预应力锚杆柔性支护技术的数值分析.PDF

第24卷 第21期 岩石力学与工程学报 Vol.24 No.21 2005 年 11 月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Nov.，2005 收稿日期收稿日期2005–06–26；修回日期修回日期2005–09–15 作者简介作者简介贾金青1962–，男，博士，2003 年于清华大学土木工程系博士后出站，现任教授、博士生导师，主要从事地下工程、地基处理等方面的 教学与研究工作。E-mailkeyknown。 预应力锚杆柔性支护技术的数值分析预应力锚杆柔性支护技术的数值分析 贾金青，郑卫锋，陈国周 大连理工大学 土木水利学院，辽宁 大连 116024 摘要摘要对深基坑支护的一种新技术预应力锚杆柔性支护法作了简单介绍。运用有限差分方法对其进行了分析 研究，并与相同条件下的土钉支护进行了比较分析，计算表明预应力对基坑潜在滑移场的控制是非常有效的。基 于改进的杆系有限元法，通过实际工程对预应力锚杆柔性支护技术进行了数值计算，得到了预应力值对基坑位移 的影响曲线及锚杆轴力的分布规律，并与现场监测进行了比较，验证了程序计算的正确性。通过数值分析，体现 了该技术在严格控制基坑变形、超深基坑支护方面具有明显的优越性。 关键词关键词岩土工程；预应力锚杆；柔性支护；深基坑；杆系有限元；数值分析 中图分类号中图分类号TU 443 文献标识码文献标识码A 文章编号文章编号1000–6915200521–3978–05 NUMERICAL ANALYSIS OF PRESTRESSED ANCHOR FLEXIBLE RETAINING JIA Jin-qing，ZHENG Wei-feng，CHEN Guo-zhou School of Civil and Hydraulic Engineering，Dalian University of Technology，Dalian 116024，China AbstractA new retaining for deep excavation-prestressed anchor flexible retaining has been developed by the authors. This technique is studied by finite difference ；and the calculating results are compared with the soil-nailed support system. Critical slide zone of deep excavation is controlled by prestress values. Based on the modified bar system finite element ， the prestressed anchor flexible retaining system is calculated and analyzed through a practical engineering. The distribution rules of horizontal displacements and anchor axial force are calculated. By the numerical analysis，its advantages such as small displacements and application to super-deep excavations are investigated. Key wordsgeotechnical engineering；prestressed anchor；flexible retaining；deep excavation；bar system finite element ；numerical analysis 1 引引 言言 目前，深基坑支护的形式很多，根据支护结构的 受力性能可分为悬臂式支护结构、拉锚式支护结构、 内支撑式支护结构、重力式支护结构、土钉支护及 复合土钉支护结构[1 ，2]。