入射角度与预加力对竖锚支护结构变形与内力影响分析

陆泽惠　陈龙

【摘    要】： 为了研究竖锚支护结构对基坑变形的影响，选取不同的竖锚入射角及对应的预加力，采用MidasGTS进行数值模拟，将不同竖锚入射角及对应的预加力与基坑变形的大小换算为等效水平刚度系数，揭示竖锚入射角、预加力与基坑变形之间的相互关系。

【关键词】： 竖锚；支护结构；基坑变形

【中图分类号】：TU472【文献标志码】：C【文章编号】：1008-3197（2023）05-69-03

【DOI编码】：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

隨着基坑开挖深度增加，对锚杆（索）抗拔力的要求越来越高［1～2］，随即出现的高压旋喷扩大头锚杆工艺有效增加锚杆的抗拔力［3～4］；而随着城市发展的，锚索设置面临着不可超过用地红线等问题。为解决该问题，出现了竖锚支护工艺，竖锚支护体系最大的优点是可大大缩短工期，只要支护体系施工完毕，基本即可分层分段开挖，出土效率高，施工速度快。虽然目前竖锚支护结构在一些工程上取得成功，但是对于竖锚支护结构的研究却较少。本文以南海人民医院深基坑工程为依托，研究竖锚竖直入射角、预加力对基坑变形的影响。

1 工程概况

某基坑开挖深度11 m。土层情况为3～6 m厚素填土、2～7 m厚残积粉质黏土、4～8 m厚全风化泥质粉砂岩、2～4 m厚强风化泥质粉砂岩，中风化岩未钻透。由于工期紧张，若采用常规内支撑+支护桩体系或者桩锚体系：一方面支撑的施工与拆除、锚索的分层施工等，将导致工期不可控；另一方面造价偏高。因此，采用了竖锚桩支护体系：前排采用直径1 m灌注桩，间距1.4 m；后排采用压力型扩体桩锚，直径0.65 m，间距1.4 m；两者采用0.5 m厚连板连接。见图1。

2 工程地质情况

地基土由人工填土、第四系河流相冲淤积层、第四系上更新统残积层等组成，下伏基岩为下第三系华涌组下段棕红色砾岩、砂砾岩、砂岩夹粉砂岩、泥岩及玄武岩等。整个场地覆盖层厚度较小，土层种类主要为残积粉质黏土、残积砂土，局部低洼处见透镜状厚度较小的粉质黏土，沿线未揭露软弱土层。钻孔揭露范围内岩石风化较强烈，软硬互层较为发育。见表1。

3 模拟计算及结果分析

采用Midas GTS有限元计算软件，土层采用修正摩尔库伦模型，计算参数统一采用全风化泥岩。桩、连板采用梁单元；锚杆、锚固段采用杆单元。选取0°、15°、30°入射角，分析不同竖向入射角（锚杆与竖向的夹角）对其支护体系的影响；选取0、100、200、400 kN，分析不同预加力对支护体系的影响；引入等效水平刚度［5］，即桩顶连板的轴向拉力/桩顶位移，分析竖锚对水平位移的影响。见表2-表5。

3.1 不同入射角与预加力对变形的影响

随着竖直入射角增加，桩顶水平位移减小，主要是由于锚索与竖直夹角越大，锚杆的水平分力越大，对支护的水平约束作用越强；所施加的预加力越大，对桩顶变形越有利，较大的入射角联合较大的预加力对支护结构的变形控制越有利，主要是因为竖向入射角越大，其锚杆的水平分量越大，同时，由于预加力增加了锚杆水平方向的分力也越大，故对位移的约束效果越明显；当竖直入射角为0°时，增加预加力对桩顶位移影响甚微，但是随着竖直入射角增加，增加预加力对桩顶的变形控制越明显，主要是由于竖直入射角为0°时，锚杆的水平分量为0，增加了预加力仅仅增加了锚杆的刚度，故影响甚微。见图2。

3.2 不同入射角与预加力对等效水平刚度的影响

当竖直入射角为0°时，增加预加力对等效水平刚度的影响很小，其等效水平刚度可取2～3 MN/m；随着入射角的增大，等效水平刚度增加，主要由于锚杆水平方向的刚度随着竖直入射角的增大而增加；随着竖直入射角的增大，增加锚杆预加力对等效水平刚度呈非线性的提升，这是由于竖直入射角增大，其预加力在水平方向的分量增加，另一方面是竖锚在水平方向的刚度也会增加，两者的叠加是非线性的。见图3。

4 结论与展望

1）等效水平刚度随着竖直入射角的增大而增加，桩顶位移随着竖向入射角增加而减小。在有条件的情况下，应尽量采取较大的竖直入射角。

2）当竖直向入射角为0°时，竖锚预加力对变形几乎没有影响；因此，当竖直入射角为0°时可不对锚杆施加预加力，采用普通钢筋作为锚杆；当有一定入射角之后，竖锚的预加力对变形能产生影响，随着竖直入射角的增大，预加力的增加可明显提高等效水平刚度。实际工程中应采用大竖直入射角与大预加力鎖定值配套。

3）预加力＞200 kN，竖锚的水平竖向刚度会有较大提高且随着竖直入射角的增加，效果更显著。

4）当竖锚入射角为0°时，等效水平刚度可按2～3 MN/m估算。

5）当竖直入射角为0°或者角度较小时，竖锚所能提供的等效水平刚度非常低，土质情况较差时，应慎重采用该方案。

6）随着竖直入射角的增大，支护桩的桩身弯矩增大，预加力的增加也会较为显著地增加桩身弯矩。设计时应充分考虑两者的相对关系，选取最优的竖直入射角与预加力。

本次主要研究了竖锚竖直入射角、预加力对桩顶变形、等效水平刚度、桩身内力的影响。实际上，等效水平刚度还与锚杆的直径、桩顶连板的刚度、前排桩（墙）与后排锚杆的水平距离等因素有关，后期可做进一步研究；另外，实际上当竖直入射角为0°时，从结构力学的角度，竖锚预加力能产生抗倾覆的弯矩，提高抗倾覆的稳定性，这也是进一步研究方向。

参考文献：

[1]程良奎，张作瑂，杨志银.岩土加固实用技术[M].北京：地震出版社，1994.

[2]程良奎.岩土锚固的现状与发展[J].土木工程学报，2001，（3）：7-12+34.

[3]陆观宏，曾庆军，潘艳珠，等.锚杆扩孔技术及其应用研究[J]．公路交通科技（应用技术版），2012，8（２）：26-30.

[4]李粮纲，周    奕，罗    强等. 新型锚杆扩孔钻具的设计与试验[C].中国地质学会探矿工程专业委员会.第十八届全国探矿工程（岩土钻掘工程）技术学术交流年会论文集.地质出版社，2015.

[5]刘国彬，王卫东.基坑工程手册[M].2版.北京：中国建筑工业出版社，2010.