預應力錨桿在深基坑支護中的應用及錨桿參數影響分析

鐘海

摘要：文章以某建筑深基坑工程開挖支護為研究對象，分析了該深基坑采用預應力錨桿支護的效果，并著重對錨桿參數進行了分析，得到以下結論：采用有限元軟件PLAXIS和巖土理正軟件計算得到的基坑邊坡安全系數相近，說明了有限元模型的準確性；隨著基坑開挖深度的不斷增大，基坑邊坡安全系數逐漸降低，且降低速率逐漸放緩，基坑開挖支護完成后的邊坡安全系數為1.502，大于規定的最小值1.30，說明該工程基坑開挖支護完成后的安全系數滿足要求；增大錨桿錨固段長度和增大錨桿預應力值均可以在一定程度上減小基坑側壁水平位移和基坑周圍地表沉降，從而提高基坑穩定性，且采用增大錨桿預應力值的方式要比增大錨桿錨固段長度更有效。

關鍵詞：深基坑工程；預應力錨桿；參數影響；有限元模擬

中圖分類號：U417.1+16 A 27 084 4

0 引言

深基坑工程支護問題是建筑行業中經常遇到的工程問題之一，如何保證深基坑工程在開挖和支護過程中的安全至關重要。近年來，國內學者對此進行了一些研究：沈榮鋒、許杰斌［1-2］在實際工程中發現深基坑工程常常會因為施工偏差而不能滿足設計要求，以南京市某深基坑為研究對象，重點分析了該工程采用預應力錨桿加固的效果及經濟效益；陳月美、童發［3-4］在研究基坑支護特點的基礎上，對目前工程中常見的深基坑支護形式進行總結分析，最終提出了采用預應力錨桿和荷載分散式錨桿技術解決基坑支護中一些常見問題；唐春松、胡琦兄［5-6］從深基坑開挖支護特點出發，分析和探索了深基坑的質量控制方法，在提高建筑企業施工管理水平方面提出了一些見解；徐森躍、沈科元［7-8］通過統計分析得出預應力土層錨桿技術在實際工程中較為經濟且效率也較高，并以此為研究重點，著重介紹預應力土層錨桿概念和技術特點，分析了預應力土層錨桿作用方式和特點。本文主要以某建筑深基坑工程開挖支護為研究對象，分析了該深基坑采用預應力錨桿支護的效果，并著重對錨桿參數進行了分析，研究結果可為深基坑工程設計和施工提供參考。

1 工程簡介

某建筑深基坑深度為11.6 m，基坑邊坡坡率為1∶0.5，剖面形狀如圖1所示。采用2 m×2 m預應力錨桿復合土釘支護結構，支護從上而下共分為6排，其中第1～3排為預應力錨桿支護，錨桿施加預應力，錨桿長度從上至下依次取12 m、15 m和15 m，其中錨固段分別長7 m、10 m和10 m，設計抗拔力分別為100 kN、220 kN和220 kN，每排間距取3.0 m，注漿層厚度取110 mm，由1根直徑28 mm鋼筋組成，錨索與水平面夾角取15°。第4～6排為土釘支護，土釘長度均為12 m，由1根直徑28 mm鋼筋組成，設計抗拔力分別為220 kN。

2 分析方法

2.1 有限元模型的建立

如圖2所示，采用PLAXIS軟件建立模型。模型長、寬、高依次為70 m、20 m、50 m。模擬過程中，錨桿、土釘采用結構單元模擬，其他采用實體單元模擬，除上邊界外，其他邊界均進行位移約束。原始地層從上往下分為2層，依次為粉土和夾塊粉質黏土，厚度分別為15 m和35 m。

該基坑的開挖坡率為1∶0.4，整體采用預應力錨桿復合土釘支護結構，支護結構共6排，其中上三排為預應力錨桿支護結構，從上至下錨桿設計預應力值依次為60 kN、120 kN和120 kN，下三排為土釘支護結構，基坑表面掛鋼網后噴射80 mm混凝土支護。錨桿和土釘與水平面夾角均為20°，除第一排鋼筋采用28 mm外，其他排鋼筋均采用32 mm；除第二、三排錨桿長度取15 m外，其余均取12 m；錨桿和土釘孔徑均采用二次注漿，并在基坑頂部和底部設置排水溝。

如表1和表2所示，給出了基坑土體和錨桿、土釘的力學參數。

2.2 基坑開挖支護過程

主要分6個步驟進行，分別為：步驟一，開挖第1層至-2 m，施作第一排錨桿，施加錨桿預應力并噴射面層混凝土；步驟二，開挖第2層至-4 m，施作第二排錨桿，施加錨桿預應力并噴射面層混凝土；步驟三，開挖第3層至-6 m，施作第三排錨桿，施加錨桿預應力并噴射面層混凝土；步驟四，開挖第4層至-8 m，施作第一排土釘和噴射面層混凝土；步驟五，開挖第5層至-10 m，施作第二排土釘和噴射面層混凝土；步驟六，開挖第6層至-11.5 m，施作第三排土釘和噴射面層混凝土。

3 預應力錨桿支護基坑穩定性分析

為了對預應力錨桿支護基坑效果進行分析，如圖3所示，給出了基坑開挖過程中的位移云圖。由圖3可知，每個開挖步的開挖破裂面基本呈圓弧狀，且從坡腳附近發生滑裂，最大滑裂面曲線從錨桿的自由段和錨固段相交處穿過。如表3所示給出了基坑開挖支護過程中的穩定性系數。由表3可知，采用PLAXIS軟件和巖土理正軟件計算得到的基坑邊坡安全系數相近，二者差值＜4%，說明了有限元模型的準確性。將圖3與表3結合來看，隨著基坑開挖深度的不斷增大，基坑邊坡安全系數逐漸降低，且降低速率逐漸放緩，基坑開挖支護完成后的邊坡安全系數為1.502。

