理正深基坑软件有关预应力施加问题的探讨

张磊 张颖

(1.中勘冶金勘察设计研究院有限责任公司，河北保定 071069; 2.邯郸市成祥房地产开发有限公司，河北邯郸 056000)

1 概述

在深基坑支护体系中，桩锚支护结构安全可靠、经济合理，因此在深基坑支护中得到迅速发展和应用。然而理论远远滞后于工程实践，锚杆预应力施加的大小对支护结构的稳定性和位移的影响有待进一步研究，本文结合“理正”深基坑设计软件，对目前桩锚支护结构设计中常遇的锚杆预加力的取值及最终锁定值的问题进行探讨分析。

目前“理正”软件中对锚杆预应力的施加值与最终的锁定值都处于半经验半理论的阶段，目前常用的方法有两种:一种是结合以往经验，先在软件中预设一定的预应力值，然后由软件自动计算出锚杆的长度，最后出施工图时，锚杆的预应力的锁定值先按(锚杆筋体的抗拉强度;锚固段筋体与砂浆之间的粘结强度;锚固段周围土体与砂浆之间的粘结强度)这三者之间的最小值，计算出锚杆极限抗拔承载力标准值Rk，再由JGJ 120—2012建筑基坑支护技术规程［1］公式Rk/Nk≥Kt(Kt为锚杆抗拔安全系数)求出Nk(锚杆轴向拉力标准值);锚杆预应力最终锁定值取(0.75 ～0.8)Nk。

第二种方法首先计算锚杆长度，锚杆长度由非锚固段和锚固段两部分组成，锚杆非锚固段长度按如下式求得:

式中:lf——锚杆非锚固段长度，m;

a——锚杆倾角;

a1——锚杆的锚头中点至基坑底面的距离;

a2——基坑底面至基坑外侧主动土压力强度与基坑内侧被动土压力强度等值点的距离;对成层土，当存在多个等值点时应按其中最深的等值点计算;

d——挡土构件的水平尺寸;

φm——等值点以上各土层按厚度加权的等效内摩擦角。

求出锚杆非锚固段长度，然后结合当地工程经验给定锚杆锚固段长度。锚杆长度选定好后，结合以往工程经验对锚杆施加一个预应力值，然后通过计算满足支护结构的安全稳定、最大位移满足规范限制的规定，锚杆预应力的最终锁定值按施加的预应力值进行锁定。

由上可以看出对桩锚支护结构预应力施加值目前处在半经验半理论的阶段，缺乏经验的设计人员，对锚杆预应力施加值及最终锁定值的确定可操作性差，本文通过“理正”深基坑设计软件的试算比较，对软件施加预应力的原理做简单分析，为设计人员在今后利用“理正”软件做桩锚支护设计时，对锚杆预加力的施加值及最终锁定值的确定给出些建议。

2 锚杆有效预应力及对土压力平衡分析

桩锚支护体系中，施加的预应力由支护桩及支护桩背后的主动土压力来平衡，李元勋、朱彦鹏等［2-4］提出锚杆有效预应力计算模型:首先由桩土之间的变形协调关系，可知施加预应力引起的支护桩的位移δ与桩后土体产生的位移相同。锚杆有效预应力的计算模型如下(如图1所示)。

式中:P——锚杆上施加预应力;

δ——锚杆施加预应力后引起的桩土位移;

θ——锚杆的倾角;

K——土弹簧刚度;

FZ——预应力作用下排桩在该作用点处产生的抗力;

H——锚杆作用点至基坑底的距离。

图1 桩锚支护体系力学模型

排桩属于柔性支挡结构，柔性支挡结构刚度小，支挡结构在自身的工作状态下变形较大，基坑开挖后及锚杆施加预应力之前，支挡结构随主动土压力向基坑内侧发生较大的变形，锚杆发挥着悬挂的作用，锚杆承受着一定的拉力，把作用于桩上的荷载传递到稳定的地层中。对锚杆施加预应力将支护桩与桩后稳定土体连接在一起，使桩锚支护结构体系形成一主动受力支护体系，使支护桩后稳定土体由主动土压力变成静止土压力，随着预应力的增加由静止土压力再转变为被动土压力，导致土体中产生应力增量，减小了支护结构体系的位移，锚杆在整个变化过程中(支护桩后稳定土体由主动土压力变成被动土压力的过程中)承担着悬挂作用时的轴向拉力及施加锁定后的预加力之和。

