深基坑锚索失效对桩锚支护体系支护结构稳定性影响研究

摘要：随着预应力锚索地铁车站基坑的支护工程中越来越广泛的应用，预应力锚索的失效问题对围护结构稳定性带来的影响愈发突出。为了研究在桩锚支护体系下，预应力锚索失效对深基坑围护结构安全性的影响，以青岛地铁6号线某车站为工程案例，运用FLAC 3D数值模拟软件构建了三维模型，详细分析了不同预应力锚索失效破坏条件对基坑围护结构的影响。研究结果表明：桩锚支护体系下，局部锚索失效会导致失效锚索荷载会向邻近区域锚索转移，使其轴力显著增加，最大增幅可达110%；随着锚索破断及预应力值的损失，支护桩弯矩逐渐增大，桩身弯矩受影响最严重的区域出现在桩身中部；锚索失效对其支护范围内围挡结构的支护刚度减弱效果明显，支护桩外侧土体产生往基坑内变形导致卸荷，随锚索失效程度增大，失效区域桩后土压力而逐渐减小。

关键词：基坑；预应力锚索；锚索失效；桩锚支护

经济社会的发展持续带动了越来越多的城市轨道交通项目的开展，地铁作为轨道交通项目中占比最高的类别，因其工程建设所具有的复杂性和困难性而越来越多地引起国内外学者的广泛关注[1]。在地铁项目施工建设的各个环节中，车站基坑的修建一方面是项目顺利进行的基础保障[2]，另一方面基坑工程又因其所采用的支护手段的多样性和可靠性需要倍加重视[3]。

现有基坑支护工程中多采用桩锚支护形式，在该体系下锚索的预应力损失会造成支护体系整体刚度的降低，大范围局部锚索的失效还可能会造成支护体系失效继而引发基坑失稳破坏[4]。因此，开展锚索预应力损失失效对围护结构的影响研究，对桩锚支护体系下基坑支护工程的设计与施工具有重要意义。

严卓辉等[5]通过现场实验的研究方法分析了预应力锚索不同设计参数对基坑围挡支护结构的影响，为预应力锚索的实际工程应用提供了参考。宋明刚等[6]基于锚索传力机制推到了锚索应力分布方程，揭示了预应力锚索的应力损失机制和主要影响因素。任志亮等[7]通过现场监测和数值模型相结合的方式，分析了锚索预应力损失的影响因素，认为在基坑围护结构上施加篷布可有效控制锚索预应力损失。王渭明等[8]综合使用了现场试验和理论分析的研究手段，探究了厚冲积层的预应力损失问题，通过测得的锚索自由段变形数据推演出了适合先张法和后张法的两张预应力损失计算方法，为现场施工设计提供了参考。万年青等[9]基于所建立的锚索与围岩体蠕变耦合模型，推导了锚索与围岩体的变形计算方程，揭示了边坡支护中预应力损失机制。刘新荣等[10]通过开展不同预应力紧固值的锚索分级张拉实验，发现随着张拉次数的增加和单次张拉力值的减小，锚索破断荷载逐渐增加，研究证明分级张拉方式可以有效改善预应力损失问题。Gao X等[11]通过构建一种新型锚索预应力损失模型，探究了锚索与岩土体耦合蠕变的相互作用机制，揭示了土体蠕变对锚索预应力损失的影响机制，为基坑工程中的预应力锚索设计和施工提供了理论依据。He Z Y等[12]推导了锚索预应力损失总和值与锚索预应力损失变化率的关系方程，通过将其代入实际工程中的预应力损失条件验证了新建方程的可行性。Gao X等[13]通过内置振动传感器的新型锚索仪监测边坡中锚索的预应力损失情况，综合采用回归分析和分段建模的方法分析了监测数据，建立了数学模型，揭示了预应力锚索预应力损失的时效机制。Chen J等[14]通过实验探究了桩锚支护体系下预应力锚索的锁定值的影响因素，研究发现在锚索材料、孔壁摩擦、张拉设备质量等诸多因素中，张拉初始力值对锚索预应力锁定值的影响最大。

