基于ANSYS有限元的桩锚支护结构分析

崔艳艳，李晶晶，张淼

（河南质量工程职业学院，河南平顶山467000）

基于ANSYS有限元的桩锚支护结构分析

崔艳艳，李晶晶，张淼

（河南质量工程职业学院，河南平顶山467000）

锚桩支护作为一种新型的支护结构，具有工期短、支护能力强、施工方便等诸多优点，已经成为深基坑支护的首选方案。该文以某住宅楼的深基坑支护为典型案例，运用ANSYS有限元软件建立了锚桩支护的有限元计算模型，通过ANSYS模拟的剪力图和弯矩图，对支护桩的受力情况作了详细介绍，得出了桩弯矩随基坑开挖深度增大而增大，但在基坑开挖底部会发生弯矩变化的结论，为指导工程施工，防止基坑坍塌提供了重要的理论支持。最后，通过对支护结构的位移观测数据，证明锚桩支护在深基坑支护中应用成功，为今后类似基坑工程的施工积累了经验。

ANSYS；桩锚支护结构；深基坑支护；基坑监测

0 前言

随着我国建筑行业的发展，越来越多的高层建筑拔地而起，由此产生了大量的深基坑工程，城市施工周边环境复杂，更是增加了深基坑支护的难度，如何保证支护结构的力学特性，保证基坑工程施工安全，是当前工程界的热点问题[1]。支护结构不仅要能保证基坑边坡的稳定，还要能够保证周围环境的安全。桩锚支护结构主要是由桩、冠梁、锚杆组成，支护桩是受力的主要构件，锚杆通过锚杆端部产生拉力和支护桩一起维护支护结构的稳定，共同抵抗土体的受力。

桩锚支护结构现已成为一种常用的支护方法在工程上采用，传统的桩锚设计一般采用等值梁法[2]，但这种设计方式一般只能作稳定分析，没有将土体的变形考虑进去，根据以往的工程实践，极限平衡法在土体参数的选取上过于保守，造成桩锚支护结构不符合经济性。有限元法将支护结构和土体变形协调，对桩锚结构的设计理论有着积极的意义，所以对于深基坑支护这样的工程难题，运用有限元处理软件是解决深基坑支护的有效方法[3]。本文结合工程实例，运用数值分析软件ANSYS建立深基坑模型，对支护桩的桩身稳定性做了分析，对指导工程设计和施工有着积极的意义。

1 工程概况

1.1 工程概况

禹州市东区某小区3#住宅楼设置地下室二层，基坑东南西三个部分基坑底部标高长度为34.8m，基坑支护深度为6.5～10.1m，北部基坑支护深度为4.7m，原来的基础形式为人工挖孔桩基础，后经过设计变更，改为筏板基础。该工程地下水主要为第四系土中的上层滞水，水量随季节变化，对场地的主要影响不大，各地层均为弱透水层，不用考虑地下水流的影响。根据勘察报告，主要地层岩性为：第四系冲积层粉质粘土、第四系残积层粉质粘土、第三系强化泥质粉砂岩、第三系中风化泥质粉砂岩、第三系强风化砾岩。

1.2 支护形式的选择

基坑支护形式采用桩锚支护，安全等级按一级基坑支护考虑。面层采用土钉网喷射混凝土，土钉孔径130mm，锚筋采用直径为25mm的HRB335级钢筋，喷射混凝土强度为C25，厚度为100mm，网钢采用Φ6.5@200绑扎。冠梁尺寸为700×1200mm，冠梁的混凝土强度等级为C30。

2 基于ANSYS的桩锚结构计算过程分析

2.1 计算假定

为简化模型，特对基坑的结构模型进行简化，引入以下假定：（1）将基坑支护问题假设为平面应变问题；（2）假设土体和支护结构为均匀介质、各向同性；（3）假设土体材料为理想弹性体，在ANSYS中遵守Drucker-Prage准则；（4）将上部公路挡墙部分简化为荷载；（5）锚杆和支护桩均按照弹性体考虑，锚杆的锚固作用以在锚头处施加集中力表示；（6）支护结构与土体接触关系按照共节点但介质不同考虑，不考虑接触之间的滑移[4]。

