水泥旋噴攪拌樁復(fù)合錨桿荷載傳遞機(jī)理研究

孫磊 宋春雨 陳龍珠

摘?要：為了揭示水泥旋噴攪拌樁復(fù)合錨桿的受力特征及破壞機(jī)理，運(yùn)用ABAQUS有限元數(shù)值模擬軟件，建立單根水泥旋噴攪拌樁復(fù)合錨桿受拉模型，研究不同數(shù)量鋼絞線情況下復(fù)合錨桿各橫截面的變形及錨墊板設(shè)置對復(fù)合錨桿變形的影響，結(jié)果表明：鋼絞線的數(shù)量可改變復(fù)合錨桿的破壞模式、對水泥攪拌樁側(cè)摩阻力分布影響不大、對頂部位移影響較大，從工程安全性和成本綜合考慮，以3根鋼絞線為宜;錨墊板的設(shè)置能有效減小鋼絞線與水泥土的滑移，將鋼絞線與水泥土之間的剪切力部分轉(zhuǎn)化為由錨墊板傳遞而來的壓應(yīng)力，錨墊板應(yīng)設(shè)置在鋼絞線的前端。

關(guān)鍵詞：軟土;深基坑;復(fù)合錨桿;軸力;側(cè)摩阻力;錨墊板

中圖分類號：TV551.4?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.02.031

Abstract： In order to reveal the mechanical characteristics and failure mechanism of the jet mixing anchor pile， the model of the single jet mixing anchor pile under tension was established by using ABAQUS software. In this paper， the displacement of each cross section of the model with different amounts of strands and the effect of plate on deformation of the jet mixing anchor pile had been studied. The results show that the number of steel strands can change the failure mode of the jet mixing anchor pile， have little effect to the distribution of side friction of cement mixing piles， and have great influence to the top displacement. Considering the safety and cost of engineering， it is suitable for three steel strands. In addition， the anchor plate should be set in terminal of steel strands and it can effectively reduce the slip between the steel strands and cement soil， due to turning shear force into compression partially.

Key words： soft soil; deep excavation; jet mixing anchor pile; axial force; side friction; anchor plate

軟土地區(qū)常見的深基坑支護(hù)方式是地下連續(xù)墻或排樁加混凝土內(nèi)支撐，優(yōu)點(diǎn)是技術(shù)成熟、支護(hù)剛度大、能有效控制基坑的變形，但內(nèi)支撐隔斷了基坑的內(nèi)部空間，給施工機(jī)械進(jìn)場和操作帶來不便，且基坑支護(hù)屬于臨時(shí)設(shè)施，內(nèi)支撐的后期拆除困難。錨桿支護(hù)因其設(shè)置在坑外而解決了內(nèi)支撐給施工機(jī)械進(jìn)場帶來的不便，但由于常規(guī)錨桿直徑小，相應(yīng)地支護(hù)剛度也較小，因此錨固力不大、變形控制效果不佳，僅適用于巖石與硬土層[1]。水泥旋噴攪拌樁復(fù)合錨桿是近年來新興的一種基坑支護(hù)形式，在軟土中利用攪拌機(jī)械形成直徑為500～1 000 mm的水泥土錨固體，在錨固體內(nèi)加錨桿，并對錨桿施加一定的預(yù)應(yīng)力，在給基坑留下足夠施工空間的同時(shí)，又以較大的支護(hù)剛度控制基坑變形，此外，可回收式錨桿技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用，減少或消除了地下建筑垃圾的產(chǎn)生[2-4]。水泥旋噴攪拌樁復(fù)合錨桿既可以對軟土進(jìn)行加固[5]，又可以將坑外潛在的滑動區(qū)土體與穩(wěn)定區(qū)土體連接起來，在上海、天津、武漢等多個軟土工程中的應(yīng)用表明，該方法可以縮短工期、降低工程成本，但對其理論研究尚落后于工程實(shí)踐。復(fù)合錨桿設(shè)計(jì)過程中大多假設(shè)軸力和側(cè)摩阻力沿樁身均勻分布，但是大量的實(shí)測結(jié)果表明錨桿應(yīng)力并非均勻分布[6-9]。筆者采用ABAQUS有限元數(shù)值模擬軟件，分析單根水泥旋噴攪拌樁復(fù)合錨桿的荷載傳遞與變形特性，揭示復(fù)合錨桿的受力特征及破壞機(jī)理，以期為工程設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)與參考。

1?模型建立

水泥旋噴攪拌樁復(fù)合錨桿支護(hù)結(jié)構(gòu)見圖1?？紤]到單根復(fù)合錨桿軸向受載情況，將其簡化為軸對稱模型。鋼絞線按彈性材料考慮，水泥土和土體的本構(gòu)模型采用摩爾-庫侖準(zhǔn)則。假設(shè)各材料之間足夠粗糙，不存在錯動滑移，各材料之間不設(shè)接觸面。各材料力學(xué)參數(shù)取值見表1。