目前，国内外众多学者通过现场试验及理论分析等方法，对预应力锚索的传力机制及预应力损失机制等方面开展了大量研究，但其中对不同的锚索破断数量和锚索预应力损失程度对基坑变形影响的研究相对较少。青岛地铁6号线淮河西路站基坑场地所在位置地层风化严重，岩质较为破碎，且长期受到动静荷载的重复作用，基坑两侧偏压现象明显。在施工过程中，锚索预应力损失情况严重，基坑出现一定程度的侧斜，一定程度上导致了基坑失稳破坏的风险增大。本文以该项目为工程背景，通过数值模拟、理论分析等方法研究了局部锚索失效相关的不同程度影响因素所引起的基坑及其支护结构的变形规律。

1.工程背景

1.1工程概况

青岛地铁6号线淮河西路站项目位于团结路和规划中的江山一路交汇处路口，基坑场地沿团结路南北向布置。场地西侧为重型卡车停车场，东南侧为在建高层住宅，东北侧为拆迁空地。该项目为地下两层岛式车站，车站长度为207m，站外设轨排井和盾构始发井，站台宽度为11m，车站装配式段宽度为20.5m，现浇段宽度21.9～23.9m，基坑深度21.109～25.059m。图1.1为基坑位置示意图。

1.2地质概况

该站场地以山坡堆积区和构造剥蚀区为主，地形主要为剥蚀残丘，整体地势呈北高南低，起伏较小，地面平坦的特点。基坑范围内部分区域左右线岩层差异较大，整体上岩层强度较高。该地区前期地质勘查资料结果显示，基坑所处场地范围内土层地质条件复杂，下部以各类风化花岗岩为主，上覆5m左右为软弱土层，为典型的上软下硬土岩组合地层。场地内地下水主要为孔隙承压水，下覆基岩风化带中赋存基岩裂隙水，具有一定的承压能力，将该场地内土层简化为7个主要土层，如表2.1所示。

2.桩锚支护体系数值模型构建

2.1模型的建立

本文采用FLAC 3D数值模拟软件来建立该工程的三维模型，以进行不同锚索破断数量和锚索预应力损失程度对基坑围护结构所产生影响的研究。考虑到基坑开挖及支护面积较大，且基坑形式上为对称结构，因此在模型建立时选取实际工程的一半进行模拟。综合考虑基坑开挖尺寸和场地地质条件后，以地表为模型上表面，以4倍开挖宽度确定模型下表面，两侧均为2倍开挖宽度确定模型范围，最终形成长150m、宽100m，高70m的数值模型，共划分了44850个单元和49104个节点，模型示意图如图2.1所示。

在该模型中，桩体采用Pile单元模拟，冠梁及腰梁采用Beam单元模拟，锚索采用Cable单元模拟，土体采用zone六面体单元格模拟。模拟中的基坑开挖参考现场实际施工方式，将整个基坑划分为12个施工区段，每区段长度约为20m；将开挖划分为9层，每层深度约2.5m。整体开挖及支护的模拟过程如下：

（1）基坑模拟开挖施工前，首先对土体进行地应力平衡。

（2）沿坑壁外围施加一圈Pile单元来模拟灌注桩，施加Beam单元来模拟冠梁。

（3）开挖至第1区段第1层2.5m深时，施加Cable单元模拟的预应力锚索和Beam单元模拟的腰梁，通过删除锚索自由段端头原有Link单元的方式施加预紧力。

（4）开挖至第1区段第2层和第2区段第1层后，施加锚索和腰梁。

（5）按上述步骤持续开挖至基坑底部开挖结束。

（6）按试验方案删除锚索，模拟锚索失效。

2.2开挖及失效破坏的模拟

本次研究主要由两个阶段组成。第一阶段模拟基坑开挖及支护的过程，该阶段依据现场工程实际情况进行。第二阶段模拟预应力锚索局部破坏失效对基坑围护结构产生影响的过程，该阶段根据模拟因素不同，分别对预应力损失大小和锚索破坏数量两个失效因素进行研究，分别为方案一和方案二。在方案一中，预应力损失大小共分为10级，由损失10%的预应力逐级递增到损失100%的预应力。方案二中不考虑预应力损失，仅考虑锚索失效数量，锚索失效位置自中间向两端逐根轮流增加。研究区域为基坑围护结构的中部位置，如图2.2所示。