结合工程实例来更好的说明桩锚支护中，锚杆所受到的力的状态，算例如下。

3 工程算例

北京市某基坑工程项目，基坑周边环境复杂，场地狭小，基坑深度8.0 m，分段采用排桩预应力锚杆支护结构。地下水埋藏较深可不考虑地下水，建设场地内分布两层土，杂填土和卵石，土体参数如表1所示。

表1 土层物理力学参数

选取基坑北侧支护段进行计算分析研究，支护结构如图2所示。排桩桩径0.8 m，间距1.5 m，桩长12.4 m，嵌固端埋深5 m，桩间采用钢筋网片+喷射混凝土进行封堵。在冠梁顶往下3 m深度处设置一道预应力锚索，锚索采用低松弛高强度钢绞线fptk=1 860，1×7标准型钢绞线公称直径 d=15.2 mm，倾角为 15°，锚孔孔径为0.15 m，注浆采用纯水泥浆，水灰比0.5，锚固体设计强度30 MPa，其余参数见支护结构剖面图(见图2)。地表超载取值为20 kPa，作用宽度为24 m。

图2 支护结构剖面图

选用“理正”软件［5］分别计算锚杆施加预应力为0 kN，50 kN，100 kN，150 kN，200 kN时锚杆轴向内力标准值、桩承担的抗力标准值、施加预应力对锚杆轴向内力标准值的增加值及桩顶位移最大值，计算结果如表2所示。

表2 不同情况下计算结果

经对比可以看出，伴随着锚杆施加的预应力值的增加，桩顶位移最大值减小，分析原因，桩身上锚杆的作用是把作用于桩面板上的荷载传递到更远的稳定的地层中，严格讲可把锚杆当成弹性支座，桩身是支承在一系列弹性支座上，可得到预应力锚杆位置处其节点水平位移为:

式中:P——锚杆施加的预应力值;

F——锚杆支座处的水平支座反力;

Lf——锚杆非锚固长度;

E——锚杆筋体弹性模量;

A——筋体的截面面积。

当对锚杆施加的预应力值为0 kN时，锚杆承受的轴向内力标准值为164.31 kN(悬挂力)，对锚杆施加的预应力一部分由支护桩分担，而且伴随着预应力值的增加支护桩承担的抗力标准值增加(支护桩的刚度为，伴随着锚杆施加的预应力值的增加，锚杆位置处预应力引起的桩体位移δ增加，可知桩承载的抗力δ增加)，还可得知桩承担的抗力标准值与施加预应力对锚杆轴向内力标准值的增加值之和等于对锚杆施加的预应力值。

桩锚支护体系中对锚杆主要承受的轴力有:

1)主动土压力作用下引起的拉力;

2)为控制位移施加的预应力值。对于土体来分析，伴随着锚杆施加预应力值的增大，由施加预应力之前的主动土压力变化为被动土压力的趋势，这过程中经历了静止土压力。通过对土体施加预应力来平衡一部分主动土压力(锚杆施加预应力可以把一部分主动土压力通过锚杆锚固段传递到远处较稳定的土层中)，利用稳定土体来加固不稳定土体，使排桩挡土结构与土体协同工作来保持桩锚支护结构的稳定性。

4 结语

本文从已有桩锚支护体系中，锚杆有效预应力计算模型研究入手，结合实际工程对“理正”软件中预应力的施加值及作用进行了分析研究，得出以下几点结论:

1)深基坑桩锚支护体系中，对锚杆施加的预应力值越大，支护体系的控制位移越明显，对基坑周边环境的影响越小;

2)“理正”软件中施加的预应力值，一部分作用在支护桩上，一部分平衡支护结构后的主动土压力值(减少支挡内力和水平位移)，使支护体系后面的主动土压力通过锚杆传到更远的稳定土层中);

3)“理正”软件中最后计算结果中，锚杆轴向内力标准值由悬挂力和施加预应力值(扣除作用在桩上的力)两部分组成;

4)有关锚杆预应力的最终锁定值，《建筑基坑支护技术规程》中规定可按照锚杆轴向拉力标准值Nk的0.75～0.9锁定，锁定值偏大不合理，实际工程中锚杆预应力的最终锁定值可按P/cosθ锁定(其中，P为实际施加的预应力值;θ为锚杆的倾角);

5)文中以单排锚杆施加的预应力及最终锁定值的确定进行了分析研究，对多排锚杆预应力值作用机理有待进一步研究。