预应力锚杆柔性支护方法的数值分析

大连理工大学硕士学位论文预应力锚杆柔性支护方法的数值分析姓名朱亚林申请学位级别硕士专业防灾减灾及防护工程指导教师孔宪京20040318摘要预应力锚杆柔性支护方法作为支护深基坑的一种新型支护形式，与其它支护方法相比，该方法由于其经济、可靠、施工便捷、变形小、支护深度大等显著优点，存我困岩二L工程领域中已得到广泛的应用。本文使用非线性有限元方法对预应力锚杆支护进行数值分析研究，以期该技术得到更广泛的应用提供较为科学的依据。首先，采用有限元方法，对预应力锚杆柔性支护进行数值模拟。通过研究基坑的变形，锚杆的受力状态和轴力的分布规律，来分析预应力锚杆柔性支护的力学性能。其次，通过与土钉支护进行数值分析比较，划基坑的控制变形的影响以及本身的受力情况的分析，进一步了解预应力锚杆柔性支护的作用机删。第三，通过列预应力锚杆柔性支护进行结构变参数分析，研究了锚杆长度、锚杆支护倾角、锚杆布置间距、锚杆长度布置方式以及面层厚度的变化对基坑变形和锚杆轴力的影响。最后，对工程实例进行有限元数值分析，与实测结果进行比较。主要研究结论如下1预应力锚杆支护下基坑的水平位移和地表沉降均呈曲线分柿，与土钉支护相似。水平位移最大值发生在基坑顶面，随深度的增加逐渐减小；地表沉降最大值发生在坑壁处，随离坑壁距离的增大而减小。2锚杆在自由段范围内轴力相同，随丌挖深度加深，自由段轴力增加；锚杆锚固段的轴力与自由段相连处轴力最大，其后轴力逐渐减小，末端为零。3锚杆所施加的预应力大小对基坑位移影响很大。随着锚卡T顸应力的增加，基坑位移大幅度减小，但当预应力施加到一定大值之后，对基坑位移的影响幅度较小。4在艄列条件下，即使土钉帕J距变小，土钉支护下的基坑位移比预应力锚杆支护下的位移都大，可见对于变形要求严格的基坑，预应力锚杆支护由于施加了预应力比土钉支护能更有效控制基坑位移。5通过对预应力锚杆支护的结构参数进行变化研究，建议锚杆的布置方式将上下各排锚杆取成等氏，或将顶部锚杆做的长些等一些定性规律。6通过对工程实例的计算分析，验证了模型建立的合理性以及采用预应力锚杆支护深基坑的可行性。关键词预应力锚杆，基坑支护，非线性有限元，位移和变形，参数变化ABSTIACTTHEPRESTRESSEDANCHORFLEXIBLERETAININGMETHODISANEWKINDOFEXCAVATIONSUPPORTTECHNOLOGY，ITHASBEENWIDELYAPPLIEDINTHEPRACTICALENGINEERINGOFCHINABECAUSEOFTHEIRADVANTAGES，SUCHASLESSINVESTMENT，SAFETY，CONVENIENTINCONSTRUCTION，SMALLDISPLACEMENTANDAPPLICABLETOSUPERDEEPEXCAVATIONCOMPAREDWITHOTHERRETAININGMETHODSINTHISPAPER,THEPRESTRESSEDANCHORFLEXIBLERETAININGMETHODISNUMERICALLYANALYZEDUSINGNONLINEARFINITEELEMENTTOPROVIDESOMESCIENTIFICBASISFORITSBROADAPPLICATIONATFIRSTAFINITEELEMENTMETHODISUSEDFORTHENUMERICALLYANALYSISOFPRESTRESSEDANCHORFLEXIBLERETAINING，THEMECHANICSOFITSPERFORMANCEARESTUDIEDBYRESEARCHINGTHEDEFORMATIONOFEXCAVATION，THEFORCEOFANCHORANDTHEDISTRIBUTIONOFAXIAIFORCESECONDLY,THEEFFECTSOFDEFORMATIONOFEXCAVATIONANDTHEINTERNALFORCEAREANALYZEDTHROUGHTHECOMPARISONWITHSOILNAILING，WHICHINDICATESTHEMECHANICSOFTHESUPPORTMOREDEEPLYTHIRDLY,BYSTUDYINGTHEEFFECTSOFTHESTRUCTURALPARAMETEROFTHEPRESTRESSEDANCHORFLEXIBLERETAINING，ATTENTIONSAREPAIDTOTHEPROBLEMS，SUCHASDIFFERENTANCHORLENGTH，ANCHORSPACE，SHORINGOBLIQUITYANDSURFACETHICKNESS。