3.数值模拟结果分析

3.1锚索预应力损失下基坑围护结构稳定性分析

3.1.1临近锚索轴力变化分析

以第5排锚索预应力损失破坏情况为例，研究预应力损失程度对相邻锚索的影响情况。图3.1为不同预应力损失程度下第5排锚索损失范围内及相邻未损失锚索的轴力变化。局部锚索未发生预应力损失之前，锚索平均轴力为465kN，最小值为442kN，最大值为503kN，相较初始施加预应力420kN增大约22kN～83kN。由于第5排锚索位于基坑中部，锚索受力及变形相对更明显，下面由图3.1可见，在锚索破坏区域内锚索轴力随预应力损失增大逐步减小，当锚索施加预应力为0时，锚索仍受到约50kN的轴力。在锚索破坏区域两侧，相邻近8根锚索（7#～10#、21#～24#）轴力会出现不同程度的提升，其中紧邻破坏区域的4根（9#、10#、21#、22#）锚索轴力增加最为显著，锚索轴力最大增大至约500kN，约为未破坏时的1.15倍。随着距离破坏区域距离增大，锚索轴力增大程度逐渐减弱，到相邻锚索数量增大至8根以后，锚索轴力基本与未破坏时保持一致。

3.1.2桩后土压力变化分析

锚索预应力损失后，原本由锚索承受的荷载减小，锚索预应力损失区域内支护桩变形增大，使得该区域内及周边桩体后方土体向坑内移动，土体通过变形明显卸载，且距离预应力损失区越近卸载程度越大。锚索预应力损失后11#桩后水平土压力变化曲线如图3.2所示，该桩后土压力沿深度方向呈S型分布。由于设置为前5排锚索预应力损失，因此上部范围内桩体变形及桩后土压力变化较为明显，桩身下部埋深距离破坏区域5m后土压力较未破坏时变化不大。当锚索发生破坏后，地表下5-15m深处土压力变化幅度最为明显，该区域内土压力变化幅度最大的为由破坏前的89kPa卸载至74kPa，共卸载约15kPa，土压力约为破坏前的83%。而在距地表0～5m范围内土体压力整体变化幅度较小，但仍随着埋深增大变化幅度增大。分析其原因为虽然浅层锚索预应力损失，但锚索仍未破断，凭借自身强度仍可抵抗部分土体向坑内变形。随着埋深逐渐增大，桩后土体自重产生的水平土压力逐渐增大，土体变形也相应增大，因此锚索出现让压，土压力变化幅度增大。在距地表15m以后，由于锚索并未设置预应力，因此其仅受上部预应力损失的影响，距离锚索损坏区域越近受影响越大。

如图3.3为桩后土体水平应力云图，其中a、b、c、d分别为预应力损失0%、30%、50%和100%时的云图。根据桩身后土体水平应力云图可以发现，破坏区域内土体水平压力变化明显，随锚索预应力损失程度增大应力影响范围随之加大，当预应力损失100%后破坏区域内左、右及下部约各5m范围内土体压力变化较为明显，上部土体卸荷程度反而较小。

3.1.3支护桩弯矩影响规律分析

图3.4为不同级别锚索预应力损失引起作用在11#桩上的桩身弯矩变化。从图中可以看出，悬壁桩桩身弯矩整体随基坑开挖深度呈现鱼腹式分布特征变化，整根桩身弯矩随着开挖深度的增加首先呈现增长趋势，但弯矩增加速率减小。在基坑开挖至坑底22.5m时，预应力未损失时桩身弯矩达到最大值为227kN·m，此时弯矩最大值距离地表距离达到15m左右。随后桩身弯矩开始减小，当锚索预应力损失由未损失状态逐步增加到100%损失时，该支护桩桩身弯矩也相应逐步增大，其中桩身弯矩最大值增长为255kN·m，约为未破坏时的1.12倍，桩身最大弯矩位置较未破坏时逐步上移。并且可以发现，桩身弯矩增长幅度在距离地表12.5m左右处达到最大值，也即位于锚索破坏区域附近。