为准确模拟出桩锚支护结构的受力效果，需要对整个支护结构进行简化，将挡土墙部位简化为荷载，根据土质的不同将土层的受力分为五层，简化后的模型如图1所示。

图1 计算模型简化图

2.2 单元选型及模型参数的取值

根据桩锚支护的特点和有限元计算方法的基本理论，本文模型选用二维模型，将排桩采用BEAM3单元，基坑的土体采用PLANE42单元，锚杆采用LINK8单元，为保证计算的速度和结果的精度，在划分网格时，土体网格划分为四边形网格，单元网格大小为1个单位，排桩的网格划分为0.5个单位。土体与桩锚材料的模拟参数取值如表1所示。

表1 土体与支护材料的参数取值

2.3 计算结果显示及分析

支护桩的弯矩图（图2）随着深度的增加逐渐增加，在支护桩与基坑底部的接触部位受到的弯矩最大，桩的上半部分符合悬臂梁的弯矩图，下半部分由于基坑底部土体的作用弯矩发生变化，符合理论受力情况。说明支护桩的整体剪力图和弯矩图符合理论情况，试验模拟结果可以作为参考值。

图2 支护桩的弯矩图

支护桩受到的弯矩整体较大，说明支护桩发生弯曲破坏的可能性较大，最大弯矩出现部位基本位于隐蔽部位，在施工过程中很难发现，在对支护桩进行设计时，一定要保证支护桩能够有足够的抗弯能力。

根据支护桩所受的剪力图（图3）可以看出，随着深度的增加支护桩的剪力逐渐减小，安装锚杆部位桩的剪力变小，说明符合实际受力的情况。

图3 支护桩剪力图

3 基坑监测

3.1 监测方法的确定

在基坑的顶部设立监测点和沉降观测点，对基坑的侧壁侧向位移和沉降进行观测（表2）。基坑在开挖期间和遇到暴雨时每天观测一次，其它时间每隔2d观测一次，当地下室底板施工完毕后，如果没有明显的变形，则可以减少观测次数，每周不少于2次；基坑回填后2个月内，每周观测一次，监测记录存档保存[5]。

表2 监测值控制表

测点布置：选择的监测点位置应受到的干扰较小，支护桩上设立的观测点间距为18～20m，对于建筑物和公路地面的沉降观测，应在基坑开挖影响范围内设置特征点，间距在20～30m之间。

3.2 监测结果的分析

图4 支护结构一月时的监测结果显示

通过对基坑监测的数据进行曲线分析，如图4所示，基坑的支护基本能够符合要求，没有超过设计允许值30mm，整个桩锚结构的支护位移值均在30mm以内，符合设计要求。

从支护桩的水平位移曲线分析可以看出，随着支护桩深度的增加，支护桩的水平位移逐渐减小，在-16m以下的水平位移基本上趋于稳定，说明在基坑底面以下的水平位移基本上很小，但在开挖面以上，随着深度的增加逐渐增加，位移变形最大处位于最上部，但最大位移在设计范围内，说明整个支护结构能够保持基坑稳定。

4 结论

桩锚支护作为一种新的边坡支护结构，由于其自身的优点越来越受到人们的重视，本文采用ANSYS有限元软件建立了桩锚支护结构的模型，对支护桩的内力和变形做了研究，尤其分析了支护桩的剪力和弯矩变化情况，根据数值模拟结果，得出了支护桩位移随深度增加而增加的结论。根据桩的弯矩图设计了支护桩的监测方案，通过分析监测结果，基坑的支护效果能够满足设计要求，可以保证施工过程中的安全，验证了数值分析的合理性，为ANSYS软件在锚桩支护领域的应用积累了工程经验。计算模型的简化势必会对结果产生影响，这在今后的边坡工程模拟中还需要改进。

[1]綦春明.深基坑水平闭合挡土拱圈支护的研究[D].长沙：湖南大学，2000.

[2]王立军.深基坑桩锚支护优化研究及数值模拟[D].西安：长安大学，2014.