THEEFFECTSOFTHESEFACTORSOILTHEDEFLECTIONOFEXCAVATIONANDINTERNALFORCEOFANCHORARECONSIDEREDFINALLY,THEPROJECTISSTUDIEDBYTHEFINITEELEMENTANALYSISMETHODANDTHECALCULATEDRESULTSARECOMPAREDWITHTHEMEASUREDRESULTSSOMESIGNIFICANTCONCLUSIONSAREREMARKEDASFOTLOWS】THEHORIZONTALDISPLACEMENTANDVERTICALDISPLACEMENTOFEXCAVATIONSHOWCURVEDISTRIBUTIONUNDERRETAININGOFTHESYSTEM，WHICHISCONFORMTOTHESOILNAILINGTHEMAXIMUMHORIZONTALDISPLACEMENTOCCURSONTHETOPOFEXCAVATIONANDHORIZONTALDISPLACEMENTDECREASESALONGTHEDEPTHTHEMAXIMUMVERTICALDISPLACEMENTOCCURSINTHESIDEOFEXCAVATIONANDVERTICALDISPLACEMENTDECREASESWITHDEPARTINGTHESIDEOFEXCAVATION。F2THEAXIALFORCESOFANCHORARESAMEINTHEFREEPARTTHEAXIALFORCEOFTHEFREEPARTINANCHORISINCREASEDWITHTHEALONGDEPTH，THEMAXIMUMANCHORAXIALFORCEOCCURSINCOTERMINOUSWITHTHEFREEPARTANDATFIXEDPARTOFANCHORTHEN，THEAXIALFORCEISGRADUALLYDECREASESANDTHEENDBECOMESZERO。3THEANCHORPRESTRESSINFLUENCESDISPLACEMENTOFEXCAVATIONGREATLYTHEDISPLACEMENTOFEXCAVATIONDECREASESWITHTHEINCREASINGOFANCHORPRESTRESSHOWEVER，WHENTHEANCHORPRESTRESSREACHABIGVALUE，ITSINFLUENCESISSMALL4ATTHESAMECONDITION，EVENIFTHESPACEOFSOILNAILINGDECREASES，THEDISPLACEMENTISBIGGERTHANTHEANCHORRETAININGSOTHEPRESTRESSEDANCHORFLEXIBLERETAININGMETHODCADCONTROLDEFORMATIONMOREEFFECTIVELYATTHESTRICTDEFORMATIONREQUISITIONN5BYSTUDYINGTHEEFFECTSOFTHESTRUCTURALPARAMETERSOFTHEPRESTRESSEDANCHORFLEXIBLERETAINING，ITISPROPOSEDTHATTHEANCHORSHOULDBETHESAMELENGTH，ORINTHEUPPERSHOULDBELONGEN6BYCALCULATINGANDANALYZINGTHEENGINEERINGPROJECT，THECORRECLNESSOFMODELANDTHEFEASIBILITYOFRETAININGMETHODUSINGTHEPRESTRESSEDANCHORINTHEDEPTHEXCAVATIONAREVERIFIEDKEYWORDSPRESTRESSEDANCHORRETAININGFOREXCAVATION；NONINEARFINITEEIEMENTDISPIACEMENTANDDEFORMATIONSTRUCTURAIPARAMETERSIIL第一章绪论11基坑支护工程的主要内容与特点111基坑支护工程的主要内容建筑基坑支扩工程是岩土工程的一部分，而岩土工程是近40年来在国外一些发达国家发展起来的一个褶对独立于木工程的专业性技术领域。在工程实践的推动下，岩士工程在学术界亦形成了门新兴的学科。在固内，岩土工程技术早已存在，但形成一个相对独立的工程技术行业以及一种新的学科足最近20年的事，是执行改革歹1放政策以来岩土工程体制改革与建设的结果。建筑基坑支护工程是指建筑物或构筑物地下部分施1时，需丌挖基坑，进行施工降水和基坑周边的围挡，同时要对基坑周围的建筑物、构筑物、道路和地下管线进行监测和维护，确保正常、安全施工的一项综合性工程，其内容包括勘探、设计、施工、环境监测和信息反馈等工程内容。基坑支护工程的服务工作面几乎涉及所有土木工程领域，如建工、水利、港口、路桥、市政、地下工程以及近海工程等领域。基坑支护随着地区岩土性质不同而有很大差异，所以基坑支护技术有着“先实践，后理论”和“地区性”特点。建筑基坑支护工程是地下基础旋工中内容丰富且富于变化的领域。工程界已越来越认识到建筑基坑支护工程是一项风险工程，是一门综合性很强的新型学科，它涉及到工程地质、土力学、基础工程、结构力学、原位测试技术、施工技术、土与结构相互作用以及环境岩土工程等多学科问题。基坑支护工程大多是临时性一程，I翌经费限制很紧，而影响基坑支护工程的因素很多，例如，地质条件、地下水情况、具体工程要求、天气变化的影响、施工顺序及管理、场地心圈环境等多利凶素影响，可以说它又是一门综合性的系统工程。建筑基坑支护工程的设计与施工，既要保证整个支护结构在施工的安全，又要控制结构和其周围土体的变形，以保证周围环境的安全，如相邻建筑及地下公共设施等。在安全前提下，设计要合理，又能节约造价、方便麓工、缩短工期。