入射角度與預加力對豎錨支護結構變形與內力影響分析

陸澤惠　陳龍

【摘? ? 要】： 為了研究豎錨支護結構對基坑變形的影響，選取不同的豎錨入射角及對應的預加力，采用MidasGTS進行數值模擬，將不同豎錨入射角及對應的預加力與基坑變形的大小換算為等效水平剛度系數，揭示豎錨入射角、預加力與基坑變形之間的相互關系。

【關鍵詞】： 豎錨；支護結構；基坑變形

【中圖分類號】：TU472【文獻標志碼】：C【文章編號】：1008-3197（2023）05-69-03

【DOI編碼】：10.3969/j.issn.1008-3197.2023.05.018

Analysis of the Influence of Incident Angle and Preloading on Deformation

Andinternal Force of Vertical Anchor Supporting Structure

LU ZeHui CHEN Long

（1.School of Architecture and Engineering， Tianjin University，Tianjin 300051，China;2.Tianjin Municipal Engineering Design Research Institute Co.， Ltd，Tianjin 300392，China;3.TianjinKeyLaboratory of Infrastructure Durability enterprise，Tianjin 300051，China）

【Abstract】：In order to study the influence of vertical anchor supporting structure on foundation pit deformation， midasgts was used for numerical simulation analysis by selecting different incidence angles of vertical anchors and corresponding different prestressing forces. By analyzing the relationship between the incident Angle of different vertical anchors and the corresponding prestressing force and the deformation of foundation pit， the relationship between the incident angle of vertical anchors， the prestressing force and the deformation of foundation pit is converted to the equivalent horizontal stiffness coefficient， so as to reveal the relationship between the incident Angle of vertical anchors， the prestressing force and the deformation of foundation pit.

【Key words】：vertical anchor; support structure; finite element

隨著基坑開挖深度增加，對錨桿（索）抗拔力的要求越來越高［1～2］，隨即出現的高壓旋噴擴大頭錨桿工藝有效增加錨桿的抗拔力［3～4］；而隨著城市發(fā)展的，錨索設置面臨著不可超過用地紅線等問題。為解決該問題，出現了豎錨支護工藝，豎錨支護體系最大的優(yōu)點是可大大縮短工期，只要支護體系施工完畢，基本即可分層分段開挖，出土效率高，施工速度快。雖然目前豎錨支護結構在一些工程上取得成功，但是對于豎錨支護結構的研究卻較少。本文以南海人民醫(yī)院深基坑工程為依托，研究豎錨豎直入射角、預加力對基坑變形的影響。

1 工程概況

某基坑開挖深度11 m。土層情況為3～6 m厚素填土、2～7 m厚殘積粉質黏土、4～8 m厚全風化泥質粉砂巖、2～4 m厚強風化泥質粉砂巖，中風化巖未鉆透。由于工期緊張，若采用常規(guī)內支撐+支護樁體系或者樁錨體系：一方面支撐的施工與拆除、錨索的分層施工等，將導致工期不可控；另一方面造價偏高。因此，采用了豎錨樁支護體系：前排采用直徑1 m灌注樁，間距1.4 m；后排采用壓力型擴體樁錨，直徑0.65 m，間距1.4 m；兩者采用0.5 m厚連板連接。見圖1。

2 工程地質情況

地基土由人工填土、第四系河流相沖淤積層、第四系上更新統(tǒng)殘積層等組成，下伏基巖為下第三系華涌組下段棕紅色礫巖、砂礫巖、砂巖夾粉砂巖、泥巖及玄武巖等。整個場地覆蓋層厚度較小，土層種類主要為殘積粉質黏土、殘積砂土，局部低洼處見透鏡狀厚度較小的粉質黏土，沿線未揭露軟弱土層。鉆孔揭露范圍內巖石風化較強烈，軟硬互層較為發(fā)育。見表1。

3 模擬計算及結果分析

采用Midas GTS有限元計算軟件，土層采用修正摩爾庫倫模型，計算參數統(tǒng)一采用全風化泥巖。樁、連板采用梁單元；錨桿、錨固段采用桿單元。選取0°、15°、30°入射角，分析不同豎向入射角（錨桿與豎向的夾角）對其支護體系的影響；選取0、100、200、400 kN，分析不同預加力對支護體系的影響；引入等效水平剛度［5］，即樁頂連板的軸向拉力/樁頂位移，分析豎錨對水平位移的影響。見表2-表5。

3.1 不同入射角與預加力對變形的影響

隨著豎直入射角增加，樁頂水平位移減小，主要是由于錨索與豎直夾角越大，錨桿的水平分力越大，對支護的水平約束作用越強；所施加的預加力越大，對樁頂變形越有利，較大的入射角聯合較大的預加力對支護結構的變形控制越有利，主要是因為豎向入射角越大，其錨桿的水平分量越大，同時，由于預加力增加了錨桿水平方向的分力也越大，故對位移的約束效果越明顯；當豎直入射角為0°時，增加預加力對樁頂位移影響甚微，但是隨著豎直入射角增加，增加預加力對樁頂的變形控制越明顯，主要是由于豎直入射角為0°時，錨桿的水平分量為0，增加了預加力僅僅增加了錨桿的剛度，故影響甚微。見圖2。

3.2 不同入射角與預加力對等效水平剛度的影響

當豎直入射角為0°時，增加預加力對等效水平剛度的影響很小，其等效水平剛度可取2～3 MN/m；隨著入射角的增大，等效水平剛度增加，主要由于錨桿水平方向的剛度隨著豎直入射角的增大而增加；隨著豎直入射角的增大，增加錨桿預加力對等效水平剛度呈非線性的提升，這是由于豎直入射角增大，其預加力在水平方向的分量增加，另一方面是豎錨在水平方向的剛度也會增加，兩者的疊加是非線性的。見圖3。

4 結論與展望

1）等效水平剛度隨著豎直入射角的增大而增加，樁頂位移隨著豎向入射角增加而減小。在有條件的情況下，應盡量采取較大的豎直入射角。

2）當豎直向入射角為0°時，豎錨預加力對變形幾乎沒有影響；因此，當豎直入射角為0°時可不對錨桿施加預加力，采用普通鋼筋作為錨桿；當有一定入射角之后，豎錨的預加力對變形能產生影響，隨著豎直入射角的增大，預加力的增加可明顯提高等效水平剛度。實際工程中應采用大豎直入射角與大預加力鎖定值配套。

3）預加力＞200 kN，豎錨的水平豎向剛度會有較大提高且隨著豎直入射角的增加，效果更顯著。

4）當豎錨入射角為0°時，等效水平剛度可按2～3 MN/m估算。

5）當豎直入射角為0°或者角度較小時，豎錨所能提供的等效水平剛度非常低，土質情況較差時，應慎重采用該方案。

6）隨著豎直入射角的增大，支護樁的樁身彎矩增大，預加力的增加也會較為顯著地增加樁身彎矩。設計時應充分考慮兩者的相對關系，選取最優(yōu)的豎直入射角與預加力。

本次主要研究了豎錨豎直入射角、預加力對樁頂變形、等效水平剛度、樁身內力的影響。實際上，等效水平剛度還與錨桿的直徑、樁頂連板的剛度、前排樁（墻）與后排錨桿的水平距離等因素有關，后期可做進一步研究；另外，實際上當豎直入射角為0°時，從結構力學的角度，豎錨預加力能產生抗傾覆的彎矩，提高抗傾覆的穩(wěn)定性，這也是進一步研究方向。

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