基坑支护锚索预应力损失数值模拟

通过FLAC3D建立了一个桩锚体系的数值模型，并对模型计算结果的水平位移和竖直位移加以分析，说明建立的模型较适合，得到了比较理想的结果。通过总结现场施工理论，可为指导后续类似工程建设参考。

预应力锚索自工程应用以来，已经越来越频繁地应用于众多的实际工程中，包括水利水电、矿山、公路铁路及大多数的基建工程中，可以说预应力锚索及其支护体系已经成为边坡和基坑支护的主要手段之一。预应力锚索凭借其在改善边坡岩土体应力分布，提高岩土体的整体的承载力和完整性方面发挥越来越重要的作用，已经广泛应用于世界各地。但锚索预应力的损失及其影响因素的作用机理仍然不是特别明确，尤其是对于较破碎岩土体的边坡，与工程实践相比还有很多不足，缺乏深入系统的理论研究，并且近几年的预应力锚索边坡因锚索失效导致的滑坡也造成了极坏的社会影响。

1工程概况

旧城及棚户区改造项目位于贵阳市，场区东侧紧邻河滨公园，交通便利。该项目所在场地按建设需要划分为3个地块，其上拟建有7栋单体建筑，规划用地面积65986m2，总建筑面积557007.4m2，建成后将成为贵阳市的地标级城市综合体。开挖后的基坑深度大于30m，将形成高度（19.0~38.3m）不等的基坑边坡。场地基岩为较破碎的白云岩，属于碳酸盐岩系，且位于岩溶发育地段，不良地质作用一般发育，场地复杂程度为二级（中等复杂场地）；场地岩土种类较多，主要为杂填土，红粘土、强风化白云岩及中风化白云岩，性质变化较大，地基等级为二级（中等复杂地基）。

1.1周边环境

工程位于贵阳市瑞金南路旁，北侧临贵州省总工会及一在建高层（31层），南临瑞花巷旁（人员非常密集），西侧为花溪大道。工程周边环境较为复杂，边坡安全等级均为一级。

1.2地层构造及岩性

本场地位于贵阳向斜北部、图云关断层的西侧、五里关背斜的东侧，呈单斜缓倾构造，场区岩体节理较发育，岩体较破碎。

1.3水文条件

（1）地表水场区原为商业用地，场地内无地表水。（2）地下水场地地下水主要是裂隙水、孔隙水和上层滞水。本地区属基岩山区，第四纪松散堆积层分布相对较薄，主要由坡积、残坡积等组成，富水性较差，受大气降水的补给。场区内地下水主要补给源为大气降水，地下水的丰富程度与大气降水的多少成正比，地表水在接受了大量大气降水后由地表快速下渗到岩层孔隙和裂隙，沿裂隙和层隙自高向低通过沟谷排出。

2模型建立

2.1锚索结构单元

岩土体性质的分布充满着不均匀性和不确定性，这主要是由于岩土体的形成经历了亿万年之久，各种构造演化和消解再生使得岩土体有很强的区域性，且初始应力场十分复杂，与工程稳定性相关的岩土体的本构关系与应力路径、成分及结构等都受到众多因素的影响和制约，因此，岩土体与结构相互作用的数值模拟一直是一个值得关注的难题，FLAC3D提供了许多种结构单元模型，包括锚索单元、桩单元、壳单元等。锚索的锚固作用主要是依靠外锚固段和内锚固段的固定，然后通过钢绞线的预应力对岩土体和支护结构施加影响，控制其变形。内锚固段的固定主要来自于水泥砂浆的连结。

2.2数值模型建立

通过对基坑工程的地质条件、实际支护和开挖情况及其所处的环境，考虑到数值模拟过程的简化，做出如下假设：（1）岩土体是理想的弹塑性体，服从Mohr-Coulomb的强度屈服准则；（2）不考虑地下水和渗流对工程整体造成的影响；（3）桩锚支护结构中各结构单元均为完全弹性体，支护桩采用弹性本构模型，锚索采用锚索单元。

