深基坑桩锚支护的受力与变形研究

【关键词】深基坑；桩锚土；受力；变形 

　　1.引言 

　　土层锚杆、护坡桩、腰梁和冠梁四个部分共同组成桩锚支护体系。如果基坑地下水位比较高，支护桩后必须有防渗堵漏的水泥土等，以确保万无一失，它们之间相互联系、相互作用、相互影响，缺一不可，共同形成一个整体。现如今，世界各地深基坑的深度由原来的几米到现在的几十米，桩锚支护结构不仅得到了广泛的应用而且获得显著的经济效益。尽管如此，其中也有许多失败惨痛的教训，因此，提高基坑支护设计水平，对桩锚支护的影响因素进行分析与探讨是必不可少的。根据实际经验与实际工程，本文主要利用桩土锚相互作用对深基坑支护的受力与变形进行研究。 

　　2.基坑基本情况 

　　本文分析的对象为某科技大楼深基坑。基坑内的土层为中等硬度土。基坑开挖深度为12.24～15.44m，3层地下室，基坑面积大约为1530.0m2。一桩一锚，所以基坑支护采取的是桩锚结合的型式，并且采用了直径为1.0m的人工挖孔作为支护桩。采用二次压力注浆锚杆，预应力锚固。 

　　3.桩锚支护的受力与变形特性的计算分析与研究 

　　土压力的计算分析模式有很多种，目前主动区采用修正Teshebotarioff模式计算分析土压力，被动区采取“m”法值计算土压力。并且土压力与土体位移有关联，因此，应根据实验值确定计算过程中的土压力与土体位移的联系。 

　　3.1分步开挖受力与变形特征 

　　支护桩顶位移的测试值与计算结果比较接近，所以，此次的计算结果相对有效与合理。 

　　分析各步开挖情况得知，每开挖一步，支护桩位移就会有所增加，并且第一步开挖增加幅度最大，如图1（a）。所以，应该尽量减少第Ⅰ步开挖在实际基坑开挖的幅度。 

　　要确保弯矩和剪力无突变值，就要保证没有土锚作用。因为土锚的作用会使弯矩与剪力发生突变，如图1（b）、（c）。（图1、2中Di、Mi、Qi（i=1-4）依次表示第i步开挖的位移、剪力与弯矩）。土锚的作用使弯矩的最大值减小，支护结构的受力分布相对均匀。在每一步开挖中，支护位移与土压力的关系不断改变，因此，土锚受力应不断进行调整与协调，保证支护位移与土压力在合理的范围内，以达到最佳状态。尽管如此，同一层土锚在不同的开挖工况时，受力也不相同，其趋势逐步增加，增加了工程设计中的难度。 

　　3.2土锚位置优化 

　　经研究表明，土锚对支护结构的变形产生最大的影响是在桩锚支护结构中，而且桩锚支护结构中土锚对位移的影响起主要性作用。例如，当基坑开挖7.0m，并且无土锚作用时，基坑位移可达到369mm极有可能引发基坑周围建筑物的损坏，造成经济损失。但是当有一层土锚作用时，位移仅有33.51mm。当基坑开挖14.0m，土锚插入深度达到5.0m时，基坑无法保持稳定。因此，桩锚支护结构中土锚对位移的设计应谨慎，并且合理化。每一个基坑，土锚都有一个最佳的分布方式，确保支护结构的受力与变形达到最佳状态，避免建筑物的损坏，减少不必要的经济损失。每一层的土锚影响都不相同，第2、3层土锚影响相对较小一点。因此，本文主要针对第一层土锚的位置进行探究与分析。 

　　经计算结果显示，要想改变支护桩位移必须改变土锚离支护桩顶距离，并且土锚离支护桩顶距离越大支护桩位移就越大，反之越小。当支护桩位移变大，相应锚固力也会变大。只要支护桩位移变小，3层土锚锚固力才能均匀分布（方案Ⅱ），但最大剪力和最大弯矩会随之变大。方案Ⅰ是土锚沿基坑深度方向均与布置的，所以支护结构位移相对于Ⅲ、Ⅳ方案较小。对于支护结构力，第一层土锚离支护桩顶距离越小其值越大，反之越小。因此，综合考虑结构的位移和工程的造价等问题共同确定土锚在工程实际中的布置，达到最优化。 

