曹立梅， 王志博， 趙亮平

(1.鄭州升達經(jīng)貿(mào)管理學(xué)院， 河南 鄭州　451191；　2.河南理工大學(xué) 萬方科技學(xué)院， 河南 鄭州　451400；　3.鄭州大學(xué) 土木工程學(xué)院， 河南 鄭州　450002)

?

基坑支護中旋噴攪拌加筋斜樁錨承載破壞機理研究

曹立梅1， 王志博2， 趙亮平3

(1.鄭州升達經(jīng)貿(mào)管理學(xué)院， 河南 鄭州451191；2.河南理工大學(xué) 萬方科技學(xué)院， 河南 鄭州451400；3.鄭州大學(xué) 土木工程學(xué)院， 河南 鄭州450002)

在公路工程項目建設(shè)過程中，基坑的應(yīng)用越來越多。作為一種新型基坑支護結(jié)構(gòu)，旋噴攪拌加筋斜樁錨可大副度提高單位長度錨索的承載能力，有效降低錨索的設(shè)計長度，避免因錨索承載能力設(shè)計過長而對周邊環(huán)境造成影響，具有良好的推廣應(yīng)用前景。為了深入研究其承載破壞機理，通過建立和推導(dǎo)旋噴攪拌加筋斜樁錨的力學(xué)模型和計算公式，并結(jié)合工程實例驗證該計算理論與公式的合理性。研究成果可以為該支護結(jié)構(gòu)的工程設(shè)計研究人員提供有益參考。

基坑支護； 旋噴攪拌加筋斜樁錨； 力學(xué)模型； 承載破壞機理

0　前言

隨著國家經(jīng)濟發(fā)展水平的不斷提高，城市化進程的加速帶動了地下空間的發(fā)展，開發(fā)和利用地下空間已經(jīng)成為當(dāng)今社會城市建設(shè)發(fā)展的重點。地下空間的開發(fā)為基坑支護技術(shù)的發(fā)展提供了機遇，也帶來了新的挑戰(zhàn)。在公路工程項目建設(shè)過程中，深基坑的應(yīng)用越來越多，為了保證基坑開挖的安全性，需要在實際施工中采取有效的支護技術(shù)措施。公路工程基坑支護的質(zhì)量優(yōu)劣，不但關(guān)系著基坑的整體穩(wěn)定性，而且還與施工安全息息相關(guān)。城市基坑工程往往處于城建工程和人口住宅比較密集的地區(qū)，采取何種經(jīng)濟有效的支護手段，并能保證工程建設(shè)的安全，成為廣大工程設(shè)計人員研究的重點。目前，技術(shù)成熟且被廣泛應(yīng)用的基坑支護結(jié)構(gòu)多是基于柔性支護理論而產(chǎn)生的豎向擋土墻結(jié)構(gòu)或者水平斜向支撐結(jié)構(gòu)。但隨著基坑的面積和深度的增加，采用傳統(tǒng)的支撐支護結(jié)構(gòu)帶來了諸如大跨度削弱支撐整體剛度、基坑產(chǎn)生較大變形、限制土方開挖進度，增加工程投入成本等一系列不利影響。在這種背景下，一種集經(jīng)濟性、安全性于一體的新型支護結(jié)構(gòu)：旋噴攪拌加筋斜樁錨(Reinforced Inclined Pile Anchor with Rotary Jet Mixing，以下簡稱RIIPA-RJM)支護結(jié)構(gòu)應(yīng)運而生[1-5]。

