地铁深基坑采用可回收锚索支护的锚固机理研究

李习伟，王　建，李兆平（.中国矿业大学 力学与建筑工程学院，江苏 徐州　6；.北京交通大学 土木建筑工程学院，北京　00044）

地铁深基坑采用可回收锚索支护的锚固机理研究

李习伟1，王建2，李兆平2
（1.中国矿业大学 力学与建筑工程学院，江苏 徐州221116；2.北京交通大学 土木建筑工程学院，北京100044）

可回收锚索的应用不但可以解决普通锚索支护造成的地下建筑垃圾问题，而且不影响邻近地下空间的开发利用，在今后的城市建设中有广阔的应用前景。以深圳地铁3号线停车场深基坑支护使用的可回收锚索为研究对象，建立了数值计算模型，研究可回收锚索对土体的约束作用、锚索周围土体的应力分布以及锚索锚固段的剪力和轴力分布规律。计算结果表明：界面剪应力沿锚固段并非均匀分布，而是呈指数曲线形式，锚固段轴力分布呈单调递减函数形式；随着预应力的增大，锚固体的剪应力和轴力也随之增大，施加预应力的变化并没有改变剪应力和轴力的分布规律。基于计算结果提出锚固段“有效锚固长度”的概念。锚索参数设计应考虑锚固段黏结应力的实际分布状况。最后给出了深圳地铁3号线停车场基坑各层锚索锚固段长度值。

基坑支护结构；可回收预应力锚索；锚固段剪应力和轴力；有效锚固长度

锚索是基坑工程边坡支护中一种常见材料，但常规锚索永久埋藏于地下，无法取出，不仅导致了浪费，而且由于锚索不回收而侵犯到邻近地下空间的产权，其应用逐步受到限制［1］。采用可回收式锚索是解决上述问题的有效方法。在其使用功能完成后可以将锚索体从钻孔内回收并重复利用，不但可以降低造价，更重要的是可以解决临时支护造成的地下垃圾问题，在城市地下工程的基坑支护中将会有广阔的应用前景。

近年来国内已经在深圳、广州、北京等城市的深基坑边坡支护中开始了可回收锚索的应用研究［2-7］，但对可回收锚索的锚固力学机理则较少涉及。在工程应用中往往假定土体和锚固体界面的黏结应力（剪应力）沿整个锚固段呈均匀分布形式。

本文结合一工程深基坑的可回收锚索锚固参数设计，采用数值模拟方法，对可回收预应力锚索的加固机理及其作用效果进行了探讨。

1　可回收锚索锚固机理

深圳地铁龙岗线西延段停车场工程采用明挖法施工，其基坑北端采用φ1 200 mm钻孔桩+φ600 mm旋喷桩+可回收锚索围护形式。锚索为承压型预应力锚索，由钢绞线、波纹套管、承载体、固定台座、注浆体和外锚头组成。其结构如图1所示。

图1　可回收预应力锚索结构示意

对于常规预应力锚索的锚固机理研究工作成果已经基本能够满足设计需要［8-10］。深圳地铁龙岗线西延段停车场工程深基坑支护所使用的锚索是一种典型的承压型锚索，与传统预应力锚索最大不同在于可回收锚索钢绞线不被水泥浆包裹，仅靠水泥浆包裹承载体和塑料螺纹套管，与土体连接受力。钢绞线一端固定在外锚头处，一端固定在端尾部的固定台座上，张拉钢绞线，使固定台座受力并将拉拔力传递给承载体，承载体通过机械力及摩擦力将拉拔力传递给周围注浆体，注浆体再以压应力将力传递给锚固段的注浆体，最后锚固段浆体通过剪应力将力传递到周围岩土体中，因此是一种压力型锚索。

2　可回收锚索锚固机理模拟方法

采用FLAC3D模拟计算软件，该软件设置了梁、锚、桩、壳4种结构单元，可以方便地模拟基坑边坡支护中的锚杆（索）、衬砌、混凝土喷层等。

可回收锚索的加固效果主要体现在2方面：①锚索对周围岩土体的应力场的贡献；②锚索对基坑边坡土体约束变形的贡献，尤其是随着基坑开挖的进行，锚索的刚度贡献不断变化调整。本文主要研究可回收锚索对土体的加固作用机理及锚固段传力机理，不考虑基坑土方开挖对锚索性能的影响。

2.1锚索模拟方法

锚索锚固段采用Cable单元模拟，自由段不模拟，将预应力的作用简化为1个集中力作用在锚固段的端头部，并且在土体表面1 m×1 m的范围内施加均布面荷载来模拟锚索对土体的压缩作用。模型周围表面均采用法向约束，仅在施加荷载的土体表面为自由约束。2.2锚索单元的模拟

锚索单元设置成一维理想弹塑性2节点直线单元，每个节点在轴向只有1个平动自由度（相对于转动自由度）。锚索单元可以在张力或压力下达到屈服状态，但是不能承担弯矩作用。锚索单元和周围介质节点之间通过平行于轴线方向的剪切摩擦作用与周围介质发生作用。被赋予注浆参数后，当锚索体与周围介质土体之间有相对位移的趋势时，沿锚索长度就会产生力阻止这个相对位移，以此来模拟实际受力情况。