　　3.3支护桩刚度对支护桩位移的影响 

　　桩身混凝土强度与桩的直径两者共同体现出支护桩刚度。等级不变，直径越小，刚度则越小。对于支护桩直径为0.6，0.7，0.8，0.9，1.0，1.1，1.2，m进行计算位移时，计算结果显示：支护桩的刚度越小，支护桩的位移就会越大，反之越小；但是当支护桩的直径大于0.9m时，这种趋势就会减小，但并不明显。因此，在实际工程中，应该适当增加支护桩的刚度来维持深基坑的稳定。 

　　3.4被动区不同m值对支护桩位移的影响 

　　中等硬度土为本基坑内土层，所以，对m值为10000、8000、6000kN/m4进行支护桩的受力与位移的计算。研究结果显示：提高m值，可以减少支护桩的位移，如果m值过高，减少的趋势将会不明显。基坑开挖如果为淤泥质土时，其m值相对低一点。因此，加固被动区土体，有利于提高被动区的m值，而且可以减少支护结构的位移，一举两得。 

　　4.检测深基坑桩锚支护结构受力与变形 

　　检测基坑包括：土锚测试、土压力、支护桩水平位移和基坑周围地面。 

　　4.1土锚测试 

　　抗拔力与锚身钢筋应力测试为土锚抗拔实验的主要研究对象。结果显示，大部分锚固力在400kN以内时，锚土截面位移小于6.0mm；在正常的使用范围内，土锚锚固段内钢筋应力伴随深度的减小而快速增加，反之减小。 

　　4.2土压力测试 

　　现如今主动区土压力的模式包括：Coulumb土压力、Rankine土压力、Techbotarioff土压力和Terzaghi-Peck土压力。但是每一种土压力模式的优缺点都不相同，各有千秋。所以，在S-3点预埋土压力盒进行土压力测试，目的是为了调查本基坑土压力的模式。 

　　测试结果显示：本基坑土压力模式与Techbotarioff土压力模式类似。因此说明，此土压力可以表达多根土锚的支护作用，并且伴随着土压力与土体位移的关系。 

　　4.3现场基坑监测 

　　现场监测任重而道远，时间漫长，监测过程必须仔细、谨慎。图3表示基坑周围支护结构水平位移的检测.准确表达了每一部分水平位移的特点，以便在实际工程中作出相关的措施。图4表示在S-3点进行支护桩沿深度方向的水平位移监测。监测显示，在此支护结构条件下，土压力测试S-3点所处的位移是28.0mm，最大沉降值可达到5.3mm，并且基坑周边最大水平位移是31mm。所以，基坑周边环境与建筑物在开挖过程中并未发生破坏。 

　　5.结语 

　　综上所述，分步开挖的深度、支护桩刚度、被动区土的m值、土锚的位置以及土压力模式等因素共同影响深基坑桩锚支护的受力与变形。土层锚杆的影响最大，起关键性作用，因为土锚的作用可以使支护结构的位移减小，维护基坑的稳定性，避免周边建筑物的破坏；如果没有土锚作用，原先的支护结构就会转变为悬臂结构，悬臂结构很难维持基坑的稳定，造成桩锚的受力不均匀与结构变形，给社会带来难以估量的损失。因此，应该综合考虑各种因素在实际过程中，力求达到最佳的效果，确保经济安全与社会和谐。 

　　参考文献 

　　[1]邱洪志.交通荷载作用下基坑支护结构受力变形分析[D].郑州大学，2012. 

　　[2]李永.深基坑桩锚支护结构设计应用研究及数值模拟分析[D].吉林大学，2011. 

　　[3]毕鑫.深基坑桩锚支护结构现场试验及数值模拟研究[D].燕山大学，2011. 

　　[4]盖全芳.深基坑桩锚支护结构受力性能数值模拟分析[D].青岛理工大学，2011. 

　　[5]高芬.基坑开挖对周围地埋管线及土体变形影响分析[D].北京交通大学，2012.