RIIPA-RJM支護方案，可大副度地提高單位長度錨索的承載能力，有效降低錨索的設(shè)計長度，避免因錨索承載能力設(shè)計過長而對周邊環(huán)境造成影響；現(xiàn)場施工時，在軟土地層錨固支護孔內(nèi)預(yù)埋植入鋼絞線，然后通過高壓注漿法沿錨索成孔方向形成斜向旋噴攪拌樁，等到旋噴斜樁內(nèi)注漿凝固至設(shè)計強度時，工程人員通過外部的張拉鎖定裝置施加預(yù)應(yīng)力形成RIIPA-RJM支護機構(gòu)。相比于傳統(tǒng)支護方式，這種新型錨索支護結(jié)構(gòu)更適用于軟土層，支護效果更好，安全性更高，市場前景更廣闊?，F(xiàn)階段，國內(nèi)外針對RIIPA-RJM支護方案的研究多著重于力學(xué)性能測試試驗以及相應(yīng)的應(yīng)用方法上，而RIIPA-RJM的簡化計算模型、失穩(wěn)破壞模式、承載特性機理以及如何進行相應(yīng)的設(shè)計計算等研究并不多。為了分析探討這種新型預(yù)應(yīng)力錨索的承載破壞機理，本文通過建立和推導(dǎo)RIIPA-RJM的承載力力學(xué)模型和計算公式，并結(jié)合工程實例驗證該計算理論與公式的合理性，相關(guān)研究成果可以為該支護結(jié)構(gòu)的工程設(shè)計人員提供參考。

1　RIIPA-RJM與普通錨索的區(qū)別

在錨體結(jié)構(gòu)上，RIIPA-RJM與普通預(yù)應(yīng)力錨索基本相同，都是由錨頭、旋噴斜樁、鋼絞線以及張拉鎖定裝置構(gòu)成，示意圖見圖1，但RIIPA-RJM錨索成孔直徑要比普通預(yù)應(yīng)力錨索成孔直徑大得多，錨索的直徑不同，結(jié)構(gòu)失穩(wěn)破壞模式、邊界設(shè)置條件、支護適用范圍以及工程施工技術(shù)方法均有很大的不同。這些差異有以下特點：

① 單位長度的普通錨索承載能力相對比較低，在錨體結(jié)構(gòu)設(shè)計施工時，為了達到工程設(shè)計承載力值，普通預(yù)應(yīng)力錨索常需要將錨固段嵌固到軟土下方的巖基上。而RIIPA-RJM單位長度錨索的承載能力要高很多，有效地降低了錨索的設(shè)計長度，適用于深厚的軟土層。

② 普通預(yù)應(yīng)力錨索的施工工序：場地整平→機架就位→鉆機造孔→錨索制作安裝→孔內(nèi)注漿→張拉→鎖定→封錨→錨索質(zhì)量評定。而RIIPA-RJM的施工工序為：場地整平→機架就位→鉆機造孔→孔內(nèi)旋噴攪拌成樁—樁內(nèi)植入錨索—張拉→鎖定→封錨→錨索質(zhì)量評定。

③ 錨索極限承載力的大小雖然與錨索注漿體與土體的抗剪強度、鋼絞線的力學(xué)性能以及鋼絞線與注漿體之間的粘結(jié)力息息相關(guān)。但RIIPA-RJM存在范圍較大的斜向旋噴攪拌樁，并具有特制的擴大錨頭，在錨頭抗拔力與復(fù)合承壓前端加固區(qū)被動土壓力的雙重作用下，RIIPA-RJM會在錨頭區(qū)域產(chǎn)生一個潛在破裂面，并形成一個相對明顯的復(fù)合承壓區(qū)，具體破壞形式如圖1所示。隨著外力的進一步增大，當(dāng)被動土壓力以及旋噴加固體與土體之間的抗剪能力達到極限狀態(tài)時，將引起RIIPA-RJM的整體破壞。這一點與普通預(yù)應(yīng)力錨索抗拔力主要靠錨索本身除自由段之外的錨固段來承受的作用機理有著本質(zhì)的不同。

圖1　RIIPA-RJM示意圖Figure 1　Schematic diagram of RIIPA-RJM

2　RIIPA-RJM破壞模式

RIIPA-RJM承載能力與鋼絞線的力學(xué)性能、土體的抗剪強度以及鋼絞線與注漿體之間的粘結(jié)力息息相關(guān)。在外部荷載作用下，RIIPA-RJM發(fā)生失穩(wěn)破壞主要存在以下3種情況：

① 鋼絞線配筋量過少或者力學(xué)抗拉性能較低，錨索鋼絞線極限承載力不足以承受外部拉力時，RIIPA-RJM鋼絞線將發(fā)生斷裂破壞。只要設(shè)計施工得當(dāng)，這種情況一般都能避免。