2.3注浆体的剪切性质

锚固体与土体界面间的作用本质上说是黏结作用和摩擦作用，注浆体的剪切性质用弹簧和滑片效应进行简化，并通过浆体的剪切刚度、浆体的黏结强度、浆体的摩擦角、外围周长等参数来控制。注浆体的剪切刚度从拉拔试验直接获得。

2.4界面的剪切滑移模拟

采用FLAC3D软件自带的Cable单元可以考虑界面的剪切滑移作用。

3　可回收锚索锚固机理数值模拟

3.1可回收锚索单锚计算模型及参数

可回收锚索计算模型见图2。模型尺寸10 m× 10 m×30 m，锚固段长度取15 m，自由段长度6 m，锚索放在模型的中心。预应力取100 kN，对于普通锚索在锚固段的端头部施加集中力100 kN，而对于可回收锚索在锚固段的端尾部施加集中力100 kN，并在各自对应的土体表面1 m×1 m的范围内施加均布荷载100 kPa。计算模型不考虑土体自重作用，长方体模型6个面除均布荷载作用面为自由约束外，其余全采用方向约束。

土体物理力学参数见表1。采用摩尔-库伦本构模型，锚索力学参数见表2。

图2　可回收式锚索计算模型

表1　土体（残积土）物理力学参数

表2　锚索力学参数

3.2可回收锚索锚固效果分析

1）可回收锚索对土体的约束作用

锚索XY平面Y方向位移云图见图3。可见：锚墩处土体表面产生了压缩区，而且在锚墩中心处位移最大。由于锚固段尾部受到锚索拉力的作用，锚固段尾部周围土体也有一定的位移，但小于锚墩处的土体位移，锚固段其余部位周围的土体几乎没有变形。而一般的预应力锚索会在锚固段的端头部位周围土体中产生较大的位移。可回收锚索有利于将不稳定岩土体锚固在地层更深部，有利于围护结构体系的稳定。

图3　锚索XY平面Y方向位移云图（单位：m）

2）锚索周围土体的应力分布

模型XY平面Y方向正应力云图见图4。可见：在预应力锚索的作用下，土体中明显地形成了1个受压区和1个受拉区。锚索张拉力在锚墩周边的土体中形成了一个压应力集中区。该应力集中区的范围沿锚索径向约为（2～3）D（D为锚墩边长），从自由段端部到距离锚固段尾部4 m的范围土体均为受压区。这说明可回收锚索对土体的加固范围要比普通的预应力锚索大，加固效果更好。

图4　模型XY平面Y方向正应力云图（单位：Pa）

3）锚索锚固段应力分布

锚索锚固段部位土体的Y向正应力云图见图5。可见，在锚固段尾部形成1个拉力集中区，在锚固段沿轴向离拉力集中区约4 m处形成1个压力集中区，在这2个集中区之间为压拉交界区。这符合上面的分析结果。

图5　锚固段正应力云图（单位：Pa）

4）界面黏结力（剪应力）分布

锚索锚固段浆土界面的黏结应力沿全长并不是均匀分布的，其峰值大约在距离锚固段尾部1/3处，在端尾处较大，在端头处较小甚至趋于0。锚固段剪应力云图见图6。

图6　锚固段剪应力云图（单位：Pa）

3.3预应力的改变对可回收锚索锚固性能的影响

不同预应力作用下锚固段应力分布曲线（右端为锚固段端头部位）见图7。可见随着施加预应力的改变：锚固体剪应力及轴力的大小和施加的预应力成正比，随着预应力的增大，锚固体的剪应力和轴力也随之增大；施加预应力的变化并没有改变剪应力和轴力的分布规律；锚固段的剪应力分布形式都是单峰型曲线，轴力分布形式都是单调递减曲线；随着预应力不断增大，锚固段的主要受力区域变化并不明显，都集中在距承载板10 m以内，这说明按锚固段黏结力均匀分布计算的锚固段长度偏于保守，其中部分锚固段并不受剪应力和轴力作用。

图7　不同预应力作用下锚固段受力分布曲线（右端为锚固段端头部位）

上述结论与文献［11］的解析解结论基本一致，但数值模拟由于所采取的模拟条件与实际工程基本一致，因此其结论对可回收锚索的设计更具有参考价值。

4　基于界面剪应力非均匀分布的可回收锚索支护参数设计

上述计算结果表明，在不同预应力工况下，可回收锚索锚固段的剪应力沿着锚固段并不呈现均匀分布，而是呈现单峰型曲线，并且随着预应力不断增大，锚固段承受剪应力作用的区域并没有明显变化。由于承受剪应力的锚固段才是有效锚固区域，因此提出“锚固段有效锚固长度”的概念。在锚索参数设计时必须考虑锚固段剪应力的实际分布状况。

