曹妃甸某基坑预应力锚杆支护效果数值分析

潘春雷

(西南交通大学土木工程学院，四川成都 610031)

基坑支护是岩土工程领域中的热点和难点，安全又经济地有效控制基坑的变形是人们一直在探索的课题。预应力锚杆支护体系能够很好地与土体相结合并利用土体的自稳性，因其喷射的混凝土面层具有较好的密封性，所以能够有效地防止地下水渗流以及地表水对边坡的破坏，具有施工方便，占用空间小，能够缩短工期等多种优点。

近年来对于基坑支护已经取得了许多研究成果。陈勇[1]通过运用理正以及Plaxis软件对比了多种基坑支护方案，验证了土钉墙的优越性。王伟[2]等使用修正Cam-clay模型得出了土钉长度和超挖都对基坑变形有较大的影响。李泽深[3]等总结了在考虑多种影响因素时，如何选择基坑支护形式。郭红仙[4]等提出了不同土质的最佳土钉长度。李卓[5]对比分析了桩锚支护和土钉墙支护以及参数变化对两种支护效果的影响。刘霁[6]和江建红[7]对比了不同的本构模型，发现硬化土模型能够更好地模拟基坑开挖。

本文使用Plaxis有限元软件，选择考虑卸荷的硬化土模型[8-9]来模拟实际的基坑开挖，并对比分析了模拟值与监测值，验证了模型的可行性；通过调整锚杆的倾角和长度，研究了倾角和长度对支护效果的影响；通过调整锚杆的位置，模拟了锚杆在不同位置时对上部土体的锚固效果。

1 工程概况

拟建场地位于河北省唐山市曹妃甸区生态城，北侧紧邻新港大道，西侧、南侧靠近滨海大道，东侧临近橙霞河。除表层填土外，地层属海相沉积、陆相冲积及海陆交互相沉积地层。场地地下水为孔隙潜水，主要富水层为粉土、粉砂层，含水层厚度大、透水性强、富水性良好。整个基坑采用桩锚支护体系和预应力锚杆等多种支护方式，本文选取预应力锚杆支护进行研究，研究段的基坑开挖深度为5.5 m，基坑支护剖面图如图1所示。

图1 基坑支护剖面(单位：mm)

该段的放坡比为1∶0.41，第一根为预应力锚杆距地表1.5 m，长度为12 m，第二根预应力锚杆距地表3 m，长度为9 m，第三根锚杆距地表4.5 m，长度为8 m，三根锚杆与水平线的夹角全都为15 °。

2 数值模拟分析

2.1 假定条件

为了方便计算，在建立计算模型之前，对Plaxis模拟锚杆支护体系做出以下假定：

(1)模型简化为二维平面应变问题。

(2)假定各层土体为土质均匀且各向同性的弹塑性体。

(3)不考虑地下水对基坑的影响。

(4)假定支护结构为理想的弹性体。

(5)不考虑水泥土搅拌桩施工过程的影响。

2.2 计算参数

根据勘察报告可知该断面的土体从上到下依次为素填土、冲填土、粉质黏土、粉土和粉质黏土，各土层的力学参数如表1所示。

锚杆的自由段用点对点锚杆模拟，锚固段用土工格栅模拟，EA=2.96×105kN/m，混凝土面层用板模拟，EA=1.6×106kN/m，EI=850kN·m2/m。

2.3 模型的建立及边界条件

根据实际工程情况以及精度要求，采用Plaxis有限元软件，建立一个简化的二维平面应变模型。根据工程的对称性，模型的计算宽度取40 m，计算高度取20 m，基坑的开挖深度为5.5 m。地基土网格采用15节点的三角形单元划分，对厚度较大的两层粉质黏土以及锚杆周围土体的网格进行加密。模型的左右两侧约束水平位移，底部约束水平以及竖直位移，土体表面为自由面。基坑边有一个20 kPa的超载，计算不考虑地下水的影响。计算模型的网格划分如图2所示。

表1 土体力学参数

图2 计算模型的网格划分

2.4 施工工序

因在水泥土搅拌桩施工完成后布置的监测点，所以在模型计算时不考虑水泥土搅拌桩的施工影响。根据实际工程的施工情况，将模型划分为5道工序。工序1：激活超载以及水泥土搅拌桩；工序2：开挖2 m土体，激活第一排锚杆并施加50 kN的预应力，同时激活坡顶以及开挖处的喷射混凝土面层；工序3：开挖1.5 m土体，激活第二排锚杆并施加50 kN的预应力，同时激活开挖处的喷射混凝土面层；工序4：开挖1.5 m土体，激活第三排锚杆以及开挖处的喷射混凝土面层；工序5：开挖至坑底标高，激活开挖处的喷射混凝土面层。