要提高基坑支护工程的设计与施工水平，必须正确选择土压力、计算方法和参数，选择合理的支护结构体系，同时还要有丰富的设计和施工经验教训。建筑基坑支护工程的发展与建筑业的发展密切相关。由于城市化的快速发展，城市人口超饱和，建筑空间拥挤和城市绿地减少，导致我国的高层建筑如斟后春笋般拔地而起。1990年以前高层建筑较少，基坑丌挖深度较浅，基坑支护多以放坡丌挖或悬臂式支护为主。1990年以后高层建筑逐年增多，基坑开挖也逐渐加深，再以放坡丌挖或悬臂支护已经不经济了，并难以满足要求，所以多以桩锚支护为主，桩锚支护在技术上虽然安全可靠，但工程造价较高。1994年以后，随着高层建筑的日益增多，对深基坑支护技术的要求也越来越高，从而出现了土钉和预应力锚杆等综合支护技术。该技术的出现为深基坑的开挖带来巨大的经济效益和社会效益，因为它们不需要单独的施工工期，可以与挖土同步施工，旌工速度快，工程造价低，而且在技术上安全可靠卜”。112基坑支护工程的主要特点基坑工程主要包括基坑围护结构设计及麓工及土方丌挖，是一项综合性很强的系统工程，它要求岩土工程和结构工程技术人员密切结合。基坑支护结构是临时结构，在地下工程施工完成后，基坑支护体系就不再需要。它具有以下几个特点14。】1基坑支护结构的风险大。基坑支护结构是临时的，安全储备较小，具有较大风险性。基坑工程施工过程中应进行监测，并应有应急措施。在施工过程中旦出现险情，需及时抢救。2基坑支护具有很强的区域性。不同的地区工程地质条件和水文地质条件都不同，且差别较大，因而基坑围护结构设计及施工与开挖方式都应因地制宜，根掘本地情况进行，外地的经验只可作为借鉴，不可生搬硬套。3基坑工程综合性很强。它不仅需要岩土工程的知议。也需要结构工程方面的知识，I司时影响基坑支护的因索也很多。所以要求基坑支护工程的设计者，应该具有多方面的综合专业知识。4存在的一些不确定因素。基坑支护结构设计时土压力的确定是基本的，同时也是很难准确掌握，在开挖过程中它时一个变量，随开挖深度、宽度、墙体横向和纵向位移、地下水情况而变，在设计中必须同时考虑这些因素，否则很难得到正确的结论。传统的单纯考虑强度和稳定的设计方法明显不适用，只有同时考虑强度、稳定、变形、土与墙体的共同作用及开挖过程的设计方法爿是比较科学的，有限单元法就是这样一种方法。5基坑工程具有较强的时空效应。基坑的深度和平面形状对基坑支护结构稳定性和变形有很大的影响，在基坑支护体系设计中要注意基坑工程的空问效应。土体是蠕变体，特别是软粘土，具有较强的蠕变性。作用在支护结构上的土压力随时问变大，蠕变将使强度降低，将使土坡稳定性减少，即基坑工程具有很强的时间效应。6基坑工程的环境效应。基坑开挖势必引起周围地基中地下水位的变化和应力场的改变，导致周围地基土体的变形，对相邻建筑物、构筑物及地下管线产生影响。大量土方运输也将对交通产生影响。因此基坑工程的环境效益应给予重视。第一章绪论12基坑支护工程的发展概况基坑工程是一项古老的工程技术，又是一门新兴的应用学科。放坡开挖和简易木桩围护可以追溯到远古年代。事实上，人类土木工程的频繁活动促进了基坑工程的发展。特别是在20世纪，随着大量高层、超高层建筑以及地下1程的不断涌现，对基坑工程的要求也越来越高，出现的问题也越来越多，促使工程技术人员以新的眼光去审视基坑工程这一古老课题，使许多新的经验、理论和研究方法得以出现和发展。在20世纪30年代，TERZAGHI等人已丌始研究基坑工程CF_L的岩二卜程问题。在以后的时间单，世界各国的许多学者都投入了研究，并不断在这领域取得_广丰硕的成果。基坑工程在我圈进行广泛的研究是始于80年代初，那时我固的改革开放方兴未艾，基本建设如火如茶，高层建筑不断涌现，相应地基坑埋深不断增加，基坑开挖深度也不断发展；特别是到了90年代，大多数城市都进入了大规模的旧城改造阶段，在繁华的城区内进行深基坑开挖的环境效应问题，从而进一步促进深基坑开挖技术的研究与发展，产生了许多先进的设十T、计算方法，众多新的施工艺也不断付诸实施，出现许多技术先进的成功工程实例。然而不容回避的事实是，由于基坑工程的复杂性以及设计、施工的不当，基坑工程发生事故的概率仍然很高。任何一个工程方面的课题的发展都是理论与实践密切结合并不断相互促进的结果。基坑工程的发展往往是一种新的支护形式的出现带动新的分析方法的产生并遵循实践、认识、再实践、再认识的规律，丽走向成熟。早期的开挖常采用放坡的形式，后来随着丌挖深度的增加，放坡面空问受到限制，产生了支护丌挖。迄今为F卜，支护型式已经发展至数十种以上。从基坑支护机理来讲，基坑支护方法的发艘最早有放坡开挖，然后有悬臂支护、内撑或拉锚支护、组合型支护、土钉支护、预应力锚杆支护等。基坑支护工程的又一个重要进展是岩土工程信息化施工技术作业的运行。信息化施工原理和环境效应问题被注意并付诸行动，这不仅是岩土工程技术本身的进步，更是岩土工程界直至社会各方面在岩土工程总体意识上的更新、进步和发展。岩土工程监测技术的进步和发展，则是岩土工程信息化得以实施的强有力的物质基础和技术保障。前者具体表现在两个方面一是监测方法及仪器本身的进步二是监测内容的不断扩大与完善。分析方法的不断提高，如土体竖向位移和侧向位移、土体侧向压力、孔隙水压力以及施工环境诸因素和对象的反映监控等都能较全面地得到实施。