叶宇潜

(广州市黄埔区河涌管理所(广州市黄埔水务工程质量安全监督站)， 广东 广州 510000)

基坑工程支护结构的安全稳定性尤为重要，重点在于研究工程环境对支护结构体系的影响特性，对提升支护结构设计水平很有价值[1- 3]。目前，张利伟、罗才松、杨佳岩等通过对基坑支护结构体系全过程运营状态开展现场监测，从相关监测数据中研究支护结构安全稳定性变化，分析支护结构最佳设计[4- 6]。预应力锚索在支护结构体系中应用较多，利用数值模拟手段可建立桩锚分析模型，计算桩锚与基坑变形之间的关系，进而研究锚索在支护结构体系中的重要作用[7- 9]。FLAC 3D在水利、建筑等行业应用较广泛，可计算不同工况或不同约束荷载下模型应力或变形值，为定量分析模型的安全状态提供计算手段[10- 11]。利用FLAC 3D平台，根据工程具体状态，研究了预应力锚索在遭受损失时，支护结构的位移变化特征，进而为基坑工程的支护结构体系设计提供参考。

1 工程介绍

1.1 工程概况

黄埔区水质净化厂基坑现场最大标高为39.2m，以东北侧地形为最高，设计基坑为矩形平面，尺寸为110.6m×96.4m，开挖后坑底标高为22m，桩顶标高设计为32.6m；基坑四周无显著构造地质带，南侧有水位较低的水塘，面积为0.27hm2，封闭式水生态系统，其他方向上无重要建筑或其他设施。从现场地质踏勘得知，场地表面覆盖有第四系粉质黏土，土层厚度达2.6m，室内测试黏聚力为18kPa，含水量较好，弹性模量比常规堆积土小；另外在下卧层还有砂质黏土，含有粒径为2～4mm的砂石，磨圆度较好，与黏土体相互胶结，承载力较好，渗透系数较大，无法稳定形成水渗流作用；基岩层以强风化花岗岩为主，局部夹有破碎体，粗颗粒结构，单轴抗压试验测试强度高达60MPa，埋深位置位于18～35m处，现场取样可知花岗岩体完整性较好，表面无显著孔隙结构，仅在局部存在夹层，夹层处易形成软弱带，宏观破坏裂纹常由此扩展贯通。该水质净化厂基坑工程以放坡形式开挖，预计开挖土方量为12万m3，回填土方量为1万m3，基坑主体按照二级设计，顶荷载设计为20kPa，局部易破碎地带荷载设计为35kPa，按照二级场地进行建设施工，基坑采用集水井方式降水，根据基坑桩基础分布设计有23座集水井，以桩锚和内支撑结构为支护体系，确保基坑开挖以及施工过程的安全稳定性，其中预应力锚索设计长度约为480m，支撑梁钢板总体积超过2000m3，钢板截面形态为工字钢，所采用的预应力锚索锚固结构倾角设计为15°，预加荷载270kN，锚固段长度为20m，对应的支护桩长为16m，图1为该基坑工作中一组典型预应力锚索剖面图。利用FLAC 3D仿真计算平台，研究该水质净化厂基坑工作预应力锚索与支护结构关系。

图1 一组预应力锚索剖面图

1.2 模型建立及荷载约束

为简化模型计算，假定基坑土体性质均为各向同性，同时由于地下水位并未对基坑开挖产生显著性影响，因而不考虑地下水对土体应力变形影响。根据基坑中某一典型特征剖面基本形态，设计桩锚影响土体深度为基坑开挖深度的4倍[12]，故模型尺寸基本按照60m×35m进行网格划分，利用FLAC 3D设计基坑外尺寸为40m，桩、锚间距在模型中设置为25cm，整体模型所用单元网格尺寸为边长30cm的正方形，共划分出18582个单元，节点数16526个，所建立的数值模型如图2所示。

图2 基坑数值模型图

由于采用预应力锚索，因而需要考虑锚索预应力荷载的施加过程，为保证预应力的施加对支护架构应力变形不产生差异性影响，按照降温法对预应力锚索施加预应力锚固力，按照式(1)计算等效温差[13]：

(1)

