深基坑锚杆支护结构中锚杆参数对深基坑变形影响有限元分析

柳国明

摘要：随着我国城市的快速发展，地铁等多种工程的规模和需求量不断增多，因此深基坑的数量也随之增多。在深基坑的多个工程中，由于锚杆支护取得的效果较好，因此广泛应用于相应的深基坑工程中。本文通过对深基坑锚杆支护结构的锚杆参数进行研究，明确不同参数下的锚杆对深基坑的不同影响，为深基坑锚杆在今后的优化和提升提供借鉴和参考。本文通过有限元软件建立不同的模型，对锚杆的锚固长度、锚杆倾角等锚杆参数在数值不同时对深基坑的变形影响进行分析，最终确定合理的参数范围。

关键词：深基坑;锚杆支护;锚杆参数;深基坑变形;有限元

地铁等多种工程的规模发展与人们的日常生活密切相关，且相关的深基坑类工程大多比较复杂、风险性较高，临时性和地域性的特点尤其突出，因此必须要高度重视工程类的质量和安全，其关系着人们的生命安全和财产安全，必须尽可能地减少事故的发生。锚杆支护结构被用于对岩体进行加固，随着相应的理论和实践技术的不断完善和发展，在众多的深基坑工程中得到广泛的应用。本文对锚杆支护的锚杆参数进行研究，从而改善和提高锚杆支护技术，对建立的模型中的各个影响参数进行研究，明确影响深基坑的各个关键因素，从而保证深基坑工程的精确性，降低参数的改变可能引起的事故，降低深基坑工程的风险。通过对深基坑的变形因素进行研究，为今后的深基坑类工程提供了宝贵的实验数据和参考经验，保证和实现工程设计的安全性和经济性[1-3]。

1    有限元软件下模型的建立

利用有限元软件Midas GTS NX建立相关模型，根据相应的设计技术和实践经验，并根据影响和波及的范围确定模型的长、宽、深度，分别为240 m、180 m、50 m。通过对整体的有限元计算，综合考虑整体的空间效应、支护构件、锚杆、立柱等，充分展现出材料的抗力性能，预应力锚杆支护的相关具体参数见表1。

通过上述设置的相关参数用模型对施工过程进行模拟，能够较清晰地显示出，基坑垂直坑壁的方向能够发生较为显著的变形，其中变形最大的为南侧，在地表变形云图中显示出明显的颜色变化由基坑的中心向外围扩散，即基坑的中间位置为深色，而两边和下部的颜色为浅色。

2    锚杆参数对深基坑的变形影响

2.1 锚杆中锚固段长度对深基坑变形的影响

建立不同的对比模型，与上述建立的基本模型相比较，在锚杆中锚固段的长度不同对深基坑变形的不同影响。基本模型的参数值为表1的具体数据，共有3排预应力锚杆，改变锚固段的各个长度数值，计算出各个长度变化下的深基坑的水平位移值和地表沉降最大变化量的数值，结果分别为第一道自由段长度为7 m，锚固段长度15 m，总长度22 m，中间道自由段长度为5 m，锚固段长度13 m，总长度18 m，第三道自由段长度为5 m，锚固段长度12 m，总长度17 m，此时地表沉积最大值是5.32 mm，水平位移最大值为2.63 mm;当第一道自由段长度为7 m，锚固段长度20 m，总长度27 m，中间道自由段长度为5 m，锚固段长度18 m，总长度23 m，第三道自由段长度为5 m，锚固段长度17 m，总长度22 m，此时地表沉积最大值是5.12 mm，水平位移最大值为2.58 mm。

表1中基本模型的水平位移最大值为2.9 mm，地表沉积最大值为5.96 mm，由上述数据表明，随着锚固段长度的增加，深基坑的变形程度随之减小，且变化较显著，但随着长度的增加锚杆对深基坑变形的限制程度相应地降低。从表1中的数据得出，应将锚杆的锚固段长度设计在8～15 m的范围内，此时能够最大程度地发挥锚杆的支护作用，并能实现安全性和经济性。