日IM随着科技的发展，特别是电子计算机的广泛应用，极大的推动了各种新的设计计算理论和先进的测试技术被用到基坑工程中。岩工程中非线性计算和数值分析方法得以具体操作和实现，促进了岩土本构关系和计算从线性到非线，眭的质变GLOL。大连理T火学碗卜学位论义13基坑支护方法的简介与分类131支护方法简介基坑支护的方法有很多，具体工程中采用何种方法主要根据基坑丌挖深度、岩七性质、基坑周边场地情况以及施工等因素综合考虑决定。曰时在工程中常用的支护方法有悬臂式支护结构、水泥土重力式支护结构、内支撑式支护结构、拉锚式支护结构、土钉支护、复合土钉支护及预应力锚杆柔性支护。护壁桩和地下连续墙是基坑支护的挡土结构，其种类如图11所式。人工挖孔桩的历史最长经过逐步发展演化才出现了钻孔桩、钢板桩及深层搅拌桩。地下连续墙用于工程中的时间大约有半个世纪，包括钢筋混凝土连续墙和桩排式连续墙，水泥十连续墙则是另一种新颖的地下连续墙。F、工挖孔灌注桩I机械钻孔灌注桩I钢筋混凝土预制桩护壁桩钢板桩型钢桩钢管桩深层搅拌桩F钢筋混凝土连续墙地下连续墙J桩排式连续墙L水泥土地下连续墙图IL护壁桩和地F连续墙的分类FIG1ITHESORTOFGUARDPILEANDSLURRYCONCRETEWAL深层搅拌技术由F本首创于20世纪60年代，我国在70年代未方致力于这项技术的“发和应用于工程实践中。深层搅拌桩是利用深层搅拌机械在软弱地基内，边钻进边往软土中喷射浆液或雾状粉体，同时借助于搅拌轴旋转搅拌，使喷入软土中的浆液水泥浆、水泥砂浆或粉体二F石灰粉、水泥粉与软土充分拌合在一起，形成抗压强度比天然土高的多并且具有整体性和水稳定性的桩体。水泥土连续墙是靠深层搅拌桩与桩的搭接而形成的，桩的搭接是保证水泥土连续墙抗渗漏性的关键。为加强整体，减小变形，可在搅拌桩中插入钢材如H型钢、钢管等加固，即形成加筋水泥土连续墙”J。132支护方法分类经过J“入科研人员和I程技术人员的探索和实践，为适用不同的地质条件和环境条件，设汁者针对不同的工程实际，往往会根据当地建筑材料、施工条件等设计出不同的结构型式。目前我国基坑支护的方法较多，其分类方法也较多。下第一荜绪论面分别介绍四种分类12,4JI按开挖方式分类在现代化的大都市简单易行廉价的无支护开挖几乎没有市场，更多的是有支护丌挖，因此产生了许多支护方式，深基坑开挖分无支护开挖和有支护开挖两大类，如图L一2所示。2按挡土挡水和支撑锚拉结构分类支护结构分挡土挡水及支撑拉结部分，而挡土分布冈地质水文条件情况不同义分为透水部分及止水部分。透水部分的挡土结构需在基坑内外设排水降水井，以降低地下水位。止水部分挡土结构主要不使外地下水进入坑内，如做放水帷幕、地下连续墙等，只在坑内设降水井，分类如图卜3所示。LF垂直开挖I澍聪一淼嬲胧III井点降水放坡开挖L。LFF钢板桩，钢管桩，组合钢桩IL艄埘胧黧鬣ILI地下雠刑撇支护开挖内支撑支护开挖一平面方向横粱锈翻成的曼粼系F在各F愠臂式支护结构物匕士曾加锚定式支护开挖单层或多层预应力或非预应力I锚定结构护壁注浆加固开挖化学帷幕护壁开挖钢丝网水泥土护壁开挖坑壁土F本力口固开挖土钉墙护壁开挖壁面喷射混凝土护壁开挖插筋补强护壁开挖网状I列糯L桩加固图12按开挖方式分类FIG12THESORTOFDUGMODE人连_L丁人学坝I。学位论文支扩，结构挡土部分透水挡土结构止水挡土结构支撑拉结部分1H型钢、字钢桩加插板2疏排灌注桩钢丝网水泥抹面3密排桩灌注桩、预制桩4双排桩挡土5连拱式灌注桩6桩墙合，地下室逆作法7土钉支护8插筋补墙支护I地下连续墙2深层搅拌水泥桩、墙3深层搅拌水泥桩灌注桩4密排桩削FI高压喷射水泥桩5密排桩问化学注浆桩6钢板桩7闭合拱圈墙1自立式悬臂桩、墙2锚杆支护锚拉梁、桩3土层锚秆4钢管、型钢支撑水平撑5斜撑6环梁支护体系7逆作法施工图13按挡土挡水和支撑锚拉结构分类FIG13THESORTOFBULKHEADWALL，RETENTIONWALLANDSUPPORTANCHORWAL3按支护结构的刚度分类按支护结构的刚度将基坑支护方法分为刚性支护法和柔性支护法，如图14所示。1刚性支护结构其特点为支护结构依靠自身的结构刚度和强度被动地承受土压力，限制土体的变形，从而保持边坡安全稳定。有人工挖孔桩、机械钻孔桩、预制训筋混凝土桩、钢板桩、钢管桩、支撑围护结构及地下连续墙等。2柔性支护结构其特点为通过不同的途径和方法提高土体的强度，使支护材料与I体形成共同作用体系，从而达到支护的目的。有土钉支护、复合土钉支护、预应力锚杆支护等。柔性支护技术是当前HI,内外较为流行的方法，在基坑支护工程中占主导地位，其最大的特点在于安全度较高，施工简单方便，工期较短，造价低，噪声污染小，弥IT传统支护方法的许多缺点，因此深受岩土工程界的青睐。例如，土第一帝绪论钉支抄T，复合土钉支护和预应力锚杆柔性支护等。根据TERZAGHI的试验和研究，剐性支护结构的土压力分布可按经典的库仑和朗肯土压力理论计算得到，实验结果表明，只要支护结构的顶部位移不小于其底部的位移，土压力沿垂直方向分布可按三角形计算，与上述理论大体一致，刚性支护法的几种支护形式作为挡土结构的桩墙均嵌入基底以下一定深度，般情况下支护结构项部位移不小于底部位移。如果支护结构底部位移大于顶部位移，土压力将沿高度近似呈抛物线分布。