式中，Δt—温差，℃；F—预应力，kN；η—膨胀系数；E—弹性模量；A—截面积，m2。

为保证温差传递带动预应力锚固的效应，设定一组上、下层锚索的膨胀系数分别为1.88×10-5、2.44×10-5，此即构成上、下层预应力锚索膨胀之间差异性。按照基坑开挖过程中的实际状态，将与x向(水平)、y向(横向)垂直的平面位移自由度均设定为0，施加位移约束，基坑顶部设计为自由平面，在上述工程资料及FLAC 3D仿真平台计算下，研究上、下层预应力锚索对基坑支护结构体系影响特性。

2 锚索整体预应力损失下支护结构位移特征

在基坑实际支护过程中，常常由于支护结构体系与开挖施工过程不协调，导致锚索预应力损失，降低了锚索支护能力，因而针对实际状态下的锚索预应力损失对支护结构的影响开展分析。根据上、下层预应力锚索受损伤的情况，划分为整体损失、上层损失但下层完好、下层损失但上层完好3种试验计算工况，并为了对比不同损失程度对基坑支护结构体系影响，设定各个试验工况分别为初始张拉预应力的10%、20%、30%、40% 4级损失方案，具体计算方案试验组见表1。

表1 试验方案组

预应力锚索整体不同损失程度下基坑水平位移分布云图如图3所示。从图中并结合锚索无预应力损失状态计算结果可知，上、下层锚索整体均无预应力损失时，基坑土体最大水平位移为5.04mm，而锚索整体预应力损失10%、20%、30%、40%时，最大水平位移相比前者分别增大了7.1%、14.7%、22.4%、30.2%，表明锚索整体预应力损失愈大，基坑内土体发生水平位移更为显著。从各预应力损失方案结果对比可看出，锚索整体损失10%预应力时，锚索附近土体最大位移仅为5.4mm，表明初始预应力损失10%，带来了基坑最大水平位移7.1%的增长，而整体预应力锚索损失20%时，锚索附近土体最大位移量相比预应力损失10%时增大了7%，当锚索损失了40%预应力时，锚索附近最大位移量已达6.56mm，相比损失30%预应力时增长了6.3%，表明当锚索整体预应力增大损失10%，则基坑最大水平位移平均增长6%～7%，预应力锚索损失愈多，锚索对土体的加固性能降低愈多，极大程度上增加了基坑内土体发生向外侧滑移的趋势。从预应力锚索整体不同损失程度的基坑内土体位移分布对比可知，当预应力损失较小时，坑内未开挖的土体存在滑移面，而预应力锚索所处位置即位于该区域，所有位移变化均在预应力锚索附近发生，由此可知锚索承担着基坑土体抗滑移的作用，稳定土体。但锚索预应力损失较大，当达到40%时，基坑土体产生的剪切滑移面逐渐向基坑外缩小[14]，即锚索对土体剪切滑移面的发展控制能力大大降低。

图3 锚索整体预应力损失时水平位移分布云图

锚索整体损失程度下不同试验方案基坑各深度处土体水平位移变化曲线如图4所示。从图中可看出，锚索整体无预应力损失时，基坑内土体水平位移随深度增大而呈先增后减变化，最大水平位移位于桩体中部；当锚索整体预应力损失增大至20%后，各计算方案中土体水平位移随深度增大，而均为减小态势，即在预应力损失时基坑土体位移以桩顶处为最大，锚索整体损失20%时，桩体中部水平位移为5.49mm，相比桩顶处降低了2.1%；对比预应力不同损失程度下水平位移变化可知，当预应力损失愈多时，相同深度的土体水平位移增大愈多，预应力损失10%时在桩顶6m处水平位移为5.22mm，而预应力损失20%、30%、40%时相同深度处水平位移相比前者分别增大了5.3%、10.9%、16.5%。由此可知，锚索整体预应力损失增大时，桩体各深度的水平位移显著增多，且滑移最大威胁面由完整锚索的桩体中间部位，转移至整体锚索预应力损失的桩顶处。