3.2局部锚索失效下基坑围护结构稳定性分析

3.2.1临近锚索轴力变化分析

取基坑一侧1#～25#锚索为分析对象，锚索初始施加预应力为420kN，通过控制锚索单元删除来模拟1-10根锚索破坏后相邻锚索轴力。如图3.5所示为1-10根锚索失效时相邻锚索轴力变化曲线。由图可见，锚索失效引起的卸载主要由破坏点相邻锚索及其他支护结构承担，其余锚索轴力几乎保持不变。当第1根锚索失效后，相比于破坏前失效锚索相邻4根锚索轴力增大较为明显，其中距离越近锚索轴力提升越大，变化最大的锚索由破坏前的465kN增加到了476kN。当2根锚索失效后，相邻锚索轴力进一步增大，最大锚索轴力增大了14kN，锚索受影响范围也由相邻4根增加为6根。当锚索失效数量增加为5根时，锚索影响范围为相邻8根锚索，相比破坏前锚索轴力最大增加了18kN。当锚索失效数量增加为10根时，锚索影响范围仍为8根锚索，最大轴力增加了36kN。

3.2.2桩后土压力变化分析

当锚索破坏失效时，基坑地层所承受的锚索轴力由于应力平衡将重新分布给其他结构，这将导致锚索失效处桩后土压力产生变化。如图3.6所示为失效锚索处桩后土压力随失效锚索数量变化曲线图。由图可见，桩后土压力沿竖向呈现为S型，当锚索发生初始破坏后，作用在锚索上的水平土压力失去了锚索对其的约束，桩后土体发生了向坑内的移动，作用在支护桩上的水平土压力降低。随着锚索失效数量的增加，锚索失效位置处桩后土压力相应逐渐减小。在锚索失效前该桩后主动区水平土压力约为25kPa，在锚索破坏后桩后土压力迅速卸载下降，随着锚索失效数量增大，桩后土压力进一步减小。当锚索失效数量由0增加到10根时，桩后土压力卸载约20kPa，最小值仅为5kPa，约为破坏前的0.2倍。

如图3.7所示为锚索失效后监测桩后水平土压力云图。图中a、b、c、d分别为锚索未失效、3根失效、5根失效和10根失效时的桩后水平土压力云图。可以发现，随着锚索失效数量的增多，桩后土压力逐渐减小且受影响范围增大。结合图4.16可以发现，在锚索失效后将引起附近竖向约10m范围内土压力变化，随着距离失效锚索增大影响程度逐渐减弱。

3.2.3支护桩弯矩影响规律分析

图3.8所示为1～10根锚索破坏前后桩身弯矩变化曲线。由图可见，在不同数量失效锚索下桩身弯矩均呈现先增大后减小的变化趋势。各情况下桩身最大弯矩均位于桩的中间部位。随着失效锚索数量的增大，桩身最大弯矩也逐渐变大，同时对应桩后土压力逐渐减小。当失效锚索数量由0根增加为10根时，桩身最大弯矩相应由227kN·m增大为279kN·m。但随着失效数量的增大，整个桩抗侧移刚度减小，桩身弯矩增大速率放缓。

图3.9所示为支护桩弯矩云图，从左往右依次为1#～25#桩，其中锚索破坏位置位于监测桩附近。图中a所示为未破坏时状体弯矩图，可见支护桩总体弯矩呈现弓型，呈中间大两端小。由于基坑中部边缘限制弱挠度较大，桩体所承受的土体压力较大，导致靠近基坑中间部位（图中左侧）的支护桩弯矩明显大于基坑边缘部位。为了方便观察监测桩的弯矩云图，对其弯矩进行了筛选，如图b、c、d分别为锚索失效3、5、10根时监测桩的弯矩云图。由图可见，锚索失效后支护桩弯矩增加，随锚索失效数量增多锚索中部最大弯矩也相应进一步增大。