而对柔性支护结构而占，作为挡土结构底面层刚度小乱不嵌入基底即不生根，其位移和土压力分御情况比较复杂，由于挡士结构不嵌入基底，结构上、下均向坑内移动，凶此大致的梯形土压力分布规律是叮参考应用的。支护结构的刚度分类刚性支护方法悬臂式支护结构萎鬈鬈妻萎拉锚式支护结构警嚣妻篆内撑式支护结构鬈羹妻蓑水泥土重力式支护结构F土钉支护柔性支护方法复合土钥1支护1预应力锚杆柔性支护图14按支护结构的刚度分类FIG14THESODOFTHERIGIDITYOFSUPPOASTRUCTURE41按支护结构体系的受力状态分类J按支护结构体系的受力状态分为主动支护方法和被动支护方法，分别如图15所示。支护结构的受力状态分类F拉锚式护支护主动支护方法预应力锚杆柔性支护1复合土钉支护土钉预应力锚杆F悬臂式支护被动支护方法愫蒿芸支护L土钉支护幽15按支护结构体系的受力状态分类FIGI5THESORTOFTHESTRESSSTATEOFSUPPORTSTRUCTURE从匕图可知，主动支护方法中得几种形式中都使用了预应力锚杆，通过施加预应力，使体单元的抗剪能力提高，延缓了滑裂面的形成，改变了岩士体的受力状态，主动约束了支护结构的变形；而被动支护则需借助岩士体产生的微小变形，4能使支护结构受力。因此。这两种支护形式的受力状态是不同。另外，根掘士体力学性质，将以上两种支护方法同时应用于同一个基坑工程。，即组合形式。这种支护形式已经在许多工程中得到了成功的应用，如土钉颁应力锚十|等支护技术，表现出很大的优势和潜力。14基坑支护的计算方法基坑支护结构设计的关键是对支护结构进行F确的模拟和内力分析，而正确的内力分析是由萨确的方法而来。目前，分析方法针对不同的支护结构有很多，大体卜可分为传统的分析方法和现代数值分析方法。141传统分析方法投是台考虑支护结构的侧向位移将分析方法分为两类，一类是不考虑挡土结构侧向位移的方法，如平衡方法也称自由端法、弹性曲线法、等值梁法也称假想铰法、TERZAGHI法也称塑性饺法、等弯距及等轴力法等，它们不考虑墙体的变形，单纯从强度、稳定的方面来考虑。另一类足考虑挡土结构侧向位移，有共同变形法、“M”法等，这类方法的优点是考虑了挡土结构的变形，与前者比较研究角度不同。同本通常采用“山肩帮男法”、“弹性法”、“弹塑性法”等分析法，这类方法模型简单，仅用静力平衡就能求出其内力，但是它只计挡土结构的变形，不计支撑的变形。而传统的分析方法都是在极限平衡分析的基础上设计的，他们有共同的缺点。如下1用极限平衡理论设计的支护措施，是针对先开挖后填筑的情况设计的它研究的土体是人工填土，它研究的平衡是主动平衡和被动平衡，而要达到这样的平衡，需要挡土墙顶产生足够的位移。而对于深基坑行挖工程来说，基坑丌挖的实际情况是在设置支护措施之后，再在基坑内开挖土方，支护结构允许的变形很小的，凶而这时的平衡是界于主动平衡和被动平衡之问的一种平衡形式，并且它所研究的土体是多年形成的具有一定强度的天然土体。2凶为极限平衡理论不能考虑歼挖过程中的一些重要因素，如作用于支护结构上的土压力与支护形式开挖速率等多种因素有关，从而它不能准确预测基坑JT挖过程中的位移和稳定情况。3传统的设计思想是用强度和稳定来控制验算的。而在深基坑支护结构的设计中，随着摹坑深度的加大及环境条件的复杂化，对深摹坑支护结构设计的要求愈加严格，特别是基坑工程周边的建筑物或地下管线或隧道的抵抗变形及彳I均匀变形的能力是有一定限制。除了考虑强度和稳定，还必须考虑变形，土体与G第一章绪论支护结构的棚JI关系。4传统的极限平衡方法往往不能很好解决土体本身的复杂性，如_E线性、材料的不均匀性、各向异性及复杂的边界条件等。412数值方法目前，有限单元法以其简单且易于规范化、程序化等优点是基坑工程计算的首选的数值分析方法，尤其是现代计算技术飞速发展的今天，为有限单元法的发展提供了强大的物质摹础J。在基坑开挖现状的研究中，有限单元方法把支护结构、上都划分为单元，单元町以采用相应的本构模型。该方法能够模拟土与支护结构的复杂力学行为，它不仅可以从整体上分析支护结构及周围土体的应力与变形性状，而日还J以片J于动念模拟计算同时，不仅可为事前没计方法与方案进行比较，而日也U，为信息反馈施工管理提供即时处理的手段。采用的有限元主要有以下几种【L。”L”杼系有限元法将基坑底面以上的墙体理想化为横梁单元，将入土部分的墒体作为弹性地基梁，将支撑或锚杆作为两端铰结的弹性支撑件，可与墙体成任意FF】度。这科一方法的优点是存储规模小，便于微机应用，并且可以体现支护多步分析的设计思想，分析开挖每一阶段支护体系的变形，其计算精度也可达到较高的水平，因此它比较常用，主要能适用于沿纵向断面无突出变化的地下连续墙或桩柱式墙。它的缺点是设计过程是复杂的，需要反复的试算，才可能得到一个比较合理的支护体系；它不能模拟整个开挖过程位移场、应力场的动态过程；小能考虑上体的非线性、材利的不均匀性、各向异性及复杂的边界条件等。2弹性地基薄板有限元法将基坑底面以上的墙体理想化为一般薄板弯曲单7I，将入土部分墙体作为弹性地基上的薄板单元，薄板单元可为各向异性，也可以为各向同性，支撑或锚杆可作为附加直杆单元。该方法适用于沿纵向截面有突变如有加筋的梁，柱，肋等以及墙后有集中的地下连续墙。