预应力锚杆在深基坑支护中的应用及锚杆参数影响分析

钟海

摘要：文章以某建筑深基坑工程开挖支护为研究对象，分析了该深基坑采用预应力锚杆支护的效果，并着重对锚杆参数进行了分析，得到以下结论：采用有限元软件PLAXIS和岩土理正软件计算得到的基坑边坡安全系数相近，说明了有限元模型的准确性；随着基坑开挖深度的不断增大，基坑边坡安全系数逐渐降低，且降低速率逐渐放缓，基坑开挖支护完成后的边坡安全系数为1.502，大于规定的最小值1.30，说明该工程基坑开挖支护完成后的安全系数满足要求；增大锚杆锚固段长度和增大锚杆预应力值均可以在一定程度上减小基坑侧壁水平位移和基坑周围地表沉降，从而提高基坑稳定性，且采用增大锚杆预应力值的方式要比增大錨杆锚固段长度更有效。

关键词：深基坑工程；预应力锚杆；参数影响；有限元模拟

中图分类号：U417.1+16 A 27 084 4

0 引言

深基坑工程支护问题是建筑行业中经常遇到的工程问题之一，如何保证深基坑工程在开挖和支护过程中的安全至关重要。近年来，国内学者对此进行了一些研究：沈荣锋、许杰斌［1-2］在实际工程中发现深基坑工程常常会因为施工偏差而不能满足设计要求，以南京市某深基坑为研究对象，重点分析了该工程采用预应力锚杆加固的效果及经济效益；陈月美、童发［3-4］在研究基坑支护特点的基础上，对目前工程中常见的深基坑支护形式进行总结分析，最终提出了采用预应力锚杆和荷载分散式锚杆技术解决基坑支护中一些常见问题；唐春松、胡琦兄［5-6］从深基坑开挖支护特点出发，分析和探索了深基坑的质量控制方法，在提高建筑企业施工管理水平方面提出了一些见解；徐森跃、沈科元［7-8］通过统计分析得出预应力土层锚杆技术在实际工程中较为经济且效率也较高，并以此为研究重点，着重介绍预应力土层锚杆概念和技术特点，分析了预应力土层锚杆作用方式和特点。本文主要以某建筑深基坑工程开挖支护为研究对象，分析了该深基坑采用预应力锚杆支护的效果，并着重对锚杆参数进行了分析，研究结果可为深基坑工程设计和施工提供参考。

1 工程简介

某建筑深基坑深度为11.6 m，基坑边坡坡率为1∶0.5，剖面形状如图1所示。采用2 m×2 m预应力锚杆复合土钉支护结构，支护从上而下共分为6排，其中第1～3排为预应力锚杆支护，锚杆施加预应力，锚杆长度从上至下依次取12 m、15 m和15 m，其中锚固段分别长7 m、10 m和10 m，设计抗拔力分别为100 kN、220 kN和220 kN，每排间距取3.0 m，注浆层厚度取110 mm，由1根直径28 mm钢筋组成，锚索与水平面夹角取15°。第4～6排为土钉支护，土钉长度均为12 m，由1根直径28 mm钢筋组成，设计抗拔力分别为220 kN。

2 分析方法

2.1 有限元模型的建立

如图2所示，采用PLAXIS软件建立模型。模型长、宽、高依次为70 m、20 m、50 m。模拟过程中，锚杆、土钉采用结构单元模拟，其他采用实体单元模拟，除上边界外，其他边界均进行位移约束。原始地层从上往下分为2层，依次为粉土和夹块粉质黏土，厚度分别为15 m和35 m。

该基坑的开挖坡率为1∶0.4，整体采用预应力锚杆复合土钉支护结构，支护结构共6排，其中上三排为预应力锚杆支护结构，从上至下锚杆设计预应力值依次为60 kN、120 kN和120 kN，下三排为土钉支护结构，基坑表面挂钢网后喷射80 mm混凝土支护。锚杆和土钉与水平面夹角均为20°，除第一排钢筋采用28 mm外，其他排钢筋均采用32 mm；除第二、三排锚杆长度取15 m外，其余均取12 m；锚杆和土钉孔径均采用二次注浆，并在基坑顶部和底部设置排水沟。

如表1和表2所示，给出了基坑土体和锚杆、土钉的力学参数。

2.2 基坑开挖支护过程

主要分6个步骤进行，分别为：步骤一，开挖第1层至-2 m，施作第一排锚杆，施加锚杆预应力并喷射面层混凝土；步骤二，开挖第2层至-4 m，施作第二排锚杆，施加锚杆预应力并喷射面层混凝土；步骤三，开挖第3层至-6 m，施作第三排锚杆，施加锚杆预应力并喷射面层混凝土；步骤四，开挖第4层至-8 m，施作第一排土钉和喷射面层混凝土；步骤五，开挖第5层至-10 m，施作第二排土钉和喷射面层混凝土；步骤六，开挖第6层至-11.5 m，施作第三排土钉和喷射面层混凝土。

3 预应力锚杆支护基坑稳定性分析

为了对预应力锚杆支护基坑效果进行分析，如图3所示，给出了基坑开挖过程中的位移云图。由图3可知，每个开挖步的开挖破裂面基本呈圆弧状，且从坡脚附近发生滑裂，最大滑裂面曲线从锚杆的自由段和锚固段相交处穿过。如表3所示给出了基坑开挖支护过程中的稳定性系数。由表3可知，采用PLAXIS软件和岩土理正软件计算得到的基坑边坡安全系数相近，二者差值＜4%，说明了有限元模型的准确性。将图3与表3结合来看，随着基坑开挖深度的不断增大，基坑边坡安全系数逐渐降低，且降低速率逐渐放缓，基坑开挖支护完成后的边坡安全系数为1.502。