2.2.1模型基本参数实际工程勘察报告中一般只提供弹性模量E和泊松比，而不直接提供体积模量K和剪切模量G，故需根据公式换算为体积模型和剪切模量。根据岩土工程勘察报告提供的数据，计算得到各层土体的参数。2.2.2模型边界条件旧城及棚户区改造项目位于某市花溪大道北段45号，紧临瑞花巷，场区东侧是河滨公园，因此考虑基坑边的行车动载和地面超载情况，决定对模型施加均布荷载q=30kPa，模型边界是位移边界，同时对模型施加侧向约束和底面约束，是模型的侧向和底面不会产生相应方向的位移。综合上述假定和考虑的条件，建立一个40m×40m×4.5m的模型，模型一共15267个单元体（Zone），18918个节点（Grid-point），共分为6个块，其中块6是红黏土，块5是抗滑桩，块3和块4是强风化白云岩，块2和块1是中风化白云岩。

3数值模拟结果分析

3.1水平位移分析

统计可知，基坑水平位移的最大值为1.33e–2m，即13.3mm。但是最大值出现在了桩的左右两端，很明显是由于土拱效应引起的，这在实际工程中由于冠梁和桩间板的作用会抵消掉，因此这里的最大位移不予考虑。可以看到，桩顶的水平位移才是值得考虑的，桩顶的最大位移约为12mm。结合工程中的实际监测数据，这个数值相对于多数桩来说是比较吻合的，只有少数桩位移较大，超过了20mm，与模型相差较大，这主要是模型并没有考虑实际工程中施工开挖造成的扰动以及岩土体的地质条件差异包括渗流等其他因素所导致的。

3.2竖直位移分析

基坑的最大位移达27.79mm，且出现在了距基坑边缘一定距离的地方，整体沉降出现明显的勺形沉降的规律，与之前分析的规律完全一致，根据之前的实际监测数据，可得出了一个勺形沉降的规律。在整个基坑开挖过程中，最大的地面沉降值达到了27.88mm。在距离基坑最近的点并未出现最的沉降，距离基坑一定距离的点反而是沉降最大的，这个点的距离大约为15m。模拟得出的结果跟实际监测得出的规律一致，这说明影响地面沉降的因素要比水平位移简单得多，用FLAC3D模拟即使是比较简单的模型也可得出比较理想的结果。

3.3锚索轴力分析

首先考虑在一排锚索的状态下，锚索预应力的变化情况，统计锚索在不同计算步数下的轴力值。在计算步数为1000步时，锚索的轴力为900.6kN，而计算到5000步时，锚索的轴力已经下降到832.1kN，单根锚索的轴力随着计算步数的变化而减小。因此这里的计算步数与锚索预应力损失的时间效应是类似的，计算步数的增加即代表着时间的增加。到30000步时，计算已经趋于收敛，此时锚索的轴力为7.737e5N，即737.7kN，锚索的预应力损失了约32.9%，由前面锚索预应力损失监测数据的统计结果可知，1100kN锚索预应力的平均损失约为28.30%，这与模拟得到的结果比较吻合。还可看出，锚索的轴力在计算的过程中不断向锚索的下半段集中，但锚固段末端的轴力相比锚索其他部分没有发生大的变化，整根锚索的轴力分布类似纺锥形。

其次，统计分析加入两根及三根锚索后的锚索轴力。可以得出，锚索的排数增加后，其轴力值的损失是减小的，两排锚索时的最大轴力为794.4kN，轴力损失为28.8%，三排锚索时的最大轴力为836.2kN，出现在第三排锚索中，轴力损失约为24.0%。

4结论

本文借助实例分析和工程建模，利用FLAC3D有限差分软件分析桩锚体系的计算结果，得到如下结论。（1）通过对模型计算结果的水平位移和竖直位移的分析，可以看出模拟结果与实际工程的监测结果是非常相似的，说明本文建立的模型比较适合，得到了较理想的结果。（2）在对锚索轴力的模拟中可得出一些结论，即锚索的轴力在计算的过程中，其轴力是不断向锚索的下半段即锚固段集中的，由上向下呈递增趋势。锚索轴力的损失率与实测值相差不大，这也说明岩土体的性质是影响锚索预应力损失的一个主要因素。（3）对锚索不同初始预应力值的数值模拟，可看出增加锚索预应力可控制支护结构的变形，但是考虑到工程的经济效益，锚索的预应力值大小选取要适当。

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