图4 锚索整体预应力损失时水平位移与深度关系

3 锚索单层预应力损失时支护结构位移特征

3.1 上层锚索预应力损失

为研究单层预应力损失对支护结构位移特征影响，设定上层预应力损失，但保持下层预应力完好的计算方案，获得不同预应力损失方案下水平位移特征，如图5所示。

从图5位移分布特征可看出，上层预应力损失10%时最大水平位移为5.29mm，相比完整锚索的最大水平位移增大了5%，剪切滑动面分布区域也稍有降低，当上层预应力损失20%、30%、40%时最大水平位移相比完整锚索分别增大了5.1%、10.2%、15.3%，相比整体锚索预应力损失时最大水平位移增长幅度有所降低；当上层锚索预应力每损失10%时，基坑内土体最大水平位移增长4%～5%；剪切滑动面分布范围相比整体锚索损失时更靠近锚索，在上层锚索预应力损失40%时剪切滑移面在锚索附近，即上、下层锚索仍具有一定锚固支撑性能。

图5 上层锚索预应力损失时水平位移分布云图

上层预应力锚索损失时水平位移变化特征如图6所示。从图中可看出，在上层锚索预应力损失20%后，土体水平位移均为逐渐减小态势，且桩体中部至桩体下部位移减小幅度显著，在上层锚索预应力损失20%时，桩顶至桩体中部水平位移降低了2.6%，而桩体中部至桩底，降低幅度达63.6%，且深度平均每增长1m，位移量值降低0.56mm。对比不同损失程度方案可知，与整体锚索预应力损失特征一致，预应力损失愈大，则水平位移愈大，但上层锚索预应力各损失方案中位移差距幅度显著低于锚索整体预应力损失方案，上层锚索预应力损失10%时，桩中部6m处水平位移为5.12mm，而预应力损失20%、30%、40%时相同深度处水平位移相比前者分别增大了2.9%、5.9%、8.8%。

图6 上层锚索预应力损失时水平位移与深度关系

3.2 下层锚索预应力损失

同理类似，计算获得在下层锚索预应力损失、上层锚索完好状态的基坑土体位移变化特征，不同损失方案的基坑土体水平位移分布特征如图7所示。从图中亦可看出，剪切滑动面分布面积显著减少，预应力损失40%时的最大水平位移为5.64mm，相比锚索整体完好状态增大了11.9%，当下层锚索预应力损失每增长10%时，最大水平位移平均增长幅度约2%，但预应力损失10%时相比锚索完好状态最大水平位移增大了5%，即在下层具有预应力损失条件时，锚索再次遭受到预应力损失后，最大水平位移减少幅度比初始预应力损失10%时要低，表明预应力锚索最大水平位移变化幅度总以完好锚索发生初始预应力损失时为最大，另一方面最大水平位移每损失10%的增长幅度低于上层锚索预应力损失状态，表明上层锚索对于基坑土体水平位移影响敏感度高于下层锚索。

图7 下层锚索预应力损失时水平位移分布云图

不同深度下各损失方案基坑土体水平位移变化曲线如图8所示。从图中可看出，预应力损失愈大，基坑土体位移量值愈大，但各损失方案之间差距幅度相比上层锚索预应力损失方案显著要低，下层锚索预应力损失10%时在桩中部6m处水平位移为5.14mm，而预应力损失20%、30%、40%时相同深度处水平位移相比前者分别增大了3%、5.6%、7.8%。在具有预应力损失后，基坑水平位移随桩体深度先增后减，且以桩体中部为转折点，预应力损失20%时，在桩中部至桩底时，深度平均每增长1m，水平位移减小0.55mm，相比上层锚索预应力损失同样方案，下层锚索预应力损失时对基坑水平位移影响显著减弱，由此表明，上、下层锚索中上层锚索承担张拉锚固性能显著，对土体约束作用较强，因而桩锚支护结构中应注意对上层锚索预应力的控制，确保其工作预应力损失不致过大。

图8 下层锚索预应力损失时水平位移与深度关系

4 结论

(1)锚索整体预应力增大损失10%，则最大位移平均增长6%～7%，锚索整体预应力损失愈多，相同深度下的土体水平位移愈大，位移随深度增大呈先增后减变化，最大位移面位于桩体中部。

(2)上层锚索预应力每损失10%，最大位移平均增长4%～5%，桩体中部至桩底深度平均每增长1m，水平位移降低0.56mm；不同损失方案间位移差距相比锚索整体预应力损失方案较小。

(3)下层锚索预应力损失每增长10%时，最大水平位移平均增长幅度约2%，下层锚索预应力损失状态下后对基坑变形影响敏感度低于上层锚索；以桩体中部为中间节点，基坑水平位移随桩体深度先增后减。