3弹性地基薄壳有限元法将地下连续墙作为出三角形薄板单元组成的壳体将弹性地基作为一附加单元，按文克尔假定化成与每一节点相连接的单独的“弹簧”，支撑或锚杆亦墩为直杆单元，可和墙面成任意角度。该法适用于州时承受垂直荷载和侧向荷载的地下连续墙支护。41按平面应变问题处理的有限元法L“拇J对于长度较大的深基坑，支护结构沿着纵向的荷载变化、位移变化均较小，所以可将其视为平面应变问题，此法考虑了支护结构和土体的相互作用，在进行有限元程序设计时，可将墙体和土体划分为平两四角点、八节点等参元，将拉杆或支撑视为_力杆的一维单元，同时，考虑到支护结构与士体之间在变形过程中会发生错动，所以又增设接触面单元来模拟这利，情况。用平面问题有限元计算时，不必事先假设支护结构上土压力，各单元所受的荷载仅是体力或面力。此法的优点是不仅可考虑土体与支护结构的相互作恩，能难确模拟任意形状和变形方式的支护结构的基坑，在玎挖中的动态人连理T大学硕士学位论文过程，还能将基坑开挖与建筑环境结合起来，求得基坑的隆起量、地表沉陷量以及地层内的擎性区范围及发展过程，还可与土流变柏结合求得各参数的时间效应。这些都是传统的极限平衡法理论无法比拟的。目前，该方法存在的问题是I体的本构关系，土体与支护结构的接触面模拟方面有困难；基坑丌挖实际上是一个空问问题，变形、土压力大小与支护结构形式及支护平面位置有关。5反映空间特点的有限元方法三维有限元201为了模拟基坑支护的空问受力特点，龚晓南等人采用了空|日J实体有限元。我们知道能够通过简化编写出相应的三维程序，但也很难得到完全反映空恻变化的土体参数，这些参数只能采敬近似值，因而计算结果也是近似的，这种近似程度可能比平面计算要高一些。但在实际工程中为方便，大多采用平面有限元分析，基本上能满足亡程实际的需要，目计算的误差在可接受的范围内，因此按平面应变问题处理是切实可行的。总之，对于基坑支护工程进行数值模拟是一个非常复杂的问题。尽管近些年来随着计算技术和计算机的发展，岩土工程的理论研究和工程实践都上了一个新台阶，许多新的数值计算方法在基坑工程中得到广泛的应用，但目前的计算结果J工程实测结果还存在一定的差距。若要提高基坑工程数值分析的可靠性必须解决所选本构模型和输入参数方面的科学性和准确性问题。以前以强度和稳定性控制的设计方法逐步被以变形控制为主的设计方式代替，但基坑的变形计算目前还不够成熟，国内外对基坑工程变形的计算多为经验性、有场地局限性的估算公式。这些问题都有待于进一步解决。15预应力锚杆柔性支护方法的介绍151预应力锚杆柔性支护的研究背景预应力锚杆柔性支护是用于基坑开挖和边坡稳定的一种新型的支挡结构，是由预应力锚杆、面层及锚下承载结构组合而成的，其中预应力锚杆是由众多吨位较小的预应力锚杆组成的系统锚杆。该支护方法由贾金青博士于上世纪九十年代仞提出并用于实际工程中。按照前述的基坑支护方法的分类，可知该方法属于柔性支护法，相对于传统的刚性支护方法，如桩、墙支护，该方法由于其经济、呵靠、施工便捷、变形小等显著优点，在我国岩土工程领域中已得到广泛的应用，其中最早的是用于深度达222米的大连胜利广场基坑支护工程12“。由于强大预应力的作用，改变了基坑的受力状态，减小了基坑的位移，因此纠对一些位移控制要求严格的基坑以及超深基坑的支护，该支护方法能够发挥更大的优势和竞争_1】，因此有必要对该方法进行系统的研究，以期该技术得到更J、泛的推广和应用。第一章绪论152预应力锚杆柔。性支护的基本组成预应力锚杆柔性支护法出预应力锚孝L索、面层、锚下承载结构和排水系统组成，如图16所示。图16预应力锚杆柔性支护法组成FIG16THECOMPOSEOFTHEPRESTRESSEDANCHORFLEXIBLERETAINING预应力锚卡T分自由段和锚固段，锚固段设置于潜在滑移面外的稳定土体中。预应力锚杆索可以采用拉力型、压力型或压力分散型等形式；预应力锚杆杆体可以采用钢筋、钢管、钢绞线等；注浆通常采用常压注浆，并且锚杆全长注浆，通过一定构造措施使锚卡丁在自由段内能自由伸缩，对抗拔力较低的地层，也可以采用二次高压注浆。面层是预应力锚杆柔性支护法的必不可少的组成部分，常采用挂钢筋网喷射混凝土，也可以采用木板或者将木板和喷射混凝土结合共同用作面层，通常需根据具体土层情况和施工季节束确定。山面层厚度相对于传统的桩锚支护、地下连续墙等支护而南，其刚度要小得多，柔性大，这就是称之为预应力锚杆柔性支护法的缘山，以示与桩锚支护的区别，按照支护面层刚度的大小将基坑支护分成了柔性支护体系和刚性支护体系。锚下承载结构简称锚下结构，是预应力锚杆柔性支护法的重要组成部分。在锚杆上施加的预应力通过锚下承载结构传递至需要锚固的岩土体上。锚下结构通常由型钢工字钢、槽钢、挚板、锚具组成。型钢可竖直分段放置，也可水平多跨连续放置或通常连续放置。人连理T人学坝L。学位论立排水系统，通常设置地排水沟，将地表水排走，防止地表水渗透到1二体卜。在地。卜水以下的坑壁上设泄水孔，以便将喷射混凝土面层背后的水摊走。在基坑底部应设排水沟和集水坑，必要时采用井点降水法降低地下水水位。预应力锚胡柔性支护法将锚秆锚固于潜在滑移面以夕卜的稳定岩土体中，对锚杆施加的预应力通过锚下结构和面层对潜在滑移面以外的稳定岩土体进行锚固。由于在非稳定岩土体内设置了自由段，锚杆在自由段中可以自出伸缩，因此预应力刈整个作稳定岩土体进行了主动的约束锚固。