水泥旋噴攪拌樁復合錨桿荷載傳遞機理研究

孫磊 宋春雨 陳龍珠

摘?要：為了揭示水泥旋噴攪拌樁復合錨桿的受力特征及破壞機理，運用ABAQUS有限元數值模擬軟件，建立單根水泥旋噴攪拌樁復合錨桿受拉模型，研究不同數量鋼絞線情況下復合錨桿各橫截面的變形及錨墊板設置對復合錨桿變形的影響，結果表明：鋼絞線的數量可改變復合錨桿的破壞模式、對水泥攪拌樁側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化為由錨墊板傳遞而來的壓應力，錨墊板應設置在鋼絞線的前端。

關鍵詞：軟土;深基坑;復合錨桿;軸力;側摩阻力;錨墊板

中圖分類號：TV551.4?文獻標志碼：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

軟土地區常見的深基坑支護方式是地下連續墻或排樁加混凝土內支撐，優點是技術成熟、支護剛度大、能有效控制基坑的變形，但內支撐隔斷了基坑的內部空間，給施工機械進場和操作帶來不便，且基坑支護屬于臨時設施，內支撐的后期拆除困難。錨桿支護因其設置在坑外而解決了內支撐給施工機械進場帶來的不便，但由于常規錨桿直徑小，相應地支護剛度也較小，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]。水泥旋噴攪拌樁復合錨桿是近年來新興的一種基坑支護形式，在軟土中利用攪拌機械形成直徑為500～1 000 mm的水泥土錨固體，在錨固體內加錨桿，并對錨桿施加一定的預應力，在給基坑留下足夠施工空間的同時，又以較大的支護剛度控制基坑變形，此外，可回收式錨桿技術的開發和應用，減少或消除了地下建筑垃圾的產生[2-4]。水泥旋噴攪拌樁復合錨桿既可以對軟土進行加固[5]，又可以將坑外潛在的滑動區土體與穩定區土體連接起來，在上海、天津、武漢等多個軟土工程中的應用表明，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踐。復合錨桿設計過程中大多假設軸力和側摩阻力沿樁身均勻分布，但是大量的實測結果表明錨桿應力并非均勻分布[6-9]。筆者采用ABAQUS有限元數值模擬軟件，分析單根水泥旋噴攪拌樁復合錨桿的荷載傳遞與變形特性，揭示復合錨桿的受力特征及破壞機理，以期為工程設計提供理論依據與參考。

1?模型建立

水泥旋噴攪拌樁復合錨桿支護結構見圖1。考慮到單根復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模型采用摩爾-庫侖準則。假設各材料之間足夠粗糙，不存在錯動滑移，各材料之間不設接觸面。各材料力學參數取值見表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。網格單元為C3D8單元，網格軸向尺寸為25 mm，鋼絞線網格徑向尺寸為其半徑，水泥攪拌樁和土體網格徑向尺寸為50 mm，有限元模型尺寸如圖2所示。邊界條件：底部固定約束，兩側約束徑向位移。計算時，首先對模型進行初始地應力的平衡，然后在鋼絞線上逐漸施加軸向拉力。

2?未設錨墊板模擬結果及分析

在軸向拉力下，根數不同的鋼絞線頂部位移分布曲線見圖3。拉力小于200 kN時，根數不同鋼絞線頂部位移差別不大;拉力大于200 kN時，2根鋼絞線的頂部位移較1根的明顯變小，但是若繼續增加鋼絞線的數量，鋼絞線頂端位移與2根的區別不大，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?復合錨桿各橫截面位移分布

取5個復合錨桿橫截面，深度分別為0、3、6、9、12 m。設置1根鋼絞線的水泥攪拌樁復合錨桿受拉狀態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;拉力較小時鋼絞線與水泥土之間在深度較淺的位置產生錯動滑移，隨著拉力的增大產生滑移的位置逐漸向下發展。

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生錯動滑移后變形不再發展，而深層的變形會繼續發展。土體也存在相同的現象，拉力為500 kN時，6 m深度的橫截面上鋼絞線與水泥土之間產生了相對位移，但是此時水泥土與土之間并未產生相對位移。

設置3根鋼絞線的水泥攪拌樁復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展很快，拉力為500 kN時，6 m深度的橫截面產生了較大的相對位移，而此時鋼絞線與水泥土還未產生相對位移。

拉力荷載在復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，在此范圍內，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?復合錨桿頂部荷載—位移曲線

因為水泥攪拌樁與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;當拉力小于400 kN時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，當拉力大于400 kN時位移增長明顯變緩;水泥土與土體頂部的位移差遠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。復合錨桿的最終破壞是鋼絞線與水泥攪拌樁之間產生了較大的錯動滑移。

如圖7所示：由3根鋼絞線構成的復合錨桿，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。復合錨桿的最終破壞是水泥攪拌樁被拔出。

1根鋼絞線構成的復合錨桿和3根鋼絞線構成的復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根鋼絞線構成的復合錨桿由于鋼絞線與水泥土接觸面積增加，二者結合得更加緊密，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）下的軸向應力（軸力）分布情況。鋼絞線軸力沿深度分布不均勻，頂端應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力集中，在淺層與水泥土產生較大的錯動滑移，隨著拉力的增大錯動滑移的區域增大，而中部鋼絞線與水泥土變形基本一致，底部復合錨桿與地基土脫開。鋼絞線軸力的分布與普通預應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，頂端的應力集中沒有1根鋼絞線的明顯。

2.4?水泥攪拌樁側摩阻力

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

拉力為0時，自重作用下樁側會存在摩阻力。拉力作用下，側摩阻力沿深度逐漸增大，達到峰值后再逐漸減小，過中性點（側摩阻力為0）后逐漸反向增大。隨著拉力的增大，側摩阻力達到最大值的位置以及中性點位置向深部轉移，且過了中性點之后仍有可能出現第二個峰值點。這與黃茂松等[17-18]模擬抗撥樁和抗壓樁得到的側摩阻力的分布類似，不同的是，采用3根鋼絞線時水泥攪拌樁淺層側摩阻力在不同拉力下基本保持一致，而采用1根鋼絞線時淺層水泥攪拌樁側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生了較大的錯動滑移，接觸部位達到塑性破壞狀態，接觸應力不再增大。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，達不到塑性破壞狀態。

3?設錨墊板的模擬結果及分析

如圖10所示，設置錨墊板可以將鋼絞線與水泥土之間的剪切力部分轉化為水泥土承受由錨墊板傳遞而來的壓應力，起到應力分散的作用，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。

單個錨墊板設置與否，鋼絞線頂部位移差別不大，但是設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，說明錨墊板的設置使鋼絞線與水泥攪拌樁結合得更加緊密，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力的分布

與錨墊板接觸的水泥土壓應力分布見圖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，水泥土承受壓應力，壓應力隨著遠離鋼絞線的方向迅速減小，當離開錨墊板范圍后，水泥土由壓應力轉化為拉應力并逐漸增大。