深基坑桩锚支护结构稳定性及受力变形分析

深基坑桩锚支护结构稳定性及受力变形分析

■乔黎明安徽省城建设计研究总院有限公司

毋庸置疑在近几年的发展中，随处可见深基坑工程。 当然了这与城市地铁工程、高层建筑、市政工程的发展有 关。结合有限的土地资源，不断开发地下空间。上世纪，桩 锚支护结构这一新型抗滑结构就得以广泛的应用，尤其是 在治理深基坑以及整治滑坡等相关工作中扮演着日愈重 要的角色。本文首先简述了不利于桩锚支护稳定性的因 素、破坏性，解析了深基坑支护工护施工的稳定性，最后解 析了其深基坑桩支护结构的变形特征以及结构受力情况 等相关因素。

由于引起深基坑桩锚支护结构变形的因素是多方面 的，因而非常有必要深入分析以解析与支柱变形情况、受 力结构有关的因素，从而减少影响。这有利于最大限度发 挥桩锚支护结构的作用。所以在实际施工中，应该综合考 量各因素，从而形成最佳的支护结构。基于此本文主要论 述了与深基桩锚支护结构受力变形特征以及结构稳定性 等相关方面。

一、粧锚支护结构的破坏机制

桩锚支护结构属于围护结构，即通过在排村支护结构 上设置预应力锚杆。该结构具有简支点，这是因为围护结 构具有顶端的支撑，所以通常情况下并不会发生移动。桩 体、锚杆受内外压力的影响，分别处于受弯、受拉的状态。

1.桩锚支护的破坏形式。

桩锚支护是完全区别于重力式支护结构体系的，因此 从本质上可归属于柔性支护。因此可通过如下几方面，提 升支护的可靠性:第一是嵌入的深度;第二桩身的刚度、强 度;第三锚杆拥有可靠的锚拉力，同时可传递至桩上。从某 一方面来说上述三大要素，无论是哪一方面存在问题，都 有可能破坏支护体系的结构的。因而总体上说可将桩锚支 护系统的破坏形式、原因，归集为如下几种：

踢脚破坏:这多以设计以及开挖土体的深度有关。即 表现为桩底端踢出，桩体随着锚点而移动;桩身断裂：由于 桩体的最大受弯矩处发生断裂，极易成为两截。这可能与 桩体本身存在质量问题，混凝土的钢度或者强度不达标等 原因有关。当然了也有可能受刚度影响，使得桩体跨中变

形，而发生折断;倾覆破坏：锚杆失效，即不能把锚拉传至 桩上，从而转化锚护支护的形式，成为悬臂形式，改变桩的 受力状态，使得桩体发生整体倾覆。

通常实际作用于桩的外推力，较原设计锚杆提供的拉 力，而之所以两种力会存在差距，是因为实际条件存在变 化。由于所承受的荷载过大，所以锚杆有可能从土中被拔 出或者拉断，桩体不再受约束，所以发生倾覆。引起这一问 题的原因是多方面的：地面推载面过大，从而引起水体下 渗，削弱土体的强度。桩体由于土压力加大，易发生渗流。 再者水压力加大也有可能引起述问题。即都有可能出现锚 杆从土中拔出，或者断裂等情况。而一般认为结合现场调 查与复核，即可区分锚杆拉断是由于哪一原因而引起的。 虽说锚杆具有一定承载力，但是如果锚杆、桩间的连接系 统存在问题，那么锚杆拉力是很难有效的作用于桩体的， 此时锚杆，即不能再发挥作用。而桩体也会因为没有了支 撑，发生倾覆。通常此类型的破坏，锚多处于未被拉断的状 态，表面无损。

2.桩锚支护结构的受力模式。

一般先进行混凝土支护桩，在开挖基坑。由于在开挖基 坑时，一般不会针对单支点桩锚支护结构植入预应力锚杆， 所以在开挖时，其坑外土体、卸荷都会处于向外移动的状态， 此时受土压力作用的影响，支护桩随着预应力杆的施工，而 其悬臂受力处于不断加深的状态之中，同时锚杆，为受拉状。 即在基抗施工中，桩锚支护结构中锚杆会随着力学响应变 化、基坑受力等相关因素而发生变化，同时由于锚杆具有支 撑桩体的作用，所以总体上桩体会处于相对均匀的状态之 中，相较于悬臂状态而言，此时桩身的受力较为合理。

二、深基坑支护施工稳定性分析

基坑失稳的危害性很大。最直接的影响就是破坏基 坑，不利于工程的正常运行，同时还会危及四周的环境，从 而造成无可估量的损失。所以在基坑支护设计时，就必须 以基坑稳定性作为设计的前提条件。基抗失稳主要与如下 因素有关:结构本身存在不稳定性，即有可能是支撑体、墙 体的刚度、强度不能达到要求;土体发生变形、基土抗剪强

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度不足等均有可能引起这一问题。

在分析深基坑支护系统的稳定性时，一般以计算机技 术模型法，模拟施工法，综合分析与体系稳定性有关的因 素。通常认为如下三方面的原因，共同决定着其稳定性:第 一个原因是坑体的整体刚度；第二个原因坑体的入土深 度;第三个原因是基坑内支撑轴力。具体可结合如下步骤 展开:首先分解并模拟施工过程，从而进一步解析有不利 于工况的因素；其次，可结合限元分析进行分析，即运用