② 鋼絞線與注漿體之間的粘結(jié)力過小，外力作用下兩者之間產(chǎn)生的剪切力超過前者，RIIPA-RJM錨索將會發(fā)生鋼絞線與注漿體之間注漿體之間接觸面相對錯動變形，將引發(fā)滑移破壞。

③ 在上述兩種情況均能滿足要求的基礎(chǔ)上，RIIPA-RJM注漿體旋噴斜樁與軟土層土體間的粘結(jié)力和錨索端部復(fù)合承壓區(qū)極限阻力形成的整體抗力，不足以抵抗RIIPA-RJM錨索受到的拉拔力時，錨索將被拔出失去支護功能發(fā)生失穩(wěn)破壞。此種情況是RIIPA-RJM錨索最主要的破壞形式。

鑒于此，本文將針對情況三RIIPA-RJM錨索發(fā)生整體拔出滑移破壞進行重點研究分析。

3　RIIPA-RJM承載力力學(xué)模型

如前所述，在拉拔荷載作用下，隨著RIIPA-RJM錨索受到的力超過某一臨界值Tcr，錨索端部附近區(qū)域的注漿體將發(fā)生塑性變形，并形成若干個小范圍的破壞區(qū)；此后如果拉拔力進一步增大，達到甚至超過RIIPA-RJM錨索極限承載值Tu時，錨頭端部將發(fā)生整體失穩(wěn)破壞，在錨頭端部形成一個連續(xù)貫通的破壞區(qū)域，臨界和極限承載力破壞狀態(tài)示意圖見圖2所示。

圖2　RIIPA-RJM受力過程Figure 2　RIIPA-RJM stress process

當(dāng)達到臨界極限破壞狀態(tài)時，鋼絞線施加給錨頭的拉拔力將使RIIPA-RJM錨頭端部附近的旋噴攪拌注漿體產(chǎn)生塑性變形，形成一個類似錐形體的破壞區(qū)。由于該塑性變形破壞區(qū)的產(chǎn)生，錨頭和旋噴斜樁注漿體將呈現(xiàn)沿拉拔力Tu方向的上移的趨勢，這就導(dǎo)致整個RIIPA-RJM錨索將受到外部拉拔力Tu、樁側(cè)摩阻力τf以及樁端被動土壓力PE的共同作用。結(jié)合上述分析，建立RIIPA-RJM錨索受力過程的簡化力學(xué)模型進行進一步研究分析，簡化模型示意圖如圖3所示。

圖3　RIIPA-RJM力學(xué)模型Figure 3　RIIPA-RJM mechanical model

在考慮RIIPA-RJM斜樁與周圍土體發(fā)生相對滑移破壞時，RIIPA-RJM極限抗拔力主要由RIIPA-RJM的樁體側(cè)壁與周圍土體間的極限摩阻力、土體對錨頭端部的被動土反力兩個部分組成，其中前者可以用斜樁側(cè)壁總表面積乘以單位極限側(cè)摩阻力τf，后者主要由錨頭樁端被動土壓力壓強和斜樁的斷面面積決定。從而，可建立如下計算公式：

Tu=TL+TP

(1)

(2)

(3)

式中：Tu為RIIPA-RJM極限抗拔力，kN；TL為樁體側(cè)壁與周圍土體間的極限摩阻力，kN；Tp為土體對錨頭端部的被動土反力，kN；τfi為RIIPA-RJM旋噴斜樁側(cè)壁和周圍土體間的極限摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值，kPa；D為RIIPA-RJM旋噴攪拌斜樁的直徑，m；Li為軟土層不同分層土體中旋噴攪拌斜樁的長度(考慮土層分層，總力按疊加原理分別計算求和，m)；PE為RIIPA-RJM錨頭端部被動土壓力強度，kPa。