2.2 锚杆中锚杆的倾角参数变化对深基坑变形的影响

当锚杆的倾角度数为5°时，最大轴力为191.67 kN;当锚杆的倾角度数为10°时，最大轴力为204.38 kN;当锚杆的倾角度数为15°时，最大轴力为198.49 kN;当锚杆的倾角度数为20°时，最大轴力为190.43 kN;当锚杆的倾角度数为25°时，最大轴力为165.63 kN;当锚杆的倾角度数为30°时，最大轴力为158.20 kN。上述数据描述了不同的锚杆倾角变化下的最大轴力的变化值，由数据显示由5°变为10°时，锚杆的最大轴向力与倾角呈现正相关关系，倾角增加，最大轴向力增加;当倾角达到20°时，最大轴向力的数值达到最大，且随着倾角增加，呈现下降的趋势。其主要是由于对土体水平位移进行了限制，其限制拉力的产生主要是预应力锚杆的张拉所引起的。当延杆件方向的预应力相同时，随着水平倾角度数的增加，其在水平方向的分力则相应减小，因此成为发挥作用不大的无效力;而在竖直方向上的分力较大，反而影响了支护结构和下部的土体，当达到一定深度时，能够对临近建筑物的地基造成一定的破坏。当增加锚杆角度时，预应力锚杆的作用效果先增加后减小，但倾角大于20°时，锚杆的支护效果大大降低，因此综合多个因素，倾角的取值范围为10°～20°。

2.3 锚杆中预应力参数变化对深基坑变形的影响

建立7组对比模型，其相应的结果如下：模型号1，第一道錨杆预应力为0 kN，第二道锚杆预应力为20 kN，第三道锚杆预应力为20 kN，此时水平位移最大值为23.3 mm，地表沉降最大值为13.71;模型号2，第一道锚杆预应力为50 kN，第二道锚杆预应力为70 kN，第三道锚杆预应力为70 kN，此时水平位移最大值为20.2 mm，地表沉降最大值为11.36;模型号3，第一道锚杆预应力为100 kN，第二道锚杆预应力为120 kN，第三道锚杆预应力为120 kN，此时水平位移最大值为17.5 mm，地表沉降最大值为9.79;模型号4，第一道锚杆预应力为150 kN，第二道锚杆预应力为170 kN，第三道锚杆预应力为170 kN，此时水平位移最大值为15.9 mm，地表沉降最大值为8.45;模型号5，第一道锚杆预应力为200 kN，第二道锚杆预应力为220 kN，第三道锚杆预应力为220 kN，此时水平位移最大值为15.0 mm，地表沉降最大值为7.93;模型号6，第一道锚杆预应力为250 kN，第二道锚杆预应力为270 kN，第三道锚杆预应力为270 kN，此时水平位移最大值为14.7 mm，地表沉降最大值为7.48;模型号7，第一道锚杆预应力为300 kN，第二道锚杆预应力为320 kN，第三道锚杆预应力为320 kN，此时水平位移最大值为14.7 mm，地表沉降最大值为7.23。

由上述数据可知，随着预应力数值的增加，水平位移最大值和地表沉降最大值都随之降低，当轴力增量低于100 kN，两者的减少量与预应力的增加量呈现线性关系，因此当增加预应力时能够显著降低水平位移;但当轴力增量大于200 kN，深基坑的变形没有发生明显变化，因此在一定范围内，随着轴力的增加深基坑的变形幅度降低[4-5]。

3    结语

本文对锚杆支护的锚杆参数进行研究，从而改善和提高锚杆支护技术，对建立的模型中的各个影响参数进行研究，明确影响深基坑的各个关键因素，从而保证深基坑工程的精确性，降低深基坑工程的风险[6]。本文通过对深基坑的变形因素进行研究，为今后的深基坑类工程提供了宝贵的实验数据和参考经验，保证和实现工程设计的安全性和经济性。

参考文献

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[2] 郜东伟.深基坑桩锚支护结构的研究与应用[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2019：1-163.

[3] 温平平.基坑桩锚支护结构水平变形特性及分级预警报警研究[D].南昌：南昌大学，2019：1-29.

[4] 史子庸.深基坑内支撑支护结构变形规律与优化设计研究[D].北京：中国地质大学（北京），2018：1-182.

[5] 陈尚荣，曹传祥，廖志坚.不同支护深基坑开挖对地下通道变形的影响[J].交通科学与工程，2018，34（4）：43-52.

[6] 过洪赟，赵延林.桩锚支护深基坑开挖对近邻管线变形影响分析[J].低温建筑技术，2020，42（12）：112-115.