153预应力锚杆柔性支护法的施工步骤预应力锚I柔性支护体系采FI从上到下、分层开挖、分层支护的施工方法。具体施I步骤为如图17所示步鼻1开挖无支护护壁步鼻2钻孔钠作、安装锚秆和注浆一步辣3安装锚下构造和唷射程凝土面层步LIT4钳抒曩应力张拉“7“R争吣L，K怒吣遥亨去吣步曩5T复酋步工序直至结_豪幽17预戍力锚杆柔性支护法施I步骤FIGL一了THECON乱UCTLONSEQUENCEOFTHEPRESTRESSEDANCHORFLEXIBLERETAIUIOGT2I丙1分层向下丌挖一定的深度J卜挖深度根掘锚杆的竖向间距、土体白稳高度、锚打钻机类型及锚下结构确定。预应力锚杆的F11J距通常为2030M，丌挖的深度一般约为2030M，每层丌挖位胃在“ILL杆下约0510M，由于预应力锚杆的问距大于土钉间距，每次丌挖的深度也较土钉支护大。2设置预应力锚杆在该层作业面上设置预应力锚杆，包括钻JL、制作安装锚卡R、注浆等几个环节。钻孔需按设计的长度和角度，采用适用于岩土条件的钻进方法成孔。通过一定措施使自由段内的锚杆杆体与注浆体绝缘，以使锚杆在施加预应力时能自由伸缩。3安装锚下承载结构和喷射混凝土先布设钢筋网，然后安放锚下承载结构，锚下承载结构与坑壁应保持一定的问距，喷射混凝土应将型钢翼缘喷满，这样可以提高型钢局部稳定和整体稳定性，同时增加锚下承载结构的刚度。4锚干预应力张拉待注浆体强度和喷劓混凝土的强度达到设计要求，方一】进行预应力张拉。张拉时E叮适当的进行超张拉，以减小预应力损失。预应力张拉同时也是对锚杆质量的一次检验。5继续向下开挖一定的深度，并重复上述步骤，直至设计丌挖深度。若初始丌挖无支护状态或完成一层锚杆支护后再进行向下丌挖而无支护状念下，丌挖面的稳定性存在问题时，可以通过下列途径予以解决开挖完后立即喷射混凝土对土体予以封闭；开挖前设置竖向微型桩；采用跳挖“马口”的方法分段支护。154预应力锚杆柔性支护法的优点预J衄力锚杆柔性支护与其它支护方法比较，其主要优点为1安全性好山于锚杆均为预应力锚杆，对每一根锚杼均进行了张拉，这实际上也是对每根锚牛T的检验，发现有问题的锚杆可以及时进行补救，避免潜在的隐患。另一方面，在使用期间，由于锚杆数量众多，单根锚杆承受的荷载相对较小，即使个别失效对整体影响也不大。2造价低廉二三要有以下两个方面一方面，使用材料包括混凝土、钢材，材料用量远低于桩锚支护及地下连续墙支护；另一方面，土石方开挖和回填工程量少。根据研究调查，预应力锚杆柔性支护仅为桩锚支护工程造价地1312。3施工方便预应力锚杆柔性支护所需的设备主要为钻孔机、喷射机、注浆机及电焊机等，均J,J小型施T设备，操作简便，施工简单，对周围环境干扰较小，特别通合于城大连理工大学坝十学位论文市施丁。4施工工期短传统的桩锚支护或墙锚支护需在基坑开挖前进行混凝土桩或连续墙的施工，丽预应力锚杼柔性支护为边开挖边支护，使石开挖和支护同步进行，因而工期大大缩短。5基坑变形小预应力锚杆柔性支护由于施加了预应力，在土体中产生压应力，减少了1卜体鲤切变形，列时锚固段内砂浆锚固体与岩土心的剪剀变形，以及锚胡的弹性变彤也随着顸应力的施加而相继发生，因此，预应力锚杆柔性支护的基坑变形大大减小。】55预应力锚杆的分类按传力方式分按注浆形式分按F拉力型锚杆压力型锚杆I压力分散型锚杆F常压注浆锚杆I高压注浆锚杆锚固体机理分锚杆分类按锚固体形态分粘结型锚杆摩擦型锚杆端头锚固型锚杆混合型锚杆圆柱型锚杆端部扩大型锚杆连续球体型锚杆按锚杆形成方式分嚣嚣杆按使用年限分纂笑蓑嚣篝I水久性锚朴F孝石譬芝按应用埘象分土层锚轩I海洋锚杆按是否施加预应力分蒙熹烹雾墓杆图18锚杆的分类FI21。8THESORTOFTHEANCHOR，J、，L，Z，L第一章绪论锚杆是预应力锚杆柔性支护法的主要受力结构，锚杆既要提供足够抗拨力，又要力求施工简便。锚杆的种类很多，在实际工程中具体使用何种锚杆，主要根据岩土情况、机具设备情况以及经济效益、工期长短等因素综合虑。锚杆不同的分类方式如图18所示【21T21。156预应力锚杆柔性支护的应用范围预应力锚打支护的应用范围较广，如图】一9所示，主要分为以下几个部分CCIA基坑【料，B边坡I程，C挡十结构，D隧洞T程魁19预庶力锚杆柔性支护在工程中的应_LFFIG19THEAPPLICATIONOFTHEPRESTRESSEDANCHORFLEXIBLERETAININGINTHEENGINEERING1临时性支护主要用于离层建筑、地下结构等深基坑支护，土坡丁J挖等，面层可以使J【J喷射混凝上，也可以使用木板。2永久性支护城市地区的建筑边坡加固，公路、铁路路帮边坡加固，隧道洞口挖方工程加固等。垂直或近乎垂直的开挖施工使开挖量降至最少，同时还减少了公路用地。3原有支挡结构修整加固预应力锚杆可通过原有挡土墙来设置，用来加固或加强原有失效或危险的挡土结构。如已遭受结构破坏或过量扰曲的毛石挡墙或钢筋混凝土挡墙，造成的原因通常是由于松散或软弱回填土以及墙后渗水；由于钢筋腐蚀或回填质量差，损坏了加筋土墙，出现过量挠曲的问题，用该方法进行加固取得良好的效果。参。鋈人连理工人学硕上学位论文16本论文的主要工作预应力锚杆柔性支护方法作为支护深基坑的一种新型支护形式，与其它支护方法相比，该方法由于其经济、可靠、施工便捷、变形小、支护深度大等显著优点，在我园岩土工程领域中已得到广泛的应用如深基坑支护，边坡加固等工程。