3 计算结果分析

3.1 模拟数据及现场数据对比

图3为模拟的基坑坡顶水平位移图，其水平位移最大值在基坑开挖面处，且在远离开挖面方向的土体水平位移逐渐减小。锚杆周围土体的水平位移比同一垂直线处其它土体的水平位移大。这些现象都与理论结果相符合。

图3 模拟水平位移

图4为坡顶土体实测和模拟的水平位移对比图，从图中可以看出随着开挖深度的增加，其水平位移也在逐渐的增加，且因为前两步开挖时对锚杆施加了预应力，对基坑的水平位移有较好的约束作用，所以其水平位移增速较小。实测值与模拟值的变化趋势基本一致，所以此模型能够较好的模拟基坑开挖过程。

图4 实测与模拟的水平位移对比

3.2 锚杆倾角对支护效果的影响

在模拟实际工况的基础上，将锚杆实际的15 °倾角依次调整为5 °、10 °、20 °和25 °，并保持其余的计算参数不变。

锚杆倾角由5 °变化到25 °的过程中，基坑坡顶的水平位移依次为62 mm，59.1 mm，60 mm，62.2 mm，65 mm，其水平位移在一定范围内随着倾角的增大逐渐增大。由10 °变化到15 °时，坡顶的水平位移增加了0.9 mm，由15 °变化到20 °时，坡顶的水平位移增加了2.2 mm，由20 °变化到25 °时，坡顶的水平位移增加了2.8 mm，说明锚杆的倾角过大时不利于基坑的稳定。而在倾角由5 °变化到10 °时，坡顶的水平位移减小了2.9 mm，表明了锚杆倾角过小也不利于基坑的稳定。其主要原因是基坑开挖后的边坡土体的主拉应变与水平方向基本一致，而随着锚杆倾角的逐渐增加，锚杆逐渐偏离锚杆的主拉应变方向从而受到弯曲作用；又因为锚杆的弯曲刚度值较小，所以对水平方向变形的约束逐渐减小。而倾角过小时，虽然锚杆和锚杆的主拉应变方向基本一致，但是会导致锚杆整体的埋深较浅，土体不能对其提供足够的锚固力，所以水平位移也随之增大。因此在实际的施工过程中，要根据施工方便以及支护的效果选择合适的倾角。

3.3 锚杆长度对支护效果的影响

以实际的工况为基础，将锚杆的长度调整为全部缩短2 m、全部缩短1 m、全部增加1 m和全部增加2 m，其余的计算参数保持不变。

锚杆由全部缩短2 m到全部增加2 m的过程中，坡顶的水平位移依次为71 mm、64.5 mm、60 mm、56.3 mm和51.4 mm，说明随着锚杆长度的增加，基坑坡顶的水平位移逐渐减少，基坑的安全程度越来越高。但是因为基坑支护是一个临时的支护结构，只需要满足基坑稳定的最低要求即可，盲目的增加锚杆的长度，反而会造成材料的浪费以及经济的损失。

3.4 锚杆位置对支护效果的影响

从图3中可以看出水平位移最大值处于边坡的中上部，没有发生在基坑的中部深度位置上，其坑壁水平位移随深度展现的“鼓肚子”现象不明显。说明了上层的预应力锚杆对土体的支护效果并不理想。因此在实际工况的基础上将锚杆的位置做出以下两种调整：①锚杆全部上移0.5 m；②考虑到对坑底的支护，在①全部上移0.5 m的基础上，再只将第一根锚杆上移0.5 m，而其余的计算参数保持不变。

对于锚杆位置调整为①时，坡顶的水平位移由60 mm减小至57.2 mm，且最大水平位移也随之下移。对于锚杆位置调整为②时，如图5所示的水平位移图，坡顶的水平位移由60 mm减小至53.8 mm，且坑壁的水平位移随着深度的分布展现出“鼓肚子”的现象，说明上层的预应力锚杆对于边坡的支护起到了理想的效果。因此，对于实际工程中的锚杆位置需要布置合理，才能起到更好的支护效果。

图5 锚杆位置为②时的水平位移

4 结论

本文通过对曹妃甸地区某基坑锚杆支护的有限元数值模拟，将实际工程的监测值与模拟值进行了对比，并分析了锚杆的倾角、锚杆的长度和锚杆的位置对支护效果的影响，得出了以下的结论：

(1)Plaxis有限元软件中自带的硬化土模型所得到的模拟值能够和实际的监测值较好的拟合，验证了模型的可行性。

(2)在一定范围内随着锚杆倾角的减小越有利于基坑的稳定，但是倾角过小会使得锚杆因埋深浅，导致土体不能提供足够的锚固力，不利于基坑的稳定。

(3)锚杆的长度越长，基坑越稳定，但是盲目地增加锚杆长度会造成材料的浪费及经济的损失。

(4)锚杆的整体位置偏低时，不利于上部锚杆发挥对基坑的支护效果，将锚杆适当上移后坑壁的水平位移随着深度的分布展现出“鼓肚子”的现象。