深基坑新型张拉嵌入复合排水型锚固结构支护特性数值仿真分析

袁方龙，陈运涛，4，喻志发，王健

（1.中交天津港湾工程研究院有限公司，天津 300222；2.中交第一航务工程局有限公司，天津 300461；3.港口岩土工程技术交通运输行业重点实验室，天津 300222；4.河北工业大学，天津 300401）

0 引言

城市地下空间建设规模的扩大和进程的加快，致使传统锚固结构很难满足软土地区深基坑工程工期紧、稳定性要求高、用地制约等方面的要求，同时锚固技术的理论研究[1-2]和加固效果的评价间的矛盾突出、锚固结构类型的创新[3]相对滞后、施工质量和安全难以保证等问题日益尖锐，使得深基坑工程的安全稳定性问题面临前所未有的挑战。

目前，国内外学者开始从锚固结构类型和提高深基坑土体物理力学特性方面开展了一些研究，如董建华等[4-5]提出一种排水板复合框架自钻胎串式锚杆支护结构，对其力学特性和支护效果进行了系统的研究，但该结构制作成本较高，结构的实用性较难保证；杨学祥等[6]研发出一种充气膨胀控制锚杆并对其进行室内拉拔试验，给出了影响承载力的因素，但充气型锚杆结构安全性较难保证，可控性和可实施性较差，很难应用于实际工程中；袁方龙等[7]提出一种自排水串式扩体锚杆，该结构兼顾排水和扩体锚固技术，但目前对其结构的可行性和现场应用效果尚不明确；陈浩华等[8]提出一种船锚式注浆张开型土锚，并对端头扩大型土锚的发展进行了详细的介绍，但该土锚结构复杂，对施工工艺要求较高，较难推广应用。除此之外，深基坑降排水方面大多采用井点法[9]和坡面插管法，其中井点法降水效果明显，但对于城市建设工程，该方法施工不当极易引起周边建筑和地表沉降，存在较大的安全隐患；坡面插管法应用范围较窄，排水效果较差，只适用于坡体表面排水，对于坡后深层土体排水效率较差。

张拉嵌入复合排水型锚固结构是一种锚固效果好同时具有排水功能的支护结构，能够快速提高深基坑的稳定性。目前，该新型结构尚处于研发阶段，对其力学特性、支护效果和排水特性尚不明确，结构设计尚不完善，亟需对其展开系统的研究。

1 张拉嵌入复合排水型锚杆支护结构的提出

该支护结构属沿海软土地区深基坑支护技术领域，其目的是快速提高坡体的稳定性；整体结构由格构框架梁、张拉嵌入复合排水型锚杆和虹吸集水系统组成，张拉嵌入复合排水型锚杆通过锚具与格构框架梁固定连接形成空间支护系统，以承担坡后土体压力；张拉嵌入复合排水型锚杆由钻头、滤水管、预张拉锚头和中空钢管组装而成，其中预张拉锚头包括嵌固叶片、弹簧连接件和限位钢槽，嵌固叶片随着预应力及坡体水平位移的增大逐渐撑开并稳定嵌入周围土体内。新型锚固结构空间安装及新型锚杆结构示意见图1。

图1 新型锚固结构空间安装及新型锚杆结构示意图Fig.1 Schematic diagram of spatial installation of new anchoring structure and new anchor rod structure

2 新型支护结构受力特性分析

2.1 张拉嵌入复合排水型锚杆的锚固机制

张拉嵌入式锚杆属于主动支护结构，其设计综合考虑了扩体锚固技术和基坑降排水技术，以满足深基坑安全稳定的需要。伴随基坑开挖，其锚固机制可分为3 个阶段：

阶段一：预张拉阶段。锚杆埋设完成后，进行预张拉，锚杆与周围土体间的相对位移较大，嵌固叶片初步进入周围土体，此时，锚固力主要由杆体与嵌固叶片侧阻力承担。

阶段二：端阻力递增阶段。随着基坑开挖，被锚固坡体水平位移逐渐增大，锚杆与周围土体间的相对位移增大，嵌固叶片受拉逐渐张开，侧阻力逐渐转变为端阻力，当嵌固叶片达到极限张开角度时，叶片前端面承受土压力，端阻力发挥主要作用，且前端土体受压开始产生局部塑性变形区。

阶段三：锚固失效阶段。随着被锚固坡体拉力继续增加，叶片前端面承受的土压力持续增加，受周围土体的约束作用，端前土体的塑性区逐渐扩大并向前扩展，直至预张拉锚头脱离锚固体，锚固作用失效。

2.2 张拉嵌入复合排水型锚杆承载力计算

通过分析张拉嵌入复合排水型锚杆的锚固机制可知，锚固失效阶段所对应的承载力最大，且极限抗拔承载力[10-11]主要为叶片端阻力与杆体侧阻力，其力学计算模型如图2 所示。

图2 张拉嵌入复合排水型锚杆力学计算模型Fig.2 Mechanical calculation model for tensioning embedded composite drainage anchor

2.2.1 端阻力计算方法

端阻力为：

式中：n 为叶片个数；βc为端阻力修正系数，对于临时性锚杆取4.5～6.5，对于永久性锚杆取3.0～5.0；L1为叶片长度；d 为叶片宽度；θ 为叶片与杆体夹角；τ1为叶片与周围土体间的侧阻力。

对于固结土体，

对于饱和土体，

式中：γ为上覆土体重度；H 为叶片上覆土的平均厚度；α 为土体破坏面与锚杆之间的夹角，α=45°+φ/2；c 和φ 分别为叶片周围土体的黏聚力和内摩擦角；Ku为土体侧压力系数，对于水平向锚杆，Ku=1，对于竖向锚杆，Ku=1-sin（1.3φ）[3]；Δu 为孔隙水压力，可根据Henkel 公式[12]计算，即：

