预应力锚索对桩锚支护变形影响数值分析

张凯 范孟华 王玮

（河南大学土木建筑学院 河南开封 475004）

桩锚支护结构因其材料用量少、低成本、环境污染小等优点，在深基坑工程中得到了广泛的应用。目前关于桩锚支护的研究很多，申海平[1]等对桩锚支护结构变形的空间分布进行了分析，得出桩锚支护结构变形坑角效应的影响范围和影响系数；鲍生才[2]通过有限元软件与实际工程经验相结合，得出开挖深度对基坑侧壁稳定性的影响规律；时伟[3]通过现场试验，得出了支护桩与桩侧土体随开挖工况而变化的水平位移分布规律。本文利用ABAQUS有限元软件，以桩锚支护结构为研究对象，结合工程实例，针对预应力锚索对基坑变形的影响进行三维有限元分析。

1 工程概况

该基坑工程位于兰州某地，拟建建筑25F-27F，地下三层。基坑长度约为205m，宽约为71m，开挖深度为20m。场地底面绝对标高为1511.7m。

根据岩土工程勘察报告，地貌单元属黄河南岸Ⅰ级阶地，场地地层在勘探深度范围内，自上而下主要为①填土层：层厚为4.0m，容重为17.0kg/m3，内摩擦角为12°，粘聚力为0.01kPa；②卵石层：层厚为6.0m，容重为23.0kg/m3，内摩擦角为30°，粘聚力为0kPa；③第三系砂岩层：厚为50.0m，容重为 24.0kg/m3，内摩擦角为 25°，粘聚力为 0.02kPa。

由于考虑到周围建筑物地下室外墙的影响，故锚索打入位置并不一样，以基坑东侧阳角处为界，将其南侧三排锚索编号1、2、3北侧锚索标号4、5、6，各排锚索材料参数分别为：1号锚索竖向间距3.5m，总长11.0m，预应力150kN；2号锚索竖向间距4.0m，总长13.0m，预应力290kN；3号锚索竖向间距4.5m，总长20.0m，预应力400kN；4号锚索竖向间距4.5m，总长15.0m，预应力180kN；5号锚索竖向间距4.5m，总长17.0m，预应力340kN；6号锚索竖向间距5.0m，总长21.5m，预应力450kN；支护桩参数为桩径1.0m，桩长28m，桩间距1.8m。

2 有限元分析模型的建立

ABAQUS计算模型：长×宽×高为170m×70m×60m，模型底面固定，侧面限制水平位移，上表面为自由边界。假定土体材料破坏符合Mohr-Coulomb强度准则。锚索、支护桩采用线弹性模型。定义M-C本构模型的弹性模量由勘测报告中的压缩模量根据经验公式确定[4]，根据等刚度原则，将支护桩等效为地下连续墙[5]，锚索自由段通过降低温度的方法对其施加预应力[6～7]。

2.1 不同工况下桩身位移对比

将阳角北侧段中部变形最大的桩体在每个工况下桩身的水平位移数据提取，从其结果看出：桩身最大位移发生在桩顶位置，并沿桩身长度不断减小，这与加内支撑的变形不同[8]；随着基坑开挖的进行，桩身整体位移不断增大，说明基坑开挖深度对支护的变形影响很大；在有锚杆打入的位置，相邻两工况桩身变形较小。

2.2 有锚索和无锚索状况下支护桩水平位移对比

做出无锚索状况下的对比模型。将两个模型中基坑阳角西侧段阳角处桩身位移、阴角处桩身位移、中部桩身位移和西侧段整体桩顶位移分别提取，结果表明：两种状况下，桩身最大位移均发生在中部，阳角处次之，阴角处最小；桩身整体变形均为上部最大，并沿桩身向下不断减小；桩身变形差别很大，除阴角处外，其余部位均大于有锚索状况下桩身位移，预应力锚索对抑制基坑变形效果明显；阴角处均为基坑变形最小且最稳定处，故在实际工程中可降低该处支护等级；阳角处变形较大，应在工程中重点注意。有锚索和无锚索状况下，桩顶水平位移差别很大，预应力锚索对抑制基坑变形效果明显。

2.3 模拟值与实测值对比分析

通过模拟值与实测值的对比可以发现：在基坑的整个开挖过程中，检测点水平位移检测值与模拟值具有相似的趋势且数值相差不大，说明本模型采取的本构关系是合理的。

图1

3 结论

①基坑开挖深度对基坑支护的变形影响很大；②深基坑桩锚支护中，预应力锚索对控制基坑变形具有显著作用；③预应力锚索对基坑阳角效应具有明显抑制作用。

[1]申海平，彭文祥，郝玉，等.深基坑桩锚支护结构变形的坑角效应分析[J].土工基础，2016，30（01）：73～76+82.

[2]鲍生才.深基坑桩锚支护结构数值模拟研究[J].地下空间与工程学报，2014，10（S2）：1941～1945.

[3]时伟，刘继明，章伟.深基坑桩锚支护体系水平位移试验研究[J].岩石力学与工程学报，2003（S1）：2355～2358.

[4]贾堤，石峰，郑刚，徐舜华，安璐.深基坑工程数值模拟土体弹性模量取值的探讨[J].岩土工程学报，2008，30（S1）：155～158.

[5]李芬祥.深基坑桩锚支护的数值模拟分析[D].马鞍山：安徽工业大学，2013.

[6]陈宜言，林松，尧国皇.有限元分析中钢筋混凝土梁的预应力模拟[J].深圳土木与建筑，2009，6（3）：22～24.

[7]徐前卫，尤春安，朱合华.预应力锚索的三维数值模拟及其应用研究[J].岩石力学与工程学报，2004（S2）：4941～4945.

[8]范东岭.基于坑角效应的深基坑开挖对围护结构变形的影响研究[D].南充：西南石油大学，2016.