而深基坑预应力锚杆柔性 支护体系作为一种新型的支挡技术[3]，具有诸多优 点 1 工程造价低； 2 施工方便、 工期短； 3 基 坑变形小；4 施工简单、安全性好。由于强大预 应力的作用，改变了基坑的受力状态，减小了基坑 坑壁位移，因此预应力锚杆柔性支护法特别适用于 位移控制要求严格的基坑及超深基坑的支护[4 ，5]。 与许多理论的建立过程一样，其工作机理与设计方 法的研究还不够深入，目前尚未有一个较为完善的 计算模型能模拟其支护机理及力学性能，且其理论 分析方法明显滞后于工程实践[6]。基于此，本文采 用数值计算方法对预应力锚杆柔性支护技术进行了 第 24 卷 第 21 期 贾金青等. 预应力锚杆柔性支护技术的数值分析 3979 分析研究，以期能对理解预应力锚杆柔性支护体系 的工作机理有所裨益。 2 概概 述述 预应力锚杆柔性支护体系由众多小吨位预应力 锚杆索、面层、锚下承载结构和排水系统组成， 如图 1 所示。其中预应力锚杆索作为承载体系， 面层与锚下承载结构等构件组成构造体系，排水系 统作为辅助体系。 图 1 预应力锚杆柔性支护法基本构成 Fig.1 Construction of prestressed anchor flexible retaining 预应力锚杆分为自由段和锚固段，其中锚固段 设置于潜在滑移面以外的稳定土体中。预应力锚杆 索可以采用拉力型、压力型或压力分散型等形式； 预应力锚杆杆体可以采用钢筋、钢管、钢绞线等； 注浆通常采用常压注浆，并且锚杆全长注浆，通过 一定构造措施使锚杆在自由段内能自由伸缩，对抗 拔力较低的地层，也可以采用二次高压注浆。 面层是预应力锚杆柔性支护体系中必不可少的 组成部分，常常采用挂钢筋网喷射混凝土，或将木 板与喷射混凝土结合共同作用。面层的主要作用在 于承受基坑侧压力，并将其传递至锚下承载结构进 而传递到预应力锚杆上；同时围护承载体系间土体 的稳定，使其不至于塌落。由于面层厚度较薄，相 对于传统的桩锚支护、地下连续墙等结构而言，其 刚度要小得多，柔性大，这就是称之为预应力锚杆 柔性支护法的缘由。 锚下承载结构简称锚下结构，是预应力锚杆柔 性支护法的重要组成部分。在锚杆上施加的预应力 通过锚下承载结构传递至需要锚固的岩土体上。锚 下结构通常由型钢工字钢、槽钢、垫板、锚具组 成。型钢可竖直分段放置，也可水平多跨连续放置 或通长连续放置。 排水系统，通常设置地面排水沟引走地表水， 或设置不透水的混凝土地面防止地表水渗透到土体 中。在地下水以下的坑壁上设泄水孔，以便将喷射 混凝土面层背后的水排走。在基坑底部应设排水沟 和集水坑，必要时采用井点降水法降低地下水水位。 3 预应力大小对基坑滑移场的影响预应力大小对基坑滑移场的影响 本计算模型将深基坑简化为二维平面应变问 题，采用拉格朗日有限差分程序，本构模型选取能 较好地描述土体在塑性破坏阶段变形特性的理想弹 塑性本构模型Mohr-Coulomb 屈服准则。 从理论上讲，由于锚杆预应力的存在，减小了 基坑坑壁位移，约束了岩土体的滑动，减小了岩土 体的剪切变形，当然也减小了潜在滑动面上岩土体 的剪切变形，延缓岩土体塑性区的发生，缩小了潜 在滑移区的范围。 图 2 为不同支护条件下基坑的塑性区分布图， 其中图 2a～c为预应力值分别为 0，200，400 kN 条件下基坑的塑性区分布规律，由图可知，随着锚 杆预应力值的增加，潜在滑移面上剪切应变减小， 滑移区变小，当预应力大于 400 kN 后，滑移区大范 围消失，只在基坑底隅处尚有小范围存在。因此锚 杆的预应力不仅减小了基坑变形，缩小了基坑岩土 a T 0 kN b T 200 kN c T 400 kN d 土钉支护 图 2 不同支护条件下基坑的塑性区分布 Fig.2 Distribution of critical slide zone under different support systems 3980 岩石力学与工程学报 2005年 体塑性区的范围，而且延缓或阻止了岩土体潜在滑 移区的出现。