PLAXI分析，并模拟实际情况。比如分析在工况各方面属

于正常状态时，计算出基坑破坏时，分析其连墙侧方位移。 按照此法，可将破坏情况分为如下几种:墙长发生变化，即 连墙的入土深度;地连墙的刚度发生变化，坑壁体发生滑 动破坏;在基坑整体稳定性被破坏前，支撑力已经发生变 化;模拟核算模拟机坑失稳标准，从中找出关键影响因素， 明确基坑破坏的临界技术、安全系数，并以此为目标，做好 后期的监控。假设发生较大的变更，则有必要再次模拟工 况，有限元计算，从而分析基坑的稳定性。

三、深基坑粧锚支护结构受力和变形特性1. 分步开挖受力和变形特征。

结合支护情况，分析计算，假设我们以三层土锚作为 支护基坑的方法，即选定m值为6000KN/m4,具体可分为 四个步骤，在前面上个步骤中，每次超过0.5米，即在开挖 后，进行土锚加工，通常2-3天需要施加预应力。在模拟试 验时，首先需要通过计算得出悬臂梁，其次就是施加第1 层土锚，在开挖后，结合开挖情况依次开挖第1、2层、1-3 层土锚。结合实际开挖情况分析可，开挖越深入，支护桩发 生位移的机率也会越大;避免发生过大的位移变化。另外 剪力、弯矩力等也会受土锚的作用的影响，即有可能发生 突变，受到弯矩的影响，会形成更具均勻性的支护结构。通 过调整土锚的受力情况，同一层土锚所形成的力也会发生 一定变化，表现出逐步变大的特点。

2. 优化土锚位置。

研究发现桩锚支护结构最易发生变形。在整个结构 中，锚是最为主要的引起位移的原因。如在不考虑锚的作 用时，基坑开挖至7米以后，基抗位移有可能通常会达到 369mm左右，此时即有可能破坏周围建筑物，甚至引起不 必要的经济损失。而如果只存在一屋土锚作用，位移为 33.51mm，此时开挖的深度、土销插入深度分别达到14米、 5米，基坑即有可能失稳。所以一定要保持谨慎的心态，合 理设计锚，确保其位移保持在一个正常的范围之内。另外 我们知道不管是土锚还是基坑均有最佳分布方式的，这就

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意味着可将支护受力、变形控制在一个最好的状态之中， 这对于减少建筑物遭受破坏具有重要的意义。各基坑、土 锚均存在最佳分布方式，从而使支护变形、受力均达到最 佳状态，有利于避免建筑物被损坏，各层所受到的土锚的 作用也是不一样的，一般认为第2、3层的作用影响相对较 小。所以，需要深入分析第一层土锚的位置。研究发现，通 过改变支护桩与土锚的距离，有利于合理化支护结构位 移，一般认为其距离越大，相应的支护桩位移也会更大。而 锚固力会随着支护桩位移的变化而发生变化。要使三层土 锚力分布均匀，其前提条件是支护柱位移变小，然而此时 其最大弯矩、剪力也会随着变大。

3. 支护桩位移与支护桩刚度的关系。

一般认为支护桩的刚度与混凝土的强度、支护桩的直 径等级有关。为了进一步理清两者的关系，我们分别对结合 不同的支护直径，计算其发生位移的情况，具体包括直径为0.7米，直径为0.8米;直径为1.0米，直径为1.1米，直径 为1.2米，通过研究发现，支护的刚度越大，其位移反而越 小，即两者具有反比例关系。但是在直径为0.9时，这一变 化趋势则相对较小。这就从另外一方面说明了要稳定工程 工序，就必须通过各方面的努力，减少基抗发生变形的情 况，确保基坑的稳定性，换言之即需要加大支护桩直径。

4. 被动区不同m值对支护桩位移的影响。

在具体评定m值时，需要综合各因素展开，尤其是要 有机结合深基坑内具体的土质特点。本实验中分别计算了 各种支护桩受力情况以及其发生位移的情况，结合计算发 现，m值是引起支护桩位移不可忽视的因素，然而如果当 该值过大，其发生位移的情况反而较小。而如果是松软的 土地，那么m值就会相对较低，在同等情况下，m值与位移 的关系较为显著。

四、结语

近几年来国富民强，在国家大力推行城市化发展的今 天以及快速崛起的房地产行业。高层建筑、超高层建筑已 经成为城市中不可或缺的元素之一。而随着工程项目的发 展，对项目的稳定性、安全性、高度重视，因此对深基坑支 护施工提出更高的要求。与此同时我们知道工程本身就存 在较大的安全隐患，且在实际施工中，对施工技术有较高 的要求。因而从某一方面来说，如果未能切实掌握相关技 艺，妥善处理工程中可能发生安全隐患的问题，不仅不利 于建筑业的发展，甚至有可能引起更大的安全隐患，给国 家人民带来巨大的损失。基于此，有必要全方位了解基坑 锚支护结构的受力情况，解析与工程有关的因素、桩锚土。