旋喷预应力锚索在软土蠕变效应下的研究

黄天优，徐书平

（武汉轻工大学 土木工程与建筑学院，湖北 武汉 430023）

1 引言

预应力锚杆支护是在边坡、深基坑以及隧道等地下施工中比较常见的一种经济高效的支护方式，预应力锚杆（锚索）主要分为两部分：锚固段以及自由段，锚固段是杆件与土体之间相互作用的部分，利用锚固段的长度来调控锚固体极限抗拔力，通过在自由段施加预应力以及控制锚固段的长度来达到提高锚杆抗拔力的作用。国内外针对预应力的锚固结构问题进行了系统的研究。王清标、张聪等通过建立锚索锚固力与岩土体蠕变之间的耦合效应模型来确定两者之间的计算关系式。在《建筑基坑支护技术规程JGJ 120-2012》中指出当锚固段主要位于软土层中时，应考虑土的蠕变对锚杆预应力损失的影响.由此可知，国内外学者都已意识到了软土蠕变对预应力施加以及整个桩锚支护体系的影响，但仍未具体提供在软土蠕变效应作用下预应力的施加范围。文章通过软件模拟旋喷锚基坑支护工程，施加不同预应力值来分析软土蠕变规律。

2 预应力锚杆承载力分析

预应力锚杆抗拔力的确定：《加筋水泥土桩锚技术规程》规定加筋水泥土锚体的极限抗拔承载力应根据加筋体与水泥土的握裹力，以及加筋水泥土与土的摩擦力确定，取两者最小值来定义极限抗拔承载力。在软土中，锚杆抗拔力主要利用土体与砂浆之间摩阻力来确定，故锚杆的极限抗拔力可以表示为：

式中：Ru为锚杆的极限抗拔力；D为锚杆锚固体的直径；L为锚杆的锚固段长度；qsi为土体与砂浆之间摩阻力。锚固段周围砂浆与土体之间的平均抗剪强度。由（1）可知，锚固体直径、有效锚固段长度、土体与锚固体表面接触的摩阻力都是直接影响锚杆抗拔力的因素。土层锚杆摩阻力主要取决于沿接触面外围的土的抗剪强度，而抗剪强度τ值主要受土层性质、锚杆埋深以及施工灌浆、锚杆类型等影响。故：

式中：c为锚固区土层的粘聚力；φ为锚固区土层的内摩擦角，σ为锚固区土层法向压应力。

3 工程算例

选取湖北省旋喷锚基坑工程。该基坑土层简单，上层为淤泥质软土，下层为粘土层，其组成厚度及相关力学参数如表1所示。

表1 土层物理力学参数表

由于是软土，选取旋喷锚的基坑支护体系，桩、锚杆参数分别为：

表2 桩以及旋喷锚杆参数表

3.1 模型建立

FLAC3D计算模型：长*宽*高为50 m*1.4 m*30 m，模型土体底部约束水平以及竖向位移。两侧约束水平位移。土体采用Burgers模型，锚杆以及桩采用线弹性模型。Burgers模型弹性模量以及粘滞系数是根据经验值所确定。根据等刚度原则，将支护桩等效为地下连续墙。

该施工开挖至5 m,土方开挖工期为60 d，设计坑分两次开挖到位。第一次开挖至2 m,开挖时间设置为20 d，中间施加预应力时间为10 d，第二次开挖至5 m,开挖时间设置为30 d。

图1 基坑模型建立

3.2 预应力大小的影响分析

本次模拟中，旋喷搅拌加劲桩抗拔承载力Ru=212 kN。采用分别加载预应力的方式，分析桩顶位移水平位移变化，预应力加载量如下表所示。

表3 预应力加载值

图2所示为土方开挖完成后42 d桩顶位移变化情况。在不同预应力条件下，基坑桩顶水平位移不同，预应力为0时，最大桩顶水平位移为68.4 mm。在21.2 kN预应力下，最大桩顶水平位移为67.4 mm。在42.4 kN预应力下，最大桩顶水平位移为62.3 mm。在63.6 kN预应力下，最大桩顶水平位移为61.3 mm。在84.8 kN预应力下，最大桩顶水平位移为56.8 mm。在106 kN预应力下，最大桩顶水平位移为56.5 mm。在127.2 kN预应力下，最大桩顶水平位移为52.2 mm。在148.4 kN预应力下，最大桩顶水平位移为51.4 mm。在169.6 kN预应力下，最大桩顶水平位移为50.3 mm。在180.2 kN预应力下，最大桩顶水平位移为63.3 mm。在190.8 kN预应力下，最大桩顶水平位移为69.7 mm。在212 kN预应力下，最大桩顶水平位移为84.2 mm。

图2 桩顶位移与时间关系曲线

随着预应力的增加，桩顶水平位移不断增大，对支护结构施加预应力，可以增加墙外侧主动土压力的应力水平，当土体发生剪切破坏后，旋喷锚锚固段周围土体塑性区不断增大，应变不断增大，锚固段周围摩阻力不断减小，支护桩水平位移不断增大。

3.3 锚固段长度影响分析

在0.8 Ru预应力以及其他情况一定的条件下，在软土蠕变效应作用下通过施加不同锚固长度来分析桩锚支护体系的变化。设置锚固段长度分别为5 m、8 m、10 m、15 m。

表4 土方完成后桩顶侧向位移表

图3中反映了在软土蠕变作用下桩顶位移的变化，在时空效应作用下，水平位移不断增大并逐渐趋于稳定。

图3 桩顶位移-时间关系曲线

监测土方施工完成后第12 d支护桩侧向位移情况，锚固段长度为5 m时，最大侧向位移为55.8 mm。锚固段长度为8 m时，最大侧向位移为44.8 mm。锚固段长度为10 m时，最大侧向位移为37.8 mm。锚固段长度为15米时，最大侧向位移为35.8 mm。图4为四种不同锚固段长度情况下桩体侧向位移的情况，锚固段长度不断增大，位移不断减小并且也存在一临界锚固长度。

图4 支护桩侧向位移-深度关系曲线

通过以上分析可以看出，桩+旋喷锚支护结构变形影响因素主要体现在预应力以及锚固段长度等几个方面。因此，结构设计过程等中，应考虑这几方面因素，选取合理参数值。

4 结论

（1）在软土基坑中，不能单一将软土蠕变效应与预应力锚杆锚索锚固系统分开考虑，应基于两者之间的耦合效应进行研究。由上述表可知，当预应力处处于较低的应力水平时，软土处于衰减蠕变过程中，此时所造成的反向拉力较小，锚固段周围软土处于较低的应力水平中，因此造成软土应变较小，桩的水平位移变化逐渐趋于平稳。随着预应力不断增大，当软土处于较高的应力水平时，软土应变处于非衰减蠕变过程中，软土摩阻力减小，桩水平侧向位移不断增大。

（2）在预应力支护体系中，《建筑基坑支护技术规程JGJ 120 -2012》中指出锚杆锁定值宜取锚杆抗拔力特征值的 0.75～0.9 倍，但在软土蠕变的基坑工程中，预应力值太大造成较大位移变化.《高压喷射扩大头锚杆技术规程 JGJ/T282-2012》中指出预应力在基坑工程中宜取抗拔力特征值的60%～85%。根据本次模拟以及软土规范所取值，综合得出在流变软土工程中，预应力宜取抗拔力特征值的60%～80%。

（3）在软土蠕变效应作用下，锚固段长度不断增大，基坑支护结构变形不断减小，并且趋于一定值。