图 2d为土钉支护条件下基坑的塑性 区分布图，在土钉支护情况下，滑移区范围比无支 护状态略小，但也基本相互连通，但此种情况下基 坑位移已很大，破坏的形态为基坑上部岩体开裂、 下部剪切滑移，因此土钉支护很难保证基坑的稳定 性，其用于超深基坑是值得探讨的[7 ，8]。 4 基坑位移及锚杆内力计算分析基坑位移及锚杆内力计算分析 用于基坑稳定性分析的传统极限平衡分析方 法，不能得到任何有关变形的信息。在深基坑开挖 过程中，基坑周围的水平位移和沉降是不可避免的。 当基坑周围有建筑物或市政设施时，控制基坑变形 显得尤为重要，单纯以保证基坑稳定的强度控制设 计方法已经不能满足生产实践的需要。根据周围环 境的保护要求，以变形控制的设计方法代替现有的 强度控制设计方法，将是基坑工程设计理论发展的 重要趋势[9]。基坑开挖数值计算分析可对基坑支护 的受力、变形及破坏模式等力学行为进行较全面的 分析研究，可为基坑工程的设计和施工提供指导， 提供优化设计方案[10]。 4.1 模型的建立、分析方法及参数取值模型的建立、分析方法及参数取值 本节采用了改进的杆系有限元法对预应力锚杆 柔性支护法的受力、变形进行了计算分析。改进的 杆系有限元法计算模型如图 3 所示，基坑开挖面以 下的土体抗力由设置的土体弹簧来模拟，由于土体 的抗拉强度很小，在设计中一般不考虑土的抗拉强 度，如果土体弹簧受到拉力，则表示这部分的土体 已达到极限状态，应该把这部分的土体弹簧刚度设 置为零继续进行下一轮迭代计算。 图 3 杆系有限元计算模型 Fig.3 Calculating model in bar system finite element 显然，土抗力的大小取决于基坑水平位移的大 小，该点的侧向位移大，则该点的弹簧压缩量也就 大，那么弹性抗力值也就越大。 锚杆也用弹簧来模拟。由于锚杆主要处于受拉 状态，如果计算得到锚杆受压，则应该把这部分的 锚杆弹簧刚度设置为零继续进行下一轮迭代计算。 同时还要保证锚杆的拉力在其极限承载力范围内， 如果超出， 则应将这部分的锚杆弹簧刚度设置为 0 继 续进行下一轮迭代计算，把超出部分的多余轴力通 过内力重分布转移给其他锚杆弹簧承担。 面层和锚下结构用梁单元模拟。具体的处理方 法为如果还没有支护，则相应的梁单元的刚度为 0； 如果已经支护了面层， 则相应的梁单元的刚度用 实际面层刚度；如果已经支护了面层和锚下支护结 构，则相应的梁单元的刚度用实际面层和锚下支护 结构的刚度叠加值。 杆系有限元法以大连远洋大厦深基坑支护工程 为技术背景， 基坑深高达 25.6 m， 布置 11 排预应力 锚杆。根据地质勘探资料，场区地层主要由第四系 松散堆积物和基岩组成， 自上而下主要有 杂填土、 残积土、强风化辉绿岩、中风化辉绿岩及微风化辉 绿岩，其力学参数如表 1 所示。图 4 为深基坑支护 的典型剖面。在基坑施工过程中进行了坑壁的水平 位移观测，基坑顶面水平位移随着开挖深度的加深 逐步加大，基坑开挖完毕后最大水平位移为 28.7 mm。 表表 1 岩土体的力学参数岩土体的力学参数 Table 1 Mechanical parameters of rock and soils 土层 层厚 /m 弹性模量 E / MPa 泊松比 粘聚力 c/kPa 内摩擦角 ϕ / 重度 γ /kNm －3 杂填土 1.5 13.00 0.300 12 13 18.0 残积土 2.4 18.95 0.295 20 18 18.0 强风化 辉绿岩 4.2250.00 0.240 50 25 22.0 中风化 辉绿岩 8.9487.50 0.250 80 35 26.5 微风化 辉绿岩 18.0600.00 0.210 100 27 28.0 根据基坑实际开挖尺寸及模型大小，共划分为 60 个梁单元、120 个土弹簧单元、11 个锚杆弹簧单 元，其中土体弹簧刚度用 m 法计算，锚杆弹簧刚度 根据规范计算[11]。 