式中：β 为Henkel 孔隙水压力系数，在饱和土中β=1；Δσoct、Δτoct分别为八面体正应力增量和剪应力增量；αf为与Skempton 孔隙水压力参数Af有关的系数，

式中：Af为Skempton 孔隙水压力参数，Af=0.4。

2.2.2 侧阻力计算方法

根据张拉嵌入复合排水型锚杆力学计算模型，可得侧阻力计算公式为：

式中：Qs为锚固段杆体侧阻力；D 为杆体直径；L为杆体长度；τ2为杆体与周围土体之间的侧阻力，τ2=c+γHtan φ。

3 基坑开挖支护模拟

3.1 模型的建立

为了更清楚地了解该新型锚固结构的支护特性和排水效果，建立二维基坑开挖支护实体模型，模型尺寸为65 m×45 m，基坑深11 m，坡面开挖倾角为80°，采用4 层锚杆进行支护，各层锚杆竖向间距2.0 m，首层锚杆与地面的间距为3 m。首层锚杆长度为11 m，第2 层和第3 层锚杆长度为9 m，第4 层锚杆长度为7 m，预张拉锚头均设置于锚杆杆体的末端，长度为1 m，同时将预张拉锚头位置设为排水边界模拟排水工况；格构框架梁厚度为400 mm。

土体采用非线性弹塑性模型，为2D 四节点单元；锚杆采用Rebar 单元，以方便指定杆体与预张拉锚头截面大小；锚杆和格构框架梁采用线性弹性模型，杆体截面积为12.56×10-4m2，预张拉锚头横截面面积为1.2×10-2m2；格构框架梁与土体间定义单元接触，有限元模型与网格划分见图3，各土层与锚杆计算参数见表1。

表1 材料参数Table 1 Material parameters

图3 有限元模型的建立Fig.3 Establishment of finite element model

3.2 分级开挖与支护过程的模拟

基坑开挖支护采用“单元生死”功能，模拟如下：

1）对划分好网格的土体单元施加约束，模型底部节点约束全部自由度，侧面节点约束水平向自由度，施加重力荷载，提取土体应变数据。

2）对原模型定义挡板、锚杆单元，导入应变数据来消除重力作用对土体产生的变形。

3）进行第一步开挖，即“杀死”被开挖部分的土体单元，计算当前土体的应力和变形。

4）进行支护，即将支护单元的材料属性由土体属性改为支护结构属性，计算模型的应力和应变。

5）进行下一步开挖，重复第3）、4）、5）步，该模拟采用6 次开挖至坑底设计标高。

3.3 计算结果分析

3.3.1 新型锚杆轴力分析

图4 给出了基坑开挖支护结束后各层锚杆轴力的分布情况，为便于分析，与普通锚杆轴力分布进行对比，可以看出2 种类型锚杆轴力分布存在明显差异，张拉嵌入式锚杆的轴力普遍高于普通锚杆，且在预张拉锚头的位置，轴力出现陡增的情况。这是由于基坑开挖相当于土体卸载，坡体产生位移，将摩阻力传递给锚杆，随着锚杆承受的拉力逐渐增大，而新型锚杆锚头端阻力逐渐发挥作用，使得轴力得到成倍地提高，因此，张拉嵌入式锚杆承载力更大，可为坡面提供更好的锚固作用。

图4 锚杆轴力云图（N）Fig.4 Nephogram of axial force of anchor（N）

3.3.2 格构框架梁水平位移分析

图5 分别给出了开挖结束后在新型锚杆和普通锚杆支护下，基坑整体水平位移分布情况，可以看出在2 种不同支护类型作用下，基坑水平位移最大值均发生在临空坡面且距离坡脚1/3 坑深处。在新型锚杆支护下，坡体水平位移较小，周围土体受开挖影响程度较轻，相比于普通锚杆支护，坡面最大水平位移减小了37.2%，极大地提高了基坑的稳定。

图5 深基坑水平位移分布云图Fig.5 Horizontal displacement distribution nephogram of deep foundation pit

3.3.3 排水效果分析

图6 给出了基坑整体开挖结束后，坡后土体孔隙水压力消散情况，可以看出在张拉嵌入复合排水型锚固支护结构排水作用下，临空坡面附近孔隙水压力已基本消散完成，因此，该新型锚固结构具有良好的排水效果。

图6 孔隙水压力分布云图Fig.6 Nephogram of pore water pressure

4 结语

通过对张拉嵌入复合排水型锚固结构锚固机制、支护效果和排水特性进行分析，得出：

1）根据新型锚杆的结构及受力特征，随着基坑开挖支护过程的进行，可将其锚固机制分为预张拉阶段、端阻力递增阶段和锚固作用失效阶段。

2）新型锚杆承载力主要包括嵌固叶片端阻力与杆体侧阻力两部分，且其轴力分布与普通锚杆有很大区别，轴力在预张拉锚头位置出现陡增。

3）随着基坑开挖，临空坡面在新型锚固结构支护下产生的水平位移较小，且周围土体受开挖影响程度较轻，相比于普通锚杆，坡面最大水平位移减小了37.2%，有效地控制了坡后土体的水平位移的开展。

4）张拉嵌入复合排水型锚固支护结构具有较好的排水效果，在基坑开挖结束后，临空坡面附近土层内的孔隙水压力已基本消散完成，有效且及时地保证了基坑的稳定。