4.结论

本文以青岛地铁6号线淮河西路站基坑为工程背景，采用数值模拟的研究方法，深入分析了不同锚索破断数量和锚索预应力损失程度对基坑围护结构产生的影响，研究了上述因素对土体压力、支护桩弯矩及锚索轴力的影响，得到了如下结论：

1）桩锚支护体系下的基坑工程中，局部锚索失效对邻近区域锚索轴力的影响显著。失效锚索荷载会向邻近区域锚索转移，使其轴力显著增加，距离失效区越近则轴力增加越明显，最大增幅可达110%。在失效锚索数量达到一定程度后，即便失效锚索数量继续增长，周边临近受影响的锚索数量也不会再增加。

2）支护桩弯矩在沿基坑深度方向呈明显的鱼腹式变化规律，桩身最大弯矩出现在支护桩中部距地面约15m处。随着锚索破断及预应力值的损失，支护桩弯矩逐渐增大。两种破坏形式下桩身弯矩受影响最严重的区域均位于桩身中部，桩身顶部及底部受影响程度较小。此外，由于锚索自身所具有的被动承载能力，锚索破断对桩身弯矩造成的影响要大于锚索失效造成的影响。

3）锚索失效对其作用范围内围挡结构的支护刚度减弱影响明显，外侧土体产生往基坑内的变形卸荷，随锚索失效程度增大，失效区域桩后土压力而逐渐减小。由锚索失效所造成的主动土压力影响范围约为破坏区域两侧及底部周边5m范围内，破坏区域上部范围内影响则较小。

参考文献

[1] 侯公羽， 梁金平， 李小瑞. 常规条件下巷道支护设计的原理与方法研究[J]. 岩石力学与工程学报， 2022，41（4）： 691-711.

[2] 高明仕， 张农， 窦林名， 等. 基于能量平衡理论的冲击矿压巷道支护参数研究[J]. 中国矿业大学学报， 2007，36（4）： 426-430.

[3] 曹广勤. 预应力锚索技术在基坑围护结构中的应用[J]. 市政技术， 2010（S2）： 245-248.

[4] 周辉， 徐荣超， 张传庆， 等. 预应力锚杆对岩体板裂化的控制机制研究[J]. 岩土力学， 2015，36（8）： 2129-2136.

[5] 严卓辉， 关永波， 李柏青. 地铁深基坑采用可回收锚索支护的锚固参数设计[J]. 市政技术， 2013，31（1）： 63-65.

[6]   宋明刚， 向欣， 章广成，等. 边坡–锚固结构受力特性与预应力损失研究[J]. 岩石力学与工程学报， 2022（S01）：041.

[7]  任志亮. 复杂环境下地铁车站超深基坑锚索应力损失控制研究[J]. 铁道科学与工程学报， 2020，17（12）：3157-3165.

[8] 王渭明， 曹正龙， 王刚刚， 等. 厚冲积层锚索预应力损失研究[J]. 岩土工程学报， 2014，36（09）：1607-1613.

[9] 万年青， 丁映霞， 丁亚飞， 等. 黄土地区高边坡锚索预应力损失与土体蠕变耦合模型研究[J]. 兰州理工大学学报， 2021，47（04）：142-148.

[10] 刘新荣， 刘永权， 康景文， 等. 基坑锚索预应力损失规律及分步张拉控制措施研究[J]. 岩土工程学报， 2015，37（10）：1794-1801.

[11] Gao X， Jia J， Mei G， et al. A New Prestress Loss Calculation Model of Anchor Cable in Pile–Anchor Structure[J]. Mathematics， 2022，10（8）：1260.

[12] He Z Y， Xin A. Prestress Loss Model and Experimental Study of Anchor Cables in Soft Soil Area[J]. Advanced Materials Research， 2012，433-440：2769-2773.

[13] Gao X， Tian W， Li J， et al. Research on Prediction Model of Prestress Loss of Anchor Cable in Soil-Rock Dual-Structure Slope[J]. Advances in Materials Science and Engineering， 2021，2021：1-10.

[14] Chen J， Wang D， Feng C L. Analysis of Locking Value of Anchor Cable  in Pile Anchor Supporting Structure[J]. Advanced Materials Research， 2013，838-841：203-208.