群锚效应下预应力锚索轴力变化分析

吴丽萍，莫韬韬

（长春工程学院，吉林 长春 130012）

群锚效应是指当基坑支护中锚杆的布置间距较小时，锚杆在地层中产生的应力场会相互重叠，这时锚杆的承载能力就会降低，且会增加基坑的变形量，甚至影响基坑安全。规范中规定锚杆间距不宜小于1.5 m来避免群锚效应，然而由于土体的复杂性和锚杆长度及孔径等的影响，预应力锚杆中存在不同程度的群锚效应问题[1]，关于如何正确避免群锚效应以及群锚效应下锚索轴力损失规律的研究，在如今显得越来越重要。

1 群锚效应研究现状

张昕等[2]将群锚效应的产生归于两大原因，一是锚杆在土体中的应力场发生重叠，相当于失去了部分土体重力；二是剪切应变场内侧剪切带相互影响，导致群锚丧失了部分剪切强度。李峰等[3]通过数值模拟的方法对施加预应力锚索的岩体中应力场和变形场的变化特征进行了计算分析。马向前[4]通过三锚、四锚试验得出：四锚（矩形）布置形式的承载能力与位移控制均优于三锚（三角形）布置形式。

在前人的研究基础上，本研究拟建立Midas GTS NX有限元模型，对多根锚索在不同间距下的受力情况进行模拟分析，得出不同情况下群锚效应对锚索轴力的影响关系。

2 模型数据选取及建模

为使模拟结果贴合实际情况，模型中各土层信息及支护结构参数均参考吉林省长春市某实际桩锚支护深基坑工程，选用的各土层主要物理力学参数如表1所示。

表1 土层参数

为了减小模拟时基坑的角部效应影响，基坑模型尺寸采用30.0 m（长）×10.0 m（宽）×7.0 m（深）的条形基坑，锚索布置在长边中部进行受力分析，考虑开挖产生的影响，模型边界大小设定为70.0 m（长）×50.0 m（宽）×15.0 m（深）。

支护形式采用“钢筋混凝土桩+预应力锚索”，支护桩桩径为0.6 m，桩长为9.0 m，桩间距为1.0 m，锚索参数如表2所示（为方便研究，只布置3根锚索）。

表2 锚索参数

模型中支护桩等刚度转换为地下连续墙进行模拟，锚索采用1D植入式桁架模拟，模拟情况与实际情况的吻合度较高，已被大量试验研究证明，基坑网格模型如图1所示。

图1 基坑网格模型

3 模拟结果及分析

开挖完成后的支护结构整体变形如图2所示，结果显示：长边位移明显大于短边位移，且南侧长边因施加了锚索，桩身位移相比未加锚索的一侧明显变小，可见模型参数选取较为合理，模拟结果基本符合实际情况，可以进行下一步试验分析。

图2 支护结构变形云图

3.1 表征群锚效应的指标

本研究采用测定开挖完成后中间锚索在相邻锚索影响下的轴力大小差异来表征群锚效应，此数据易于获取，结果也相对可靠。在后处理选项中选择施工阶段，在Truss Element Forces栏点击Axial Force选项即可显示该阶段锚索轴力云图（见图3）。由图3可知，在1.0 m间距下，中间锚索最大轴力明显小于两边的锚索，轴力损失约22.3 kN，表明此时中间锚索受群锚效应的影响较为严重。

图3 开挖完成后锚索轴力云图

3.2 不同间距下的群锚效应

根据现行的《建筑基坑支护技术规程》，锚杆的水平间距不宜小于1.5 m；多层锚杆的竖向间距不宜小于2.0 m。由于实际施工中锚索竖向间距很少出现小于2.0 m的情况，本研究只分析不同水平间距下的群锚效应。

在上一个模型的基础上，改变各锚索的水平间距，其他条件不变，共分5组试验进行建模分析，所用数据如表3所示。

表3 各试验组锚索参数

将3道锚索按所处位置分别命名为左锚、中锚和右锚，整理试验组所得数据，结果如表4所示。

表4 各试验组锚索轴力变化

从试验结果可以看出，群锚效应受水平间距影响较大。当锚索按水平间距为1.0 m布置时，左、右锚索轴力明显大于中锚，表明中锚受群锚效应影响较为严重，最大轴力相比于左、右锚索损失率约为17.1%；当水平间距为1.5 m时，3根锚索的最大轴力均上升，但中锚轴力上升速率明显大于左、右锚索，表明群锚效应影响明显减弱，但最大轴力相比于两边锚索仍损失约6.6%；当水平间距为2.0 m时，中锚的最大轴力继续上升，但速率相比于上组明显减小，而此时3道锚索的最大轴力已经相差无几，中锚最大轴力相比于左、右锚索损失率仅为1.5%，表明此时群锚效应的影响已经较为微弱；当水平间距继续加大至2.5 m和3.0 m时，虽然中锚的最大轴力仍在上升，但速度越来越慢，且中锚的最大轴力与两边锚索基本一致，此时群锚效应影响已十分微弱，可以忽略不计。

由此可以得出，1.5～2.0 m是布置预应力锚索时较为合理的水平间距，既可大幅度避免群锚效应造成的危害，也能防止间距过大导致支护结构安全系数降低。

4 结论

（1）预应力锚索宜采取水平间距1.5～2.0 m进行施工，此间距下既可避免群锚效应，充分发挥锚索的锚固力，又能防止间距过大出现支护结构安全系数降低的风险。

（2）当水平间距取1.0 m时，据模拟所得结果，中间锚索受群锚效应影响，轴力最大损失率达17.1%。