特别是针对一些位移控制要求严格的基坑以及超深基坑的支护，预应力锚书L柔性支护能够发挥更大的优势和竞争力。但是，作为一种新型的支护方法，不像土钉支护已经有了较为深入的研究，对其作用机理的研究还不够深入，目前还没有一个很好的计算模型能模拟其支护机理及其力学性能的研究。本文基于预应力锚杆支护技术在经济上、技术上、安全上几方面的优良表现，使用非线性有限元方法对预应力锚杆支护进行数值分析研究，以期该技术得到更广泛的应用。针对日前对预应力锚杆柔性支护方法研究的现状，本论文主要进行了以下几个部分的工作1对基坑支护工程进行了概述，以及对预应力锚杆柔性支护方法的组成、施工步骤、特点及分类做了介绍。2采用有限元方法，对预应力锚杆柔性支护进行数值模拟。主要研究了预应力锚杆柔性支护的力学性能，包括基坑的变形，锚杆的受力状态和轴力的分布规律，分析了锚杆所施加的不同预应力大小对基坑水平位移和地表沉降的影响，以及锚杆预应力对基坑土体破坏区范围的影响。3与土钉支护进行数值分析比较，包括它们的作用机理，对基坑的控制变形的影响以及本身的受力情况。计算结果表明在对变形要求严格时，使用预应力锚杆柔性支护比土钉支护更有效地控制基坑变形。4通过对预应力锚杆柔性支护方法工作性能的数值模拟分析，应用该分析方法进行变参数研究。主要研究了锚柯长度、锚杼支护倾角、锚杆斫J置间距、锚杆长度布置方式以及面层厚度的变化对基坑变形和锚轩轴力的影响，对设计和施【。提供了具有指导性作用的建议。5结合工程实例，对其进行有限元分析，并与实测结果进行比较，验证理沦分析的合理性。本文在第六章对所作的工作做了总结，同时对一些不足之处进行了分析说明，指出了一些在广度和深度上需要做进一步研究的地方。第一带项心力锚杆柔性支护的模型建立1。力学性能分析第二章预应力锚杆柔性支护的模型建立与力学性能分析21概述参考文献可知”，预应力锚杆柔性支护的极限平衡分析方法，不能得到任何有关变形的信息。在深基坑开挖过程中，基坑周围的水平位移和地表沉降是不可避免的。当周围有建筑物或市政设施时，控制基坑变形显的更为重要。因此，迫切需要对攮坑丌挖引起的变形分析和预测。基坑_丌挖数值模拟的研究町得到受J、变形等较全面的工作性能，可对基坑工程的设计和施工提供参考性依据。有限元法自50年代发展至今，已成为解决复杂岩土力学问题的有力工具。有限元法能比较容易地处理各种复杂的几何形状和各种类型的边界条件，解决难以用解析法求解的力学问题。特别是近年来，随着计算机应用技术的发展和普及，人们开发了大量实用的有限元软件，其中既有大型通用软件包，如ANSYS、ADINA、MARC等，又有适用于岩土问题的专业软件如FLAC、GEOSLOPE、PLAIX等。有限元法已成为解决实际工程问题的一种有效方法。有限元数值计算方法用于岩土工程问题的分析已经很普遍，但其有效性和可靠性经常受到质疑。有限元方法用于岩土工程问题的确有一定的困难，主要在于土的本构模型的选取，包括模型参数的确定。但是，如果选择合适的模型，将有限元方法用来分析不同参数变化时土工结构力学性能的变化规律还是很有价值的。在基坑丌挖现状的研究中，有限单元方法把支护结构、土都划分为单元，单儿可以采用相应的本构模型。该方法能够模拟土与支护结构的复杂力学行为，它不仅可以从整体上分析支护结构及周围土体的应力与变形性状，而且还可以用于动念模拟计算；同时，不仅可为事前设计方法与方案进行比较，而且也可为信息反馈施管理提供即时处理的手段。本章通过有限元方法建立模型，模拟预应力锚杆支护的施工过程，选择能够反映丌挖特点的土的本构模型，从而建立有限元分析方法，研究预应力锚杆支护的工作机理、基坑的变形和受力特性，以及锚杆不同预应力作用对基坑变形的影响。22锚杆支护的有限元分析221有限元模型的建立在工程实际中，锚杆和土体两种不同性质的材料之所以能够兆同作用，主要是依靠锚柯FN土体之间的粘结。由于钢筋的刚度和土体的刚度相差很大，这样，大连理工人学硕士学位论文III、IJ卜体变形时，锚卡T就通过粘结材料和杆体阳J粘结力与土体共同作用，约束土体的变彤，提高土体的稳定性【2引。因此，在建立预应力锚车T支护有限元分析模型时，必须把支护结构与土体作为一个相互作用桷体系进行分析。对支护体系的有限元模拟，归纳起来有两种模型，即复合式模型和分离式模型皑“。在复合式模型中，把支护体系作为种共同作用的复合材料单元进行分析。在分离式模型中，把支护体系的各个部分离散为不同的单元，并考虑单元问的相互作用。分离式模型概念明确，可分析得到各个组成部分的受力情况，应用较为广泛。本文采用分离式模型模拟预应力锚杆柔性支护，土体采用四边形等参元，锚杆自出段采用杆单元，锚杆的锚固段和面层采用梁单元。222本构模型的选取【1基坑丌挖的受力特点7IGS丌挖是比较复杂的工程问题，在分析巾有针对性地选用土的水构关系卜分熏耍12。深綦坑丌挖与一般的土工结构相比有其不同的受力特点，现考察基坑丌挖底面中央、边缘及外侧3个不同单元A、B和C的应力路径如图21。在开挖以前，这3点均处于静止应力状态。随着开挖深度的加深，作用于单元A的O1、盯3均在减少，而且盯1还要比O3减少得快一些。单元B上的盯1也在减少，由于支护边坡向基坑中位移，