，粘聚力30.0 kPa。

2 桩锚支护结构受力数值分析

2.1锚杆受力数值分析

图1显示锚杆倾角为15°时，轴向锚固力沿长度方向的变化情况。

图2为12 m锚杆在倾角15°时，上下2层锚杆受力情况。由图2可以看出下层锚杆的贡献力加大。

2.2支护桩受力数值分析

图3为锚杆倾角15°不同长度时，支护桩的内力变化情况。图3a)中显示，支护桩轴向压力最大值发生在离坑顶一倍基坑挖深范围处，然后又逐渐缩小。而锚杆长度变化对桩身受力影响不大。

图3b)显示了桩身弯矩受不同锚杆长度的影响，弯矩先沿桩体逐步增大，弯矩最大值在离桩顶约9.0 m～10.0 m处，然后又开始降低，支锚长度的增加使桩身反弯点稍微下移。

模拟中锚杆取14.0 m，从图4a)看出，在离桩顶约1倍基坑挖深位置处桩身轴力达到最大值，然后又急剧下降；从图4b)看出，约于桩身9 m～10.0 m处支护桩剪力出现正负转变，倾角变化对桩身剪力影响较小；从图4c)看出，支护桩弯矩变化趋势同支护桩轴力。

2.3开挖过程中支护桩受力分析

图5为基坑开挖过程中，支护桩桩身内力变化情况。如图5a)所示，刚开挖时，因锚杆对支护桩拉力大于土压力，桩身承受拉力，随着开挖深度加大，桩身力模型发生变化。从图5b)看出，支护桩剪力分布杂乱规律难寻。从图5c)看出，卸土至坑底时，弯矩急剧增大，且有反弯点，表明卸土至坑底时，基坑开挖涉及的几种参数变化较大，这与工程实际相符。

2.4基坑水平位移分析

图6为开挖过程中基坑水平位移变化情况，图6显示，随着基坑开挖深度的增加，二道锚杆的施工，基坑在开挖到底时，基坑水平位移值达到最值。

2.5基坑顶部沉降分析

基坑顶的沉降曲线如图7所示，图7显示，随着基坑开挖深度的增加，基坑在开挖到底时，基坑坡顶沉降量达到最值，这个最值出现在距基坑1/2挖深处。

2.6基坑底部回弹变形分析

图8为基坑坑底回弹变量图，从图8得出：在基坑开挖深度范围内，距离坑边越远反而回弹量越大。

3 结语

1)同一基坑，锚杆长度增大，支护桩桩身所受的轴向压力减小，剪力变化复杂，弯矩变化较显著，表明基坑深度增加，对基坑稳定性影响增大。

2)基坑圈梁顶是基坑最大水平值发生处，开挖深度越大水平位移也加大；随基坑开挖深度增加，基坑坡顶部沉降量出现最值，出现在距基坑1/2挖深处；随着基坑开挖深度增加基坑底部回弹变形逐渐增大。基坑开挖面以内，离坑边越远回弹变形越大。

3)通过本文有限差分计算方法得出，数值模拟可以很好的分析锚桩支护结构的受力，在土质参数较好的基坑设计中可做良好的方案选择。

[1] 刘国斌,王卫东.基坑工程手册[M].第2版.北京:建筑工业出版社,2009:21-25.

[2] 刘赞玉.锚杆支护在深基坑开挖中的应用[J].建筑结构,2003,33(8):54-56.

[3] 檀西乐,巩玉志,赵占山.桩锚支护体系在深基坑工程中的应用[J].工业建筑,2009,39(sup):772-774.

[4] 韩 军,张智浩,艾 凯.影响岩土锚固工程安全性的几个关键问题[J].岩石力学与工程学报,2006,25(S2):3874-3878.

[5] 陶西贵,谭跃虎.锚拉桩深基坑支护预应力锚杆的现场测试研究[J].岩土工程技术,2004,18(2):83-85.

[6] 张钦喜,樊绍峰,王 磊.土城住宅楼工程锚杆拉力监测及数值模拟分析[J].岩土工程技术,2008,22(2):67-70.

[7] 贾金青,涂兵雄.预应力锚杆柔性支护法在超深基坑中的实践[J].岩土工程学报,2012,34(sup):350-355.

[8] 武崇福,李长洪,毕 鑫.深基坑预应力锚杆轴力分布研究[J].建筑结构,2011,41(8):134-137.

[9] 黄 敏,刘小丽.土岩组合地区桩锚支护基坑开挖地表沉降分析[J].岩土工程学报,2012,34(sup):571-575.

Numericalanalysisofthebehaviorofpile-anchorretainingstructureinfoundationpitengineering

GuoYujun1WangLei2LiuFan1

(1.JiangsuNanjingGeo-EngineeringInvestigationInstitute,Nanjing210041,China;2.JiangsuPosts&TelecommunicationsPlanningandDesigningInstituteCo.,Ltd,Nanjing210019,China)

Pile-anchor structure is often used in the foundation pit engineering, but the stress analysis is not perfect. With an example, applied FLAC3D software to analyze the pile anchor retaining structure anchor and the supporting force of pile, and the simulation of the excavation process, the horizontal displacement of supporting structure of foundation pit, the pit bottom rebound, the top settlement and excavation supporting pile force, provide reference for future similar projects.

pile-anchor support, numerical analysis, behavior of retaining structure, horizontal displacement

TU942

A

1009-6825(2017)26-0081-03

2017-07-05

郭玉君(1983- )，女，工程师