双排桩-锚支护结构影响因素分析研究

蒋 宇, 王翠英

(湖北工业大学土木建筑与环境学院， 湖北 武汉 430068)

双排桩-锚支护结构影响因素分析研究

蒋 宇, 王翠英

(湖北工业大学土木建筑与环境学院， 湖北 武汉 430068)

以武汉城市花园基坑支护项目为依托，建立基坑支护模型，分析双排桩桩长、锚索长度及预应力对支护结构变形、内力的影响，其模拟结果与监测资料相吻合，两者对比得出：桩长、锚索长度达到一定值后，再增加其长度，对双排桩锚支护结构变形和内力影响不明显，但适当增加锚索预应力，能够有效限制基坑的变形。

支护结构、双排桩+锚索、数值模拟

双排桩锚支护结构的内力、变形与许多复杂因素有关，如双排桩排距、桩径、桩长、锚索长度、锚索预应力等。虽然已有许多学者对双排桩排距、桩径进行了研究，但是目前研究双排桩桩长、锚索长度、锚索预应力对双排桩锚支护结构的影响不多，现场实测数据少，其理论研究滞后于实际应用。本文主要研究前后排桩桩长、锚索长度及锚索预应力对支护结构内力变形的影响。以武汉城市花园基坑支护项目为依托，应用有限元分析软件MIDAS/GTS建立基坑支护数值模型，选取不同的前后排桩长、锚索长度及预应力这几个因素作为参数，分析其对桩锚支护结构位移和弯矩的影响 ，其模拟结果与实际监测值进行对比，了解双排桩-锚支护结构的内力及变形规律，改善支护结构整体布局以优化设计。

1 模型的建立

1.1工程概况

拟建场地位于汉口青年路，场地东、西侧为住宅楼，北侧为拟建公共场所用地，南侧毗邻街道，该建筑设3层地下室，基坑为长方形(45 m×24 m),开挖深度13.3 m(图1)。基坑支护结构采用双排桩(钻孔灌注桩)加预应力锚索，在桩顶设置冠梁、连梁，充分利用双排桩-锚支护结构占地空间小、刚度大的优势。双排桩-锚支护结构剖面见图2。

图 1 基坑平面布置图

图 2 双排桩-锚支护结构剖面图

1.2有限元计算模型

模型计算范围取基底以下2倍的基坑开挖深度，影响宽度取2～3倍开挖深度。基坑模型中，土体材料按照不同性质分为6层，材料参数选取见表1。采用实体单元模拟土体，植入式桁架单元模拟双排桩-锚支护结构中的预应力锚索，梁单元模拟支护桩，板单元模拟冠梁、连梁；土层采用摩尔库仑本构模型，冠梁、连梁、锚索采用弹性模型。接触参数选:最终剪力650 kN/m, 剪切刚度模量50 000 kN/m3, 法向刚度模量500 000 kN/m3, 桩端承载力4000 kN, 桩端弹簧刚度16 000 kN/m。

在双排桩之间设置有止水帷幕，在基坑开挖深度及基坑底以下一定范围内隔断了地下水的流动，因此，在模拟计算时未考虑地下水对双排桩-锚支护结构的影响。

表1 材料参数对应表

2 基坑开挖过程模拟

根据现场基坑的实际情况，第一步：建立基坑几何形状、扩展实体单元、布尔运算、根据土层厚度及开挖支护位置分割实体，根据精度要求进行网格划分[1]，修改网格参数，完成三维基坑开挖模型(图3)；第二步：绘制锚索锚固段和自由段多段线，利用锚建助手完成三层锚索(植入式桁架单元)模拟，第三步：对基坑开挖的侧边网格吸取单元，用梁单元完成支护桩的模拟(图4)；第四步，定义边界条件、荷载条件及施工阶段的定义，对基坑三维模拟进行分析计算。

图 3 基坑开挖模型

图 4 双排桩-锚支护结构模型

3 数值模拟结果分析

3.1双排桩桩长

桩身嵌固深度与双排桩桩长有着密切联系。双排桩桩长的改变，相当于桩身嵌固深度的改变，对双排桩-锚支护结构内力变形有影响，实际工程中，双排桩支护结构时常设计为前后排桩桩长不等[2]。模拟分析两种情况：第一，前排桩桩长相等，后排桩桩长不等，分别为18 m、20 m、22 m、24 m、26 m、28 m；其次，后排桩桩长相等，前排桩桩长不等，分别为18 m、20 m、22 m、24 m、26 m、28 m。

1)前排桩桩长始终为24 m，后排桩桩长分别取18 m、20 m、22 m、24 m、26 m、28 m时进行分析讨论。不同后排桩桩长情况下前、后排桩桩身水平位移及弯矩见图5、图6。