鋼絞線直徑分別取15.2、21.5、26.3、30.4 mm，水泥攪拌樁直徑取600 mm，鋼絞線和水泥攪拌樁長度為12 m。為了消除邊界的影響，整體模型深度為2倍樁長，根據(jù)單根錨桿或抗拔樁的影響范圍為直徑的2～3倍，模型水平方向取1.2 m。網(wǎng)格單元為C3D8單元，網(wǎng)格軸向尺寸為25 mm，鋼絞線網(wǎng)格徑向尺寸為其半徑，水泥攪拌樁和土體網(wǎng)格徑向尺寸為50 mm，有限元模型尺寸如圖2所示。邊界條件：底部固定約束，兩側(cè)約束徑向位移。計(jì)算時(shí)，首先對模型進(jìn)行初始地應(yīng)力的平衡，然后在鋼絞線上逐漸施加軸向拉力。

2?未設(shè)錨墊板模擬結(jié)果及分析

在軸向拉力下，根數(shù)不同的鋼絞線頂部位移分布曲線見圖3。拉力小于200 kN時(shí)，根數(shù)不同鋼絞線頂部位移差別不大;拉力大于200 kN時(shí)，2根鋼絞線的頂部位移較1根的明顯變小，但是若繼續(xù)增加鋼絞線的數(shù)量，鋼絞線頂端位移與2根的區(qū)別不大，因此沒必要增加過多的鋼絞線，出于工程安全考慮，選用3根即可。

2.1?復(fù)合錨桿各橫截面位移分布

取5個復(fù)合錨桿橫截面，深度分別為0、3、6、9、12 m。設(shè)置1根鋼絞線的水泥攪拌樁復(fù)合錨桿受拉狀態(tài)下各橫截面的位移見圖4，可以看出：隨著深度的增加，截面位移逐漸減小;拉力較小時(shí)鋼絞線與水泥土之間在深度較淺的位置產(chǎn)生錯動滑移，隨著拉力的增大產(chǎn)生滑移的位置逐漸向下發(fā)展。

水泥土在深度為0 m和3 m兩個橫截面之間的位移差保持在1 mm左右，但是水泥土在更深層的橫截面之間位移差逐漸加大，原因是淺層水泥土與鋼絞線產(chǎn)生錯動滑移后變形不再發(fā)展，而深層的變形會繼續(xù)發(fā)展。土體也存在相同的現(xiàn)象，拉力為500 kN時(shí)，6 m深度的橫截面上鋼絞線與水泥土之間產(chǎn)生了相對位移，但是此時(shí)水泥土與土之間并未產(chǎn)生相對位移。

設(shè)置3根鋼絞線的水泥攪拌樁復(fù)合錨桿各橫截面受拉變形情況見圖5，與1根鋼絞線不同的是，頂部鋼絞線與水泥土的相對位移明顯減小，原因是兩者之間的接觸面積增加，各橫截面之間水泥土的位移差隨著拉力增大而增大，但是深度為0、3、6 m的橫截面位移基本相等。此外，水泥土與土體的相對位移發(fā)展很快，拉力為500 kN時(shí)，6 m深度的橫截面產(chǎn)生了較大的相對位移，而此時(shí)鋼絞線與水泥土還未產(chǎn)生相對位移。

拉力荷載在復(fù)合錨桿橫截面上的影響集中在以鋼絞線為中心、半徑很小的范圍內(nèi)，在此范圍內(nèi)，位移隨著與鋼絞線中心距離的增大而迅速減小，此范圍以外同一截面上水泥土和土體各點(diǎn)位移基本相同，因此變形后的水泥攪拌樁與土體的各橫截面可以看做平截面。

2.2?復(fù)合錨桿頂部荷載—位移曲線

因?yàn)樗鄶嚢铇杜c地基土在變形后各橫截面可以看成是平截面，所以選取頂部橫截面進(jìn)行鋼絞線、水泥土和土體位移分析。如圖6所示：1根鋼絞線構(gòu)成的水泥土與土體頂部的位移差在100～500 kN的荷載下為0.51～2.51 mm;當(dāng)拉力小于400 kN時(shí)水泥土與土體頂部的位移差隨著拉力增大基本呈線性增長，當(dāng)拉力大于400 kN時(shí)位移增長明顯變緩;水泥土與土體頂部的位移差遠(yuǎn)小于鋼絞線與水泥土頂部的位移差，鋼絞線與水泥土頂部之間的位移差的增長速率隨著荷載的增加迅速增大。復(fù)合錨桿的最終破壞是鋼絞線與水泥攪拌樁之間產(chǎn)生了較大的錯動滑移。

如圖7所示：由3根鋼絞線構(gòu)成的復(fù)合錨桿，水泥土與土體頂部的位移差隨拉力增大呈線性增長;鋼絞線與水泥土頂部位移差的增長速率隨著荷載的增加逐漸增大，但小于水泥土與土體頂部的位移差。復(fù)合錨桿的最終破壞是水泥攪拌樁被拔出。

