预应力锚索桩受力机理研究

李果

摘 要：基于桩锚变形协调原理，对岩土工程中桩锚支护结构进行理论公式推导，并结合工程案例进行实际数据的理论计算，加深了对桩锚支护结构设计的认识水平，有利于工程实践。

关键词 ：桩锚结构；设计原理；工程实践分析

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.06.111

1 引言

随着城市化建设的加快，深基坑工程正朝着深、大方向发展，并且城市基坑工程项目常面临地下管线问题，因此基坑开挖安全越来越引起有关部门和学者的注意。

目前，基坑工程在软土地区常采用地下连续墙加钢管桩支撑，而当岩质较硬的情况下对采用抗滑桩，在某些工程安全等级较高，变形控制严格的地方常采用锚索桩。

本文通过对深基坑桩锚支护结构进行理论公式推导，并结合工程算例加以应用，可以更好的服务工程设计。

2 桩锚结构设计原理

2.1 桩锚结构设计基本假设[1]

（1）岩土体在开挖卸荷过程中，对于同一类型的岩土层沿着某一确定的破裂角破坏，滑裂体被当作刚性体，且其后的推力类型分为三角形、梯形形式。

（2）抗滑桩在受到推力变形后，与原始桩体垂直的截面在变形后任然保持垂直[2]。

（3）桩锚支护结构在受力变形过程中，把桩、锚、岩土体作为一个整体，并且满足锚索作用点位置处的桩体变形量等于锚索的变形量。

2.2 桩锚支护结构受力机理

基坑开挖过程中锚索桩受力分析情况，对于开挖面底部弯矩、剪力：

M0=My-RH ； V0=F-R （1） 式中：F和My分别表示岩土压力和岩土体在开挖面产生的弯矩；R、H分别表示锚索水平方向应力和锚索距离开挖面的高度当有多根锚索时，锚索应力进行求和。

并且在锚索作用点的位置，桩体和锚索的应变满足变形协调原理， 所以：Sz=Ss （2） 其中：SZ=X0+φ0H+z-Sij （3） 式中：X0、φ0分别表示开挖底面的位移和桩体转角；Z和Sij分别表示桩节点的位移和锚索作用力在节点处的位移。

在岩土压力的作用下桩体节点的位移计算方式：

Z=L4（5q0*（3-4（1-?）+（1-?）4）+（q1-q0）*（4-5（1-?）+（1-?）5）；S=Eδ （4） 式中：EI为桩体刚度；?表示锚索所在位置高度和基坑高度的比值；L表示锚索的自由段长度；δ表示应变系数。

对于预应力锚索可以通过k法计算得到桩体嵌固端部的位移和转角分别为：

Ф0=V0*θ2/β2EI+M0*θ3/βEI

X0=V0*θ1/β3EI+M0*θ2/β2EI （5）

结合式（1）到式（5）通过应变协调原理求得锚索桩锚索应力R。

3 桩锚结构算例

由于公路边坡对于人们的生命财产安全较为重要，现对某公路边坡工程进行二维理论计算研究。该边坡采用抗滑桩加一道锚索的支护形式，边坡拟采用1.5x2m尺寸的抗滑桩，锚索采用8束7根直径为5mm的锚索束，基坑土压力分布采用三角行分布形式，q0、q1分别取值0、300KN，桩身采用混凝土的弹性模量和锚索的弹性模量分别取值为2.6x1010N/m2和1.9x1011N/m2，桩体锚固深度取值为5m，悬臂段长度为16m，锚索作用于桩顶以下3m位置，试求抗滑桩上需要施加的锚索应力值。

（1）桩体刚度：EI=2.6×1010×bL3/12=2.6×1010

（2）本例中对于单锚索结构：δ=2.817X10-5。

（3） 根据式（4）计算受土压力作用时，锚索拉应力作用点的位移为：z=0.0193

（4）在桩体锚固端部的弯矩和剪力计算情况：V0=q1H/2=2400KN.m；

M0=q1H2/6=12800KN.m2

（5）通过桩体的变形系数和计算宽度确定锚索桩的三个系数。

1）当桩体的宽度超过一米时，抗滑桩的计算宽度取值为：Bp=b+1=2.5m。

2）桩体的变形系数计算公式为：β=0.2914。

3）通过桩体变形系数和桩体埋设深度等信息得到桩体变形的三个系数分别为：θ1=0.7137 、θ2=0.815、θ3=1.4969。

（6）将前式中的各参数带入理论推导的式（1）到式（5）得到锚索应力值为：。

4 结论

本文通过对预应力錨索桩进行理论分析研究，推导了锚索桩的计算公式研究了锚索桩的受力机理。对于工程实践和理论分析研究具有较好的现实意义。

参考文献：

[1]陈占.预应力锚索桩设计与计算[J].地球科学-中国地质大学学报，2001，26（04）：352-356.

[2]粟一凡.材料力学.下册.第2版[M].高等教育出版社，1983.