根据《基坑土钉支护技术规程》（CECS 96∶97）要求，如表4所示，该工程基坑最小安全系数应≥1.30。由此可知，该工程基坑开挖支护完成后的安全系数满足要求，处于稳定状态。

4 锚杆参数变化影响分析

本节主要基于锚固段长度变化和锚杆预应力变化对基坑侧壁水平位移与基坑周围地表沉降的影响进行监测分析。

4.1 锚固段长度变化

如图4所示，给出了基坑侧壁水平位移随锚杆锚固段长度的变化曲线。由图4可知，基坑开挖支护完成后，随基坑深度增加，基坑侧壁水平位移先增大后减小，在基坑1/2深度附近侧壁水平位移最大。基坑侧壁水平位移随着锚杆锚固段长度的增大而减小，锚固段长度取8 m、10 m和12 m时的基坑侧壁水平位移最大值分别为21.28 mm、19.42 mm和18.26 mm。相比于锚固段长度取8 m时，锚固段长度取10 m和12 m时的基坑侧壁水平位移最大值分别减少8.7%和14.2%。

如图5所示，给出了基坑周围地表沉降随锚杆锚固段长度变化曲线。由图5可知，随着与基坑距离的增大，地表沉降先增大后减小，基坑周围最大地表沉降值发生在距离基坑边缘约9 m处。基坑周围最大地表沉降随着锚杆锚固段长度的增大而减小，锚固段长度取8 m、10 m和12 m时的基坑周围最大地表沉降最大值分别为25.62 mm、24.18 mm和22.88 mm。相比于锚固段长度取8 m时，锚固段长度取10 m和12 m时的基坑周围最大地表沉降最大值分别减少5.6%和10.7%。

综上可知，增大锚杆锚固段长度可以一定程度上减小基坑侧壁水平位移和基坑周围地表沉降，从而提高基坑稳定性。

4.2 预应力大小变化

如图6所示，给出了基坑侧壁水平位移随锚杆预应力大小的变化曲线。由图6可知，基坑开挖支护完成后，随基坑深度增加，基坑侧壁水平位移先增大后减小，在基坑1/2深度附近侧壁水平位移最大。同时，基坑侧壁水平位移随着锚杆预应力的增大而减小，锚杆预应力取50 kN、100 kN和150 kN時的基坑侧壁水平位移最大值分别为24.13 mm、18.96 mm和15.64 mm。相比于预应力取50 kN时，锚杆预应力取100 kN和150 kN时的基坑侧壁水平位移最大值分别减少21.4%和35.2%。

如图7所示，给出了基坑周围地表沉降随锚杆预应力大小的变化曲线。由图7可知，随着与基坑距离的增大，地表沉降先增大后减小，基坑周围最大地表沉降值发生在距离基坑边缘约9 m处。基坑周围最大地表沉降随着锚杆预应力的增大而减小，锚杆预应力取50 kN、100 kN和150 kN时的基坑周围地表沉降最大值分别为26.03 mm、24.15 mm和22.48 mm。相比于预应力取50 kN时，锚杆预应力取100 kN和150 kN的基坑周围最大地表沉降最大值分别减少7.2%和13.6%。

综上可知，增大锚杆预应力值可以一定程度上减少基坑侧壁水平位移和基坑周围地表沉降，从而提高基坑稳定性，且采用增大锚杆预应力值的方式要比增大锚杆锚固段长度更有效。

5 结语

本文主要以某建筑深基坑工程开挖支护为研究对象，分析了该深基坑采用预应力锚杆支护的效果，并着重对锚杆参数影响进行了分析，得到以下结论：

（1）采用PLAXIS软件和岩土理正软件计算得到的基坑边坡安全系数相近，说明了有限元模型的准确性。

（2）随着基坑开挖深度的不断增大，基坑边坡安全系数逐渐降低，且降低速率逐渐放缓，基坑开挖支护完成后的边坡安全系数为1.502，大于规定的最小值1.30，说明该工程基坑开挖支护完成后的安全系数满足要求，处于稳定状态。

（3）增大锚杆锚固段长度和增大锚杆预应力值均可以一定程度上减小基坑侧壁水平位移和基坑周围地表沉降，从而提高基坑稳定性，且采用增大锚杆预应力值的方式要比增大锚杆锚固段长度更有效。

参考文献

［1］沈荣锋.预应力锚杆在基坑支护加固工程中的应用研究——以南京某基坑加固工程为例［J］.河南科技，2021，40（18）：103-105.

［2］许杰斌.预应力锚杆在基坑围护中的应用［J］.江西建材，2020（12）：236-237.

［3］陈月美.锚杆及土钉墙于深基坑支护的施工［J］.四川水泥，2019（8）：290.

［4］童 发.关于建筑工程基坑支护技术的探析［J］.江西建材，2019（9）：158-159.

［5］唐春松.建筑工程深基坑支护施工技术及质量控制措施［J］.工程技术研究，2022，7（13）：262-264.

［6］胡琦兄.建筑工程施工中深基坑支护的施工技术管理［J］.建筑技术开发，2021，48（13）：153-154.

［7］徐森跃.预应力土层锚杆在深基坑支护施工中的应用［J］.工程建设与设计，2018（16）：62-63.

［8］沈科元.深基坑支护桩和预应力锚杆复合支护方式探讨［J］.工程技术研究，2019，4（15）：32-33.

收稿日期：2023-07-10