為了計算極限狀態(tài)下錨頭端面所受被動土力強度PE，以位于被動土壓力承受面的中心位置為原點，沿著旋噴攪拌斜樁的軸向建立X軸，垂直于X軸所在的斷面向外方向建立Y軸，沿著垂直于X、Y軸相交平面建立Z軸；同樣，選取相同的原點建立X′-Y′-Z′坐標(biāo)系，其中Y′軸和Y軸重合保持不變，Z′軸水平向右，Y′軸垂直向上，XZ和X′Z′坐標(biāo)軸之間的夾角值為θ，X-Y-Z坐標(biāo)系與X′-Y′-Z′坐標(biāo)系處于同一平面，X軸和X′軸的夾角值為θ，即θ為RIIPA-RJM錨索與水平方向之間的夾角。兩個坐標(biāo)系具體位置示意圖見圖4。對RIIPA-RJM支護結(jié)構(gòu)作如下基本假定：不考慮斜向旋噴攪拌加筋錨錨頭前端結(jié)構(gòu)對土體應(yīng)力狀態(tài)的影響；RIIPA-RJM錨頭在軟土層中的埋深相對于本身尺寸而言要大的多；以單個土體單元為研究對象時，其任一方向受到壓力作用產(chǎn)生一個增量值時都會觸發(fā)與之垂直方向上的側(cè)面壓力增量。

圖4　坐標(biāo)系示意圖Figure 4　Schematic diagram of coordinate system

結(jié)合上述所建立的坐標(biāo)系，針對土體的具體受力狀態(tài)，選取RIIPA-RJM錨頭端部附近的一個土體單元進一步分析，所得土體單元的受力示意圖如圖5所示。

圖5　土體單元受力狀態(tài)示意圖Figure 5　Schematic diagram of the stress state of soil body

當(dāng)RIIPA-RJM沒有受到外部拉拔力作用時，單個土體單元只受到靜止土壓力的作用，土體處于靜止?fàn)顟B(tài)，土體單元任一截面的正應(yīng)力和剪應(yīng)力：

σz′=γh

(4)

σx′=K0γh

(5)

(6)

(7)

令α=θ，經(jīng)坐標(biāo)變換可得：

(8)

(9)

(10)

當(dāng)RIIPA-RJM受到外部拉拔力作用時，RIIPA-RJM錨頭端部截面上的土壓力將作用于土體單元上。如前所述的基本假定，當(dāng)土壓力在X軸方向上應(yīng)力增量為σT時，相對應(yīng)的在Y軸以及Z軸方向的側(cè)壓力增量將是ξσT，其中ξ為側(cè)向土壓力系數(shù)。忽略旋噴攪拌注漿土體剪應(yīng)力對土體單元受力的影響，在外部拉拔力作用下，土體單元的應(yīng)力增量：

σx=σT+σαx

(11)

σz=ξσT+σαz

(12)

將式(9)和式(10)代入可得：

(13)

σy=ξσT+K0γh

(14)

(15)

式中：σx、σv、σz為土體單元不同面所承受的正應(yīng)力，kPa；γ為土體的天然重度，kN·m-3；h為土體單元離土體表面的深度，m。

隨著拉拔力的進一步加大至某一極限值，X軸方向上應(yīng)力增量σT將會導(dǎo)致土體單元應(yīng)力達到被動極限平衡狀態(tài)，此時：

(16)

(17)

式中：c、φ為旋噴攪拌樁注漿土體的內(nèi)摩擦角和黏聚力，(°)、kPa；Kp為被動土壓力系數(shù)。

聯(lián)立上式(12)～式(17)：

(18)

(19)

根據(jù)式(1)-式(3)即可確定錨索極限抗拔力Tu。

4　工程實例驗證

某高速公路軟土深基坑工程，為滿足周邊環(huán)境要求，采用RIIPA-RJM支護方案，地質(zhì)條件及土層物理力學(xué)參數(shù)見表1，支護結(jié)構(gòu)剖面圖見圖6。

表1 基坑巖土體物理力學(xué)參數(shù)Table1 Physicalandmechanicalparametersofrockandsoilinfoundationpit土層天然重度/(kN·m-3)c/(°)φ/kPa極限摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值/kPa表層填土18.817.75.819.8淤泥質(zhì)土15.33.93.914.6粉砂質(zhì)泥巖19.629.539.599.0中風(fēng)化泥巖20.753.999.5395.0

圖6　基坑支護結(jié)構(gòu)設(shè)計剖面圖Figure 6　Foundation pit supporting structure design profile