1根鋼絞線構(gòu)成的復(fù)合錨桿和3根鋼絞線構(gòu)成的復(fù)合錨桿水泥土頂部的位移隨著荷載的增大都呈線性增加，但是3根鋼絞線構(gòu)成的復(fù)合錨桿由于鋼絞線與水泥土接觸面積增加，二者結(jié)合得更加緊密，因此在相同拉力下水泥攪拌樁的位移反而更大一些。

2.3?鋼絞線軸力分布

圖8為鋼絞線在不同拉力（100～500 kN）下的軸向應(yīng)力（軸力）分布情況。鋼絞線軸力沿深度分布不均勻，頂端應(yīng)力集中且隨深度增加迅速衰減，超過一定深度后隨深度增加線性減小，接近錨桿底部又迅速衰減至0。

鋼絞線軸力分布曲線可分為上部衰減段、線性衰減段、下部衰減段三部分。隨著拉力的增大，上部衰減段長度增加、線性衰減段長度縮短、下部衰減段長度略有增加，原因是拉力作用下鋼絞線頂部應(yīng)力集中，在淺層與水泥土產(chǎn)生較大的錯動滑移，隨著拉力的增大錯動滑移的區(qū)域增大，而中部鋼絞線與水泥土變形基本一致，底部復(fù)合錨桿與地基土脫開。鋼絞線軸力的分布與普通預(yù)應(yīng)力錨桿錨固段軸力分布類似[10-16]。

3根鋼絞線的受拉面積、與水泥攪拌樁的接觸面積是1根鋼絞線的3倍，在同樣的拉力下，3根鋼絞線的頂端軸力約為1根鋼絞線的1/3，但是3根鋼絞線的軸力沿深度的衰減速度比1根鋼絞線的慢，頂端的應(yīng)力集中沒有1根鋼絞線的明顯。

2.4?水泥攪拌樁側(cè)摩阻力

水泥攪拌樁的側(cè)摩阻力沿深度方向的分布規(guī)律如圖9所示，可以看出，鋼絞線數(shù)量對水泥攪拌樁側(cè)摩阻力分布影響不大。

拉力為0時(shí)，自重作用下樁側(cè)會存在摩阻力。拉力作用下，側(cè)摩阻力沿深度逐漸增大，達(dá)到峰值后再逐漸減小，過中性點(diǎn)（側(cè)摩阻力為0）后逐漸反向增大。隨著拉力的增大，側(cè)摩阻力達(dá)到最大值的位置以及中性點(diǎn)位置向深部轉(zhuǎn)移，且過了中性點(diǎn)之后仍有可能出現(xiàn)第二個峰值點(diǎn)。這與黃茂松等[17-18]模擬抗撥樁和抗壓樁得到的側(cè)摩阻力的分布類似，不同的是，采用3根鋼絞線時(shí)水泥攪拌樁淺層側(cè)摩阻力在不同拉力下基本保持一致，而采用1根鋼絞線時(shí)淺層水泥攪拌樁側(cè)摩阻力隨著拉力的增大而增大，原因是在3根鋼絞線情況下，水泥攪拌樁與土體在淺層產(chǎn)生了較大的錯動滑移，接觸部位達(dá)到塑性破壞狀態(tài)，接觸應(yīng)力不再增大。在1根鋼絞線情況下，鋼絞線與水泥土錯動滑移較大，水泥攪拌樁與土體的淺層滑移量反而小，達(dá)不到塑性破壞狀態(tài)。

3?設(shè)錨墊板的模擬結(jié)果及分析

如圖10所示，設(shè)置錨墊板可以將鋼絞線與水泥土之間的剪切力部分轉(zhuǎn)化為水泥土承受由錨墊板傳遞而來的壓應(yīng)力，起到應(yīng)力分散的作用，減小水泥土和鋼絞線的滑移。

3.1?增加錨墊板后復(fù)合錨桿頂部荷載—位移曲線

在1根鋼絞線的最前端（深度為12 m）增設(shè)一塊直徑等于水泥攪拌樁半徑（即300 mm）的鋼錨墊板，板厚為2 mm，錨墊板與鋼絞線剛性連接，荷載（拉力）—位移曲線見圖11。

單個錨墊板設(shè)置與否，鋼絞線頂部位移差別不大，但是設(shè)置錨墊板后水泥攪拌樁頂部位移增大，鋼絞線與水泥土的頂部位移差減小，說明錨墊板的設(shè)置使鋼絞線與水泥攪拌樁結(jié)合得更加緊密，可以有效防止鋼絞線從水泥攪拌樁中抽出，充分發(fā)揮水泥攪拌樁與土體的摩阻力。

3.2?增加錨墊板后水泥土壓應(yīng)力的分布

與錨墊板接觸的水泥土壓應(yīng)力分布見圖12（a），將水泥土與鋼絞線中心的距離為12～30 cm部分放大得到圖12（b）。在錨墊板范圍以內(nèi)，水泥土承受壓應(yīng)力，壓應(yīng)力隨著遠(yuǎn)離鋼絞線的方向迅速減小，當(dāng)離開錨墊板范圍后，水泥土由壓應(yīng)力轉(zhuǎn)化為拉應(yīng)力并逐漸增大。