4.2 基坑开挖过程中的水平位移分布基坑开挖过程中的水平位移分布 图 5 为每步开挖完毕后基坑的水平位移分布 图，仅输出间隔一步的基坑水平位移。由图 5 可 知，预应力锚杆支护下基坑水平位移呈曲线分布， 第 24 卷 第 21 期 贾金青等. 预应力锚杆柔性支护技术的数值分析 3981 图 4 基坑剖面布置图 Fig.4 Profile of excavation 图 5 每步开挖后基坑的水平位移 Fig.5 Horizontal displacements of excavation in steps 并且每步开挖后的位移与上一部位移有一定的继承 性，位移最大值发生在基坑上部区域，随深度的增 加而逐渐减小。这种水平位移分布模式与一般的土 钉支护相同，但其最大水平位移值远小于相同条件 下土钉支护的位移值；与拉锚式支护结构不同，拉 锚式支护结构的变形不仅和锚杆的参数有关，而且 桩墙的参数对基坑位移影响也很大。 杆系有限元计算得到的基坑上部最大水平位移 为 30.60 mm， 与实际工程监测得到的最大水平位移 28.7 mm 基本吻合。 4.3 预应力大小对基坑水平位移的影响预应力大小对基坑水平位移的影响 如图 6 所示，在相同条件下，基坑水平位移随 图 6 不同预应力条件下基坑的水平位移 Fig.6 Horizontal displacements of excavation under different prestress values 预应力的增加而变小。预应力值等于 0 时，基坑最 大水平位移为 46.40 mm；当预应力施加至 250 kN 时，最大水平位移减小至 34.50 mm，位移减幅比较 大； 当预应力施加至 350 kN 时， 顶部水平位移减小 至 29.30 mm。随预应力增大位移减小的幅度变小， 即预应力超过一定值后对限制基坑位移的效果不明 显， 但此时的位移值已比较小， 能满足工程的要求。 由此可知，锚杆的预应力大小对基坑位移的影响是 很大的。 4.4 预应力锚杆轴力分布预应力锚杆轴力分布 图 7 为基坑开挖完毕后各层锚杆的轴力大小的 分布规律。由图 7 可知，基坑中部锚杆的轴力较 大、上下部位轴力较小，轴力沿基坑深度成弓形分 布。 图 7 各层锚杆轴力大小的分布图 Fig.7 Distribution of axial forces of prestressed anchor 注除注明尺寸外， 图中高程以 m 计， 其余尺寸以 mm 计。 3982 岩石力学与工程学报 2005年 由于锚杆轴力与相应位置处的土压力有着对应 关系[11]，可知土压力的分布规律也沿基坑深度成弓 形分布，这与经典土压力理论计算得到的基坑土压 力分布规律不一致。在基坑变形很小的条件下，土 体往往不能达到极限平衡状态，用经典的库仑或朗 肯土压力理论计算基坑的土压力是不合适的，因此 应按照变形量的大小来确定土压力的分布规律，使设 计更趋于符合实际，这种思想已被工程界所接受[12]。 5 结结 语语 通过数值计算对预应力锚杆柔性支护法进行了 分析，并与工程实例进行了验证，得出如下结论 1 锚杆的预应力对基坑潜在滑移场产生很大 的影响。随着锚杆预应力的增加，基坑塑性区不断 缩小；当预应力达到一定值时塑性区变得很小，延 缓或阻止了岩土体潜在滑移区的出现。因此，锚杆 的预应力值对基坑的稳定有着积极作用。 2 锚杆预应力大小对基坑水平位移影响是很 大的，随着基坑深度的加深其水平位移逐渐减小， 其位移最大值发生在基坑顶部区域，与实际监测的 位移值基本吻合。 3 锚杆轴力值大小具有一定的规律性，呈现 中部大、上下部位小的特点，成弓形分布。 预应力锚杆柔性支护法作为一种新型的支护技 术，施工方便、造价低廉，对基坑位移控制非常有 效，因此在深度大的基坑及位移控制严格的基坑支 护工程中具有明显的竞争优势。 参考文献参考文献References [1] 张明聚. 土钉支护工作性能的研究[博士学位论文][D]. 北京清 华大学，2000. 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