首层锚杆参数对基坑坡顶变形影响的有限元分析

杨文吉 焦兆利 孙国帅（河北工程大学 土木工程学院，河北 邯郸 056038）

首层锚杆参数对基坑坡顶变形影响的有限元分析

杨文吉 焦兆利 孙国帅
（河北工程大学 土木工程学院，河北 邯郸 056038）

摘 要：在以往论文中，研究土层锚杆参数对支护结构结构变形及稳定性的影响很多。本文在此基础上，重点通过Plaxis有限元软件分析研究锚杆支护中首层锚杆参数对基坑坡顶的变形影响，为锚杆支护设计提供一定的参考价值。

关键词：锚杆；基坑；变形；有限元

1引言

在基坑工程中，基坑变形对支护结构和周围建筑的影响是非常大的。控制基坑变形将大大减少基坑工程事故的发生。本文着力从首层锚杆的设置长度方面，总结以往室内模型试验的研究成果以及结合工程实例运用plaxis有限元软件来探讨首层锚杆参数对基坑坡顶变形的影响。

2室内模型试验总结与分析

在汪班桥等人的室内模型试验和有限元计算模型设计中得出的结论：在荷载作用下，靠近坡顶部的锚杆应变最大，其余的几排锚杆应变较小．也就是说，由于在坡体上方施加荷载所引起的局部应力集中，在锚杆支护中，坡顶部锚杆相对其他部位锚杆承受的荷载较多．从该结论中我们可以看到，加强首层锚杆的设计对控制坡顶变形是具有一定的意义。

3工程实例及有限元分析

某基坑工程开挖深度为10m，宽度为20m，采用0.35m厚的混凝土地下连续墙加两排锚杆支撑，上排锚杆长17m，倾斜角为20°，下排锚杆19m，倾斜角为20度。地面附加荷载为q=10.0kPa，基坑深度范围内无地下水，如表1所示。

利用有限元软件Plaxis8.2对基坑工程进行数值模拟，几何模型采用平面应变模型，单元设置为15节点，水平方向取40m，竖直方向取20m，地面超载取10kN/m2。由于基坑深度范围内无地下水，因此模拟过程不考虑基坑降水问题。为了更好的模拟土体行为，体现初次加载和卸载-再加载之间的刚度差异，本模型采用先进的HS模型进行模拟。

4有限元分析模拟结果

图1给出了基坑开完过程的基坑水平位移图，从该位移图我们可以看出在首层锚杆锚固端的中上部分向前的附近区域出现位移最大，沿着锚固端中部阴影区域成一竖直的位移面，从锚杆端中部位移成斜向下的滑移面，在这些最大位移面围成的区域，也是坡体发生位移最大的区域，这与德国学者Kranz提出的验算锚杆内部稳定性的假设具有一致性，首先在首层锚杆端部竖直向上形成以拉裂面，叫做“代替墙”，在其下部分区域形成一滑移面，整个土体处于不稳定状态，属于锚杆端部深层滑缝导致的土体稳定性破坏。该破坏模式的发生，首先在其锚杆锚固端中部出现，这也恰好与图1中该处的的位移最大相同，因此验算锚杆内部稳定性的必要性也非常重要。这样的破坏模式也常常会在锚杆端部地表出现一道平行基坑的裂缝，这道地表裂缝的开展最有可能发生的是在首层锚杆端头。

5 锚杆自由端长度对坡定水平位移的影响

本方案在plaxis有限元软件模拟的基础上，保持第二层锚杆和其它条件不变，只调整首层锚杆自由端的长度，来模拟坡顶土体水平位移变化，将模拟出来的数据绘制成图表，如图2所示，从曲线中分析得出锚杆自由端长度从5m到8m，坡顶水平位移大致成线性变化，到9m的时候成水平直线，坡顶水平位移不再变化，说明调整锚杆自由端的长度只是在一定范围内能起到对坡顶水平位移的限制作用，超过一定适当范围，增加锚杆自由端长度将不再起到限制坡顶水平位移作用，或从曲线中看到，超过9m，坡顶水平位移突然陡增，预示坡顶土体产生滑坡的征兆，这跟锚固端深入土体太深有关，对浅层土体的位移限制作用，锚杆锚固端的贡献作用越来越弱，导致浅层土体的位移急剧增加，因此在程序还没有模拟完最后的工况，软件终止模拟，弹出‘土体破坏’提示。

图1 基坑水平位移

图2 不同锚杆自由端长度下坡顶水平位移

表1土层厚度及物理力学性质

结语

（1）为避免土层锚杆端头在坡顶地表产生沿着基坑平行方向的裂缝，建议运用Kranz法验算首层锚杆内部稳定性，确保锚杆长度满足变形及稳定性要求。

（2）从以上分许可以得出，首层锚杆对于控制坡顶变形有着一定的影响。适当的加长锚杆自由端长度，可以控制基坑坡顶水平位移；超过一定范围的增加锚杆自由端长度，将不会起到控制坡顶水平位移，反而会加剧基坑坡顶的水平位移。

参考文献

[1]汪班桥，门玉明．土层锚杆的内部稳定性分析[J].西安建筑科技大学学报：自然科学版，2010，42（03），382-386.

中图分类号：TU470

文献标识码：A