图 5 前后排桩水平位移随后排桩桩长变化

图 6 前后排桩弯矩随后排桩桩长变化

图5可知，前、后排桩的最大水平位移随着后排桩桩长增加而逐渐减小，但减小的不明显。

图6可知，前、后排桩的最大弯矩值随着后排桩桩长增加而逐渐减小，但减小的不明显。

2)后排桩桩长始终为24 m，前排桩桩长分别取18 m、20 m、22 m、24 m、26 m、28 m时分析讨论。根据不同前排桩桩长情况，前、后排桩桩身水平位移及弯矩见图7、图8。

图 7 前后排桩水平位移随前排桩桩长变化

图 8 前后排桩弯矩随前排桩桩长变化

图7可知，随前排桩桩长增加，前、后排桩桩身坑底以上部分的水平位移在逐渐减少，且这种减小的趋势在逐渐变缓；基坑坑底以下桩身部分水平位移也随前排桩桩长增加而减小，但变化不显著。

图8可知，随着前排桩桩长的增加，前排桩身负弯矩逐渐减小，桩身正弯矩逐渐增大；后排桩的桩身正、负弯矩均逐渐减小。

因此，前排桩的桩长增大与后排桩的桩长增大都使得双排桩的桩顶水平位移降低，但是当桩长增加到一定程度时，再增加桩长对支护结构水平位移的限制效果不很明显，因此，只要桩体嵌固深度符合要求，桩长合理即可。前排桩的桩长变化对于双排桩支护结构的影响作用大于后排桩，设计时，重点考虑前排桩桩长。

3.2锚索长度

双排桩-锚支护结构是一种改善基坑内力、变形较为有效的支护方式，锚索的存在极大的改善了双排桩-锚支护结构的受力与变形状况。前、后排桩长都为26 m，锚索长度(三排均保持一致)分别为12 m、16 m、20 m、24 m、28 m时，双排桩-锚支护结构前、后排桩水平位移和弯矩的数值模拟结果见图9、图10。

图 9 前后排桩水平位移随锚索长度变化

图10 前后排桩弯距随锚索长度变化

图9可知，锚索长度为12 m时，前、后排桩桩身水平位移分别为：27.06 mm、24.03 mm，两者均比较大，这种情况可能是长度过短的锚索位于基坑土体的假想滑移面之内，其抗拔作用不明显。前、后排桩桩体水平位移随着锚索长度的增加而显著减小，同时这种减小的幅度会随着锚索长度的增加有所减弱。

图10可知，锚索长度不超过20 m时，前、后排桩的正负弯矩随着锚索长度的增加而逐渐减小，当锚索长度大于20 m，前、后排桩的正负弯矩随着锚索长度的增加而减小的趋势不再显著。

综合上述分析，锚索设计时，锚索过短，不能发挥其应有的作用，锚索过长，虽然能减小桩身水平位移及正负弯矩，但效果不明显，同时又会造成浪费，因此设计时应综合考虑。

3.3锚索预应力

双排桩-锚支护结构中，锚索处于受拉状态。锚索一端通过围檩与前排桩相连，另一端锚固于土层中或者岩层中，为前排桩提供一定的拉拔力，保持结构的相对稳定。当锚索预应力(三排均保持一致)分别取100 kN、120 kN、140 kN、160 kN、180 kN时，双排桩桩身水平位移和弯矩数值模拟结果见图11、图12。

图11 前后排桩水平位移随锚索预应力变化

图12 前后排桩弯距随锚索预应力变化

图11可知，前、后排桩的最大水平位移在锚索预应力为100 kN情况下分别为20.47 mm、16.65 mm，桩顶水平位移分别为8.45 mm、8.44 mm。前、后排桩的最大水平位移在锚索预应力为180 kN情况下分别为18.56 mm、15.04 mm，桩顶水平位移分别为6.48 mm、6.48 mm。前、后排桩的水平位移均随着锚索预应力增大而减小，但减小的趋势不明显。

图12可知，当锚索预应力为100 kN时，前排桩的最大正、负弯矩分别为564.55 kN·m和953.36 kN·m，后排桩的最大正、负弯矩分别为138.89 kN·m和456.87 kN·m。当锚索预应力为180 kN时，前排桩最大正、负弯矩分别为547.58 kN·m和949.36 kN·m，后排桩的最大正、负弯矩分别为137.32 kN·m和463.05 kN·m，前、后排桩的正、负弯矩均随着锚索预应力增大而减小，但这种减小的趋势逐渐减弱。

4 监测结果与数值计算结果对比分析

在基坑开挖及支护工程施工过程中，周围环境与围护结构是一个动态变化过程。基坑监测必须贯穿于基坑施工全过程，及时准确的掌握支护结构最大位移位置以及受到的锚索最大轴力，可以方便施工设计人员根据实际情况调整相应的基坑支护方案，信息化指导施工，确保施工安全。