[3]付怀，龙丽娜，李敏.基于ANSYS有限元的桩锚联合支护优化设计[J].建筑结构，2013（S2）：621-627.

[4]张浩.空间结构曲面造型算法及程序实现[D].杭州：浙江大学，2005.

[5]曹维.成都市百扬大厦深基坑支护数值模拟研究[D].成都：西南交通大学，2011.

责任编辑：孙苏，李红

新闻快读

重庆加固事业紧追时代脉搏——重庆市建筑业协会加固分会举行授牌仪式

重庆作为新兴直辖市，经历了城市建设的高速发展阶段，建设行业都卯足了干劲，为建设美好家园奉献自己的力量。重庆市加固业界在城市建设中肩负着特殊的历史使命，以技术为武器，用质量作保障，为城市的稳定和发展发挥着积极的作用。他们积极顺应时代的需要，大家抱团发展，共同探讨新兴技术，加强同业协作，于2016年成立了重庆市建筑业协会加固分会（下称“加固分会”）。加固分会在重庆市建筑业协会的指导下，积极推动行业健康发展，为城市和谐发展贡献着自己的力量。

日前，重庆市加固分会为会员单位举行了隆重的授牌仪式。

建设部著名结构专家林文修先生到会祝贺。他在发言中把加固事业称为朝阳产业。他说，中国正经历轰轰烈烈的城市新建运动，而城市建设中，既有建筑的更新、改造和加固却从来就没有停止过前进的脚步。大量新老建筑并存的时代，加固事业必将成为我们建设行业的朝阳产业。我们的事业前程是光明。

重庆市建筑业协会副会长祁仁俊先生代表总会到会表示祝贺，对加固分会所作的工作给予了高度肯定，并对分会的运行寄予了殷切的希望。

加固分会会长熊启东博士对加固分会2016年的工作进行了总结，对2017年的工作进行了部署。他说，2016年成立加固分会有了一个好的开端。2017年加固分会将坚持服务为宗旨，加强行业自律，发挥桥梁纽带作用，扩大影响力，助推重庆市建筑加固业健康发展。

图为重庆市建筑业协会副会长祁仁俊为会长单位重庆市建筑科学研究院授牌。

熊博士在工作报告中提出了2017年工作思路。首先，加固分会将借助本土科技平台，与《重庆建筑》杂志合力推动行业技术进步，帮助重庆的加固企业建立自己的核心竞争力。第二，搭建起企业交流平台，采取走出去，请进来的办法，拓展企业工作视野，打造优质企业。第三，分会还将致力于规范市场，搞好行业自律，协同发展，创造和谐共赢的局面。第四，发挥政府与企业之间的桥梁作用，也是加固分会的核心工作之一。最后，熊博士指出，要加强组织机构建设，壮大分会队伍，帮助重庆的企业不仅可以称雄本土，还有力量走出重庆，创造更大的社会效益和经济效益。

（本刊记者官正梅）

Application of Anchor Pile Support Structure Based on ANSYS Finite Element

As a new type of retaining structure,anchor pile support,with many advantages like short construction period,strong supporting ability and convenient construction,has been the first choice for deep foundation pit support.This paper takes the deep foundation pit support of a residential building as a case study,establishes the finite element calculation model for anchor pile support with the finite element software ANSYS,and describes the stress situation of the support pile based on the shear diagram and bending moment diagram simulated with ANSYS.It is concluded that bending moment increases with the deepening of foundation pit excavation and varies at the excavation bottom of foundation pit,which provides important theoretical support for construction guidance and foundation pit collapse prevention.In the last part,the data of displacement inspection on support structure proves the successful application of anchor pile support to deep foundation pit support and can offer some reference for similar programs.

ANSYS;anchor pile supporting;deep foundation pit;monitoring

TU473.1

A

1671-9107（2017）04-0044-03

10.3969／j.issn.1671-9107.2017.04.044

2017-03-03

崔艳艳(1982-)，女，河南鲁山人，硕士，讲师，主要从事建筑工程技术专业的教学与研究工作。