深基坑排桩预应力锚杆支护理论分析与试验研究

With rapid development of the depth and scale of foundation pit in the Northwest area, row pile supporting with prestressed anchors is widely used because of its advantages, such as: its ability to improve soil stress state actively and to limit horizontal displacement of lateral wall. But occasional accidents of foundation pit also expose its serious shortage of theoretical analysis and testing study. This project regards the row pile supporting with prestressed anchors as research object, and aims at improving the excavation stability of deep foundation pit in Northwest area and solving the safety problem of its surrounding environment. Based on the change of soil stress field under anchor prestress action, this project is mainly trying to: (1) compare the bearing behavior and working mechanism of soil-anchor in the various soil layer, establish a load transfer model of anchor, propose an algorithm that prestress changes soil stress field; (2) establish a dynamic stability analysis model considering the collaborative work among the prestressed anchor, supporting pile and soil to analyze the relationship between deformation and stability of foundation pit; (3)indoor model test，engineering field test and numerical simulation of the row pile supporting with prestressed anchors are going to be carried out and studied in order to verify the correctness of the theoretical analysis method. This project is of great significance for theoretical research and design practice of row pile supporting with prestressed anchors for deep foundation pits.

西北地区基坑深度和规模日益增大，排桩预应力锚杆支护因其具有主动改善基坑土体的受力状态、限制坑壁侧移的优点而被广泛应用，然而时有发生的基坑事故暴露了其理论分析和试验研究严重匮乏。本项目以排桩预应力锚杆支护为研究对象，旨在提高西北地区深基坑开挖稳定性和解决基坑周边环境安全问题。项目基于锚杆预应力作用下土体应力场的改变主要研究：（1）对比分析不同岩土层中土-锚承载特性与工作机理，建立锚杆荷载传递模型，提出预应力对土体应力场改变的算法；（2）建立考虑预应力锚杆、支护桩和土体之间协同工作的动态稳定性分析模型，解决基坑变形与稳定的关系；（3）进行深基坑排桩预应力锚杆支护的室内模型试验和现场测试研究，结合数值模拟验证理论分析的正确性。本项目研究对深基坑排桩预应力锚杆支护的理论研究和设计实践具有重要意义。

在基坑施工及服役全过程中支护结构的变形和稳定性是关键所在。为解决西北地区复杂地质条件下桩锚支护深基坑变形与稳定性综合评价难题，项目采用理论分析、数值模拟和试验研究相结合的方法展开研究。主要研究内容及结论如下：（1）基于荷载传递法对分别处于弹性、弹塑性以及完全塑性等三种状态下的不同岩土层中土-锚承载特性和荷载传递模型进行研究，并对不同粗糙度和拉拔力下锚杆轴力分布规律进行分析，同实测值进行对比，发现起伏角越大，锚杆轴力分布越集中，衰减速度越快，对同一锚杆其承载能力也越高；岩体弹性模量越小，注浆压力越大，则起伏角越大；随着锚杆拉拔力不断增大，轴力在锚固体上的分布范围扩大；（2）将支护桩与锚杆视为一个整体结构，滑面以上的桩视为桩底弹性嵌固的静力结构，滑面以下的锚固段桩体视为横向变形受约束的弹性地基梁，建立静力平衡方程，改进已有变形协调条件，计算结果表明，改进的方法更能反映桩锚支护结构受力变形的实际情况，由此算得的锚杆设计拉力较其他方法算得的锚杆设计拉力偏大，这是因为克服了忽略锚杆倾角、增大了锚杆的伸长量以及未考虑桩锚实际的受力状态的缺点；（3）考虑锚杆预应力引起的附加应力对基坑稳定性和位移的影响，建立锚杆、支护桩和土体之间协同工作的动态稳定性分析模型，分别得到预应力与基坑整体稳定安全系数、水平位移的计算公式，以及基坑整体稳定安全系数与水平位移之间的关系表达式，编写MATLAB程序结合工程实例与现行设计软件计算结果进行对比。结果表明，安全系数随着预应力增加而增加，二者呈非线性关系；支护结构水平位移随着预应力增加而减小，二者呈非线性关系；（4）通过室内和室外试验，对基坑开挖过程中围护结构内力变化情况及分布特点进行了研究，实测了基坑开挖过程中锚杆所受最大拉力和其作用位置，测试了相邻锚杆的应力松弛变化情况，总结了桩身正负弯矩变化规律，分析了单支点和多支点排桩弯矩反推出的土压力分布和作用点的变化规律。