4.1预应力锚索张拉与监测

4.1.1预应力锚索张拉本工程锚索属于全长粘结性拉力型锚索，锚索设置水平安放角为15°，材料选用高强度、低松驰全长粘结型预应力钢绞线，极限强度1860 MPa，设计值1320 MPa。试验采用整体张拉法,选用YDC-240型液压千斤顶张拉,用高压油泵加压,锚具选用XYM 15-7型(图13)。锚索每孔张拉力分别为100 kN、120 kN、140 kN、160 kN、180 kN。

4.1.2水平位移监测采用测斜法进行双排桩-锚支护结构深层水平位移监测。本项目测斜管为PVC管，∅70 mm，内壁刻有两对互成90°的导槽，测试方位由导槽控制。埋设时，一组导槽与围护体垂直，另一组与基坑墙体相平行。测试时，将测斜仪探头沿导槽缓缓沉至孔底，然后进行向上连续分段测量。本项目测斜仪采用CX-06型测斜仪进行测斜测试，测斜精度为±0.1 mm/0.5 mm，CX-06型测斜仪如图14；当现场施加锚索预应力(三排均保持一致)分别取100 kN、120 kN、140 kN、160 kN、180 kN时，监测双排桩桩身水平位移。

图13 预应力锚索张拉

图14 CX-06型测斜仪

4.2监测结果与数值计算结果对比分析

不同锚索预应力MIDAS/GTS计算的桩体水平位移与实测结果进行对比见图15、图16。

图15 前排桩水平位移监测值与模拟值随锚索预应力变化

图16 后排桩水平位移监测值与模拟值随锚索预应力变化

由图15、图16可知，现场施加不同锚索预应力时，双排桩-锚支护结构前、后排桩水平位移的监测值与数值模拟值曲线基本相似，均随着锚索预应力增大而减小，但这种减小的趋势逐渐减弱。监测值和数值模拟得出的最大水平位移值的位置大致相同，说明采用MIDAS/GTS有限元软件的计算结果是可信的。

5 小结

本文通过双排桩桩长、锚索长度及预应力大小对双排桩-锚支护结构前后排桩内力、变形的影响

进行有限元分析，并与监测资料对比，得出如下结论。

1)双排桩-锚支护结构的水平位移会随着前后排桩桩长、锚索长度的增加而减小，当双排桩桩长增加到26 m，锚索长度增加到24 m时，水平位移的限制效果不明显；因此，基坑支护设计中满足稳定性要求即可，桩长、锚索长度不必过长。

2)双排桩-锚支护结构桩身变形和内力会随着锚索预应力的增加而明显降低。由于预应力锚索能够为前排桩提供一定程度的横向约束，在实际工程中，可适当增加锚索预应力加强对桩身变形和内力的控制。

3)双排桩-锚支护结构前、后排桩，不同锚索预应力水平位移的监测值与数值模拟计算值曲线趋势基本相似，说明采用MIDAS/GTS有限元软件的计算结果是可信的。

[1] 王飞.双排桩-锚索复合支护结构在软土基坑的应用及数值模拟分析[D].阜新：辽宁工程技术大学,2013:41-43.

[2] 李荣玉.门架式双排桩-锚杆(索)组合支护结构在深基坑工程中的应用研究[D].昆明：昆明理工大学,2014:69-71.

[3] 李治.MIDAS/GTS在岩土工程中应用[M].北京：中国建筑工业出版社，2014.

[4] 刘建航，侯学渊.基坑工程手册，[M].北京：中国建筑工业出版社，1997.

[责任编校：张岩芳]

InfluencingFactorsofDouble-rowPileAnchorSupportingStructure

JIANG Yu, WANG Cuiying

(SchoolofCivilEngin.,ArchitectureandEnvironment，HubeiUniv.ofTech.，Wuhan430068，China)

This study, based on Hankou City Garden foundation pit supporting project in Wuhan, set up the foundation pit supporting model, analyzed the impact of the length of double-row pile, the length of cable and prestress on the deformation and the internal force of supporting structure. The simulation result is consistent with the monitoring data. Comparison between the two methods proves that, after reaching a certain value of the length of the pile and the length of the cable, the increase of its length exerts no effect on the deformation of supporting structure and internal force of double-row pile anchors. But an appropriate increase of the prestress of anchor cables will effectively limit the deformation of foundation pit.

foundation pit project; double-row pile anchor; numerical simulation

2017-02-09

蒋 宇(1990-)， 男， 湖北红安人，湖北工业大学硕士研究生，研究方向为岩土工程

1003-4684(2017)05-0033-05

TU473

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