根據《基坑土釘支護技術規程》（CECS 96∶97）要求，如表4所示，該工程基坑最小安全系數應≥1.30。由此可知，該工程基坑開挖支護完成后的安全系數滿足要求，處于穩定狀態。

4 錨桿參數變化影響分析

本節主要基于錨固段長度變化和錨桿預應力變化對基坑側壁水平位移與基坑周圍地表沉降的影響進行監測分析。

4.1 錨固段長度變化

如圖4所示，給出了基坑側壁水平位移隨錨桿錨固段長度的變化曲線。由圖4可知，基坑開挖支護完成后，隨基坑深度增加，基坑側壁水平位移先增大后減小，在基坑1/2深度附近側壁水平位移最大?；觽缺谒轿灰齐S著錨桿錨固段長度的增大而減小，錨固段長度取8 m、10 m和12 m時的基坑側壁水平位移最大值分別為21.28 mm、19.42 mm和18.26 mm。相比于錨固段長度取8 m時，錨固段長度取10 m和12 m時的基坑側壁水平位移最大值分別減少8.7%和14.2%。

如圖5所示，給出了基坑周圍地表沉降隨錨桿錨固段長度變化曲線。由圖5可知，隨著與基坑距離的增大，地表沉降先增大后減小，基坑周圍最大地表沉降值發生在距離基坑邊緣約9 m處?；又車畲蟮乇沓两惦S著錨桿錨固段長度的增大而減小，錨固段長度取8 m、10 m和12 m時的基坑周圍最大地表沉降最大值分別為25.62 mm、24.18 mm和22.88 mm。相比于錨固段長度取8 m時，錨固段長度取10 m和12 m時的基坑周圍最大地表沉降最大值分別減少5.6%和10.7%。

綜上可知，增大錨桿錨固段長度可以一定程度上減小基坑側壁水平位移和基坑周圍地表沉降，從而提高基坑穩定性。

4.2 預應力大小變化

如圖6所示，給出了基坑側壁水平位移隨錨桿預應力大小的變化曲線。由圖6可知，基坑開挖支護完成后，隨基坑深度增加，基坑側壁水平位移先增大后減小，在基坑1/2深度附近側壁水平位移最大。同時，基坑側壁水平位移隨著錨桿預應力的增大而減小，錨桿預應力取50 kN、100 kN和150 kN時的基坑側壁水平位移最大值分別為24.13 mm、18.96 mm和15.64 mm。相比于預應力取50 kN時，錨桿預應力取100 kN和150 kN時的基坑側壁水平位移最大值分別減少21.4%和35.2%。

如圖7所示，給出了基坑周圍地表沉降隨錨桿預應力大小的變化曲線。由圖7可知，隨著與基坑距離的增大，地表沉降先增大后減小，基坑周圍最大地表沉降值發生在距離基坑邊緣約9 m處?；又車畲蟮乇沓两惦S著錨桿預應力的增大而減小，錨桿預應力取50 kN、100 kN和150 kN時的基坑周圍地表沉降最大值分別為26.03 mm、24.15 mm和22.48 mm。相比于預應力取50 kN時，錨桿預應力取100 kN和150 kN的基坑周圍最大地表沉降最大值分別減少7.2%和13.6%。

綜上可知，增大錨桿預應力值可以一定程度上減少基坑側壁水平位移和基坑周圍地表沉降，從而提高基坑穩定性，且采用增大錨桿預應力值的方式要比增大錨桿錨固段長度更有效。

5 結語

本文主要以某建筑深基坑工程開挖支護為研究對象，分析了該深基坑采用預應力錨桿支護的效果，并著重對錨桿參數影響進行了分析，得到以下結論：

（1）采用PLAXIS軟件和巖土理正軟件計算得到的基坑邊坡安全系數相近，說明了有限元模型的準確性。

（2）隨著基坑開挖深度的不斷增大，基坑邊坡安全系數逐漸降低，且降低速率逐漸放緩，基坑開挖支護完成后的邊坡安全系數為1.502，大于規定的最小值1.30，說明該工程基坑開挖支護完成后的安全系數滿足要求，處于穩定狀態。

（3）增大錨桿錨固段長度和增大錨桿預應力值均可以一定程度上減小基坑側壁水平位移和基坑周圍地表沉降，從而提高基坑穩定性，且采用增大錨桿預應力值的方式要比增大錨桿錨固段長度更有效。

參考文獻

［1］沈榮鋒.預應力錨桿在基坑支護加固工程中的應用研究——以南京某基坑加固工程為例［J］.河南科技，2021，40（18）：103-105.

［2］許杰斌.預應力錨桿在基坑圍護中的應用［J］.江西建材，2020（12）：236-237.

［3］陳月美.錨桿及土釘墻于深基坑支護的施工［J］.四川水泥，2019（8）：290.

［4］童 發.關于建筑工程基坑支護技術的探析［J］.江西建材，2019（9）：158-159.

［5］唐春松.建筑工程深基坑支護施工技術及質量控制措施［J］.工程技術研究，2022，7（13）：262-264.

［6］胡琦兄.建筑工程施工中深基坑支護的施工技術管理［J］.建筑技術開發，2021，48（13）：153-154.

［7］徐森躍.預應力土層錨桿在深基坑支護施工中的應用［J］.工程建設與設計，2018（16）：62-63.

［8］沈科元.深基坑支護樁和預應力錨桿復合支護方式探討［J］.工程技術研究，2019，4（15）：32-33.

收稿日期：2023-07-10