1）剪应力分布不是均匀的，而是存在1个峰值，因此设计时必须保证剪应力峰值小于浆土界面的极限黏结应力，这样才能保证锚固段不发生拉拔剪切破坏。

2）由于锚固段存在有效长度，因此锚固长度的设计必须以有效长度为基础，根据有效长度计算结果再考虑一个安全系数得出锚固段长度。

按照上述设计原则，根据停车场深基坑工程各层锚索设计要求施加的预应力大小，并考虑适当的安全系数，给出4层锚索的锚固段有效长度计算结果，见表3。

表3　锚索锚固段长度计算结果

5　结论

1）在预应力作用下，锚固段尾部周围土体产生位移，锚固段其余部位周围的土体几乎没有变形，而一般的预应力锚索会在锚固段的端头部位周围土体中产生较大的位移。

2）在预应力作用下，从自由段端部到距离锚固段尾部4 m的范围土体均为受压区。受压区分布范围明显比常规的预应力锚索要大，说明可回收锚索对土体的加固范围要比普通的预应力锚索大，加固效果更好。

3）界面剪应力（黏结力）和轴力沿锚固段并非均匀分布，剪应力分布呈指数曲线形式，轴力分布呈单调递减函数形式。随着预应力的增大，锚固体的剪应力和轴力也随之增大，施加预应力的变化并没有改变剪应力和轴力的分布规律。

4）在不同预应力工况下，锚固段受剪力和轴力作用的长度均小于锚固段长度，说明锚固段中存在1个有效锚固长度。锚索参数设计时应考虑锚固段剪力和轴力的实际分布状况。

［1］盛宏光，聂德新，傅荣华.可回收式锚索试验研究［J］.地质灾害与环境保护，2003，14（4）：68-72.

［2］赵启嘉，刘正根.可回收锚索在基坑支护工程中的技术研究及应用探讨［J］.岩土工程学报，2012（增1）：480-483.

［3］李兆平，黄明利，王建，等.地铁深基坑采用可回收锚索支护方案优化设计［J］.地下空间与工程学报，2012，8（1）：154-160.

［4］王东欣.深基坑可回收锚索施工技术［J］.铁道建筑技术，2014（1）：97-99.

［5］刘卫铎.可回收锚索工艺在城市地铁施工中的应用［J］.铁道工程学报，2011（3）：105-108.

［6］严卓辉，关永波，李柏青.地铁深基坑采用可回收锚索支护的锚固参数设计［J］.市政技术，2013，31（1）：63-65.

［7］区焱彬，郭永顺.可回收预应力锚索施工技术研究［J］.广东土木与建筑，2008（5）：27-29.

［8］尤春安.全长黏结式锚杆的受力分析［J］.岩石力学与工程学报，2000，19（3）：339-341.

［9］曹国金，姜弘道，熊红梅.一种确定拉力型锚杆支护长度的方法［J］.岩石力学与工程学报，2003，22（7）：1141-1145.

［10］尤春安.压力型锚索锚固段的受力分析［J］.岩土工程学报，2004，26（6）：828-831.

［11］李兆平，李文涛，王建.可回收锚索锚固段应力分布及锚固长度研究［J］.北京交通大学学报，2011，35（4）：57-61.

（责任审编李付军）

Anchoring Mechanism of Removal Anchor Cable Support Used in Metro Deep Foundation Pit

LI Xiwei1，WANG Jian2，LI Zhaoping2
（1.School of Mechanics and Civil Engineering，China University of Mining and Technology，Xuzhou Jiangsu 221116，China；2.School of Civil and Architecture Engineering，Beijing Jiaotong University，Beijing 100044，China）

T he conventional anchor cable cannot be removed，which leads to the problem of long-term occupation of adjacent underground space.T he removable anchor cable can solve the problem of underground waste caused by temporary support structures，so it has broad application prospects in underground space development.In this paper，taking the removable anchor cable used in the deep foundation pit support structure of parking lot in Shenzhen metro No.3 line as the research object，a numerical simulation model was established to discuss the restriction performance of anchor cable on soils，the regularity of stress distribution of surrounding soils，and the distribution of shear stress and axial stress of anchor cable.T he simulation results indicate that the distribution of shear stress along the anchor cable bonding segment is not uniform but presenting a feature of exponential distribution.T he distribution of axial stress presents a type of monotone decreasing function.T he shear stress and axial stress of anchor cable increase synchronously with the increase of pre-stress，and their distribution type were not changed.A new concept called effective bonding length was put forward，which means that actual distribution of shear stress should be considered in design.T he bonding lengths of anchor cables of the deep foundation pit support structure of parking lot in Shenzhen metro No.3 line were calculated using new design method.

Supporting structure for foundation pit；Removable anchor cable；Shear stress and axial stress on the bonding segment；Effective bonding length

TU443；U455

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2016.08.25

1003-1995（2016）08-0100-04

2016-05-23；

2016-06-27

李习伟（1995— ），男，本科生。