在施工現(xiàn)場選取典型剖面，對圖6中MS-1和MS-2兩道錨索進行破壞性試驗，同時結(jié)合上述提出的力學(xué)簡化模型計算公式進行計算，試驗結(jié)果和公式計算值對比統(tǒng)計見表2所示。

表2 錨索極限承載力對比Table2 Comparisonofultimatebearingcapacityofanchorcable錨索編號現(xiàn)場試驗值/kN公式計算值/kN誤差/%MS-1105011004.76MS-28609004.65

從表2可以看出：采用本文的簡化力學(xué)模型和計算公式得到的RIIPA-RJM極限抗拔力與現(xiàn)場試驗值誤差只有4.65%和4.75%，進一步驗證了計算公式的合理性。

5　結(jié)論

本文通過開展基坑支護中旋噴攪拌加筋斜樁錨承載破壞機理研究，得到結(jié)論如下：

① RIIPA-RJM可有效提高單孔錨索的承載能力和降低錨索設(shè)計長度，承載機理與普通預(yù)應(yīng)力錨索存在較大差異，不能完全按照普通預(yù)應(yīng)力錨索設(shè)計方法進行承載力計算。

② 建立了旋噴攪拌加筋斜樁錨的力學(xué)分析模型，并推導(dǎo)出RIIPA-RJM破壞時極限抗拔力計算公式。

③ 結(jié)合工程實例，將現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)和理論推導(dǎo)值進行對比，誤差小于5%，進一步驗證了計算公式的正確性，可以為工程設(shè)計研究人員提供理論參考。

[1]姜立輝，侯哲生，成國文，等.一種確定任意形狀坡面與滑面邊坡預(yù)應(yīng)力錨索最佳方位的理論方法[J].公路工程，2012，37(1)：23-25.

[2]宋林毅.傾斜加筋高壓旋噴樁錨支護技術(shù)在深基坑工程中的應(yīng)用[J].福建建筑，2011(6)：76-78.

[3]楊文濤.軟土深基坑斜向旋噴攪拌加筋錨承載性狀研究[D].廣州：廣東工業(yè)大學(xué)，2014.

[4]杜文杰，魯高群，李振存，等.基于力學(xué)分析的預(yù)應(yīng)力錨索樁板墻施工工法研究[J].公路工程，2011，36(4)：158-160.

[5]劉全林.旋噴攪拌加勁樁對軟土基坑支護的機理及其支護剛度的確定方法[J].巖土工程學(xué)報，2011，33(S1)：339-343.

[6]劉全林，楊有蓮.加筋水泥土斜錨樁基坑維護結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性分析及其應(yīng)用[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2005，24(S2)：5331-5335.

[7]葉觀寶，何志宇，高彥斌.軟土地區(qū)壓力分散型錨索極限抗拔力的現(xiàn)場試驗研究[J].建筑科學(xué)，2010，26(11)：62-65.

Study on Bearing Mechanism of Reinforced Inclined Pile Anchor with Jet Mixing in Soft Soil Layer

CAO Limei1， WANG Zhibo2， ZHAO Liangping3

(1.Zhengzhou Rose to the Institute of Economic and Trade Management， Zhengzhou， Henan 451191， China；2.Wanfang College of Science & Technology HPU， Zhengzhou， Henan 451400， China；3.School of Civil Engineering， Zhengzhou University， Zhengzhou， Henan 450002， China)

Reinforced inclined pile anchor with rotary jet mixing has been widely used during the highway engineering construction project.As a new type of retaining structure，reinforced inclined pile anchor with jet mixing can greatly improve the bearing capacity of anchor cable per unit length，reduce the length of anchor design，avoid the impact on the surrounding environment，and has a good application prospect.In order to study the bearing mechanism of reinforced inclined pile anchor with jet mixing，the mechanical model and the calculation formula of the bearing capacity of the oblique pile anchor are established.The research results can provide useful reference for the engineering design of the supporting structure.

reinforced inclined pile anchor with rotary jet mixing； mechanical model； bearing mechanism

2016 — 04 — 27

河南省重點科技攻關(guān)計劃項目(152102310001)

曹立梅(1981 — )，女，河北昌黎人，講師，碩士，主要從事公路基坑支護方面研究。

TU 473

A

1674 — 0610(2016)04 — 0097 — 05