水泥土搅拌桩与喷锚土钉墙在某基坑支护中的应用分析

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(山西建筑职业技术学院，山西 太原　030006)

引言

水泥土搅拌法是适用于加固饱和黏性土和粉土等地基的一种方法，它是利用水泥(或石灰)等材料作为固化剂，通过特制的搅拌机械就地将软土和固化剂(浆液或粉体)强制搅拌，使软土硬结成具有整体性、水稳性和一定强度的水泥加固土——水泥土，从而提高地基土强度和增大变模[1]。

土钉支护是由密集的土钉群、被加固的土体、喷射混凝土面层组成，形成一个复合的、能自稳的、类似于重力式挡墙的挡土结构，以此来抵抗墙后传来的土压力和其他作用力，从而使开挖基坑或边坡稳定。土钉是被动受力，即土体发生一定变形后土钉才受力，阻止土体的继续变形。土钉是全长受力，潜在滑裂面把土钉的受力方向分为两部分，前半部分的受力方向指向潜在滑裂面方向，后半部分的受力方向背向潜在滑裂面方向；土钉是一种土体加筋技术，以密集排列的加筋体作为土体补强手段，提高被加固土体的强度与自稳能力[2-3]。

1　工程概况

某基坑尺寸为11.5 m×74.2 m，基坑设计重要性安全等级为二级。该工程±0.000为765 m，场地地面标高约763 m(-0.2 m)，场地地下水位标高约761.4 m(-3.6 m)，东湖水位标高约759.5 m(-5.5 m)，承台底标高757.5 m(-7.5 m)。场地地震基本烈度8度，抗震设防烈度8度，设计基本地震加速度值为0.20g，设计地震分组为第一组，建筑场地类别为Ⅲ类。

1.1　场地的工程地质条件

场地地下水位标高约761.4 m(地面下3.6 m)。地下水类型为孔隙潜水，主要补给来源为大气降水及侧向径流。拟建场地具有中等液化，液化土层主要为③层细砂和⑤层粉砂。土层具体参数见表1。

表1　土层参数

1.2　支护结构

1.2.1水泥土搅拌桩

帷幕桩采用三排水泥土深层搅拌桩，有效桩长13.0 m，桩顶标高为-3.500 m。搅拌桩深入基底9.0 m，桩底进入第⑥层粉质黏土层，可有助于基坑降水。水泥搅拌桩桩径均为500 mm，纵横向咬合200 mm。水泥均采用P·O 42.5水泥，水泥用量不少于60 kg/m，水泥浆水灰比为0.5～0.6，桩体无侧限抗压强度要求≥2 MPa。

1.2.2土钉

土钉采用规格为Φ48 mm的焊缝钢管。

(1)开孔：根据设计要求，顶入规格为Φ48 mm的焊缝钢管，与水平面呈15°。锚管设置注浆孔，其直径为8～10 mm，每个注浆孔前要焊设一个角钢或短钢筋头护翼，以保证注浆孔畅通。

(2)注浆：锚管注浆材料采用P·O 42.5水泥，水灰比为0.45～0.55，注浆压力0.2～1 MPa，注浆水泥用量应达到50 kg/m。其浆体强度≥20 MPa。

1.2.3喷射混凝土面板

(1)在水泥土深层搅拌桩上做喷射混凝土护面。

(2)面板板厚80 mm，板面配筋双向Φ8@200 mm钢筋网片，保护层厚度≥30 mm。喷射作业应分段进行，一次喷射厚度宜≥20 mm，要求喷射成型后面层混凝土强度达到C20。

(3)所有的钢筋接头均需按受力钢筋焊接，网片绑扎或点焊成形，从深层搅拌桩面由里向外的顺序依次为：网片、加强筋、土钉头。基坑支护结构平面图见图1。

图1　支护结构平面图

搅拌桩的面层为：C20混凝土面层，厚80 mm，内配钢筋网，水平方向和竖向均为Φ8@200 mm。

自上而下第一排：1根Φ48 mm钢管，L=6 000 mm，水平@1 300 mm，垂直@1 300 mm。

第二排：1根Φ48 mm钢管，L=9 000 mm，水平@1 300 mm，垂直@1 100 mm(在管内插一根Φ14 mm钢筋)。

第三排：1根Φ48 mm钢管，L=6 000 mm，水平@1 300 mm，垂直@1 100 mm。

1-1剖面支护结构图如图2所示，搅拌桩平面图如图3所示。

图2　1-1剖面支护结构图

图3　搅拌桩平面图

2　有限元分析

利用ADINA软件建立有限元模型，模型尺寸为实际基坑的3倍，具体尺寸为50 m×15 m×30 m。由于模型中有分步开挖，所以设置了生死单元。土层采用MC本构模型，桩采用beam单元，土钉采用rebar单元。具体模型中的土体参数见表1。第一层土钉三维模型见图4，土钉位移三维模型见图5。

图4　第一层土钉三维模型

图5　土钉位移三维模型

从模型后处理中分别提取桩顶、桩中以及桩底节点数据，依据水泥土搅拌桩的厚度与基坑水平位移的关系，绘制水泥土搅拌桩厚度与水平位移曲线如图6所示。

由图6可见，随着水泥土搅拌桩厚度的增大，桩的水平位移逐渐减小。桩的最大位移发生在桩底，最小水平位移发生在桩顶。水泥土搅拌桩厚度在2 000 mm左右时，桩的水平位移有明显的折点。当桩的厚度<2 000 mm时，桩的水平位移急剧下降。当桩的厚度在2 000～3 500 mm区间时，桩的水平位移减小缓慢，但仍然呈减小的趋势。当桩的厚度接近4 000 mm时，桩的水平位移趋于0 mm。

图6　水泥土搅拌桩厚度与水平位移曲线

从模型后处理中提取第一排土钉的数据，根据不同的基坑开挖步绘制第一排土钉轴力分布图，如图7所示。

图7　第一排土钉轴力分布图

从图7可知，曲线线性分布自上而下比较明确，基坑每次开挖均会导致土钉轴力的增加。每条曲线均有明显的极大值点，其位置发生在土钉延长4 m处，大约距开挖面0.22倍的土钉长度，即土钉支护轴力最大发生在土钉中部附近。在基坑开挖第四次时，土钉轴力达到最大值46 kN。支护形式为水泥土搅拌桩与喷锚土钉墙，支护结构的强度和刚度均远远大于土体，土与土钉之间的相互作用(摩擦传力)的最大值位置主要发生在土钉前半部分。

3　结论

本文通过对基坑三维建模，对土钉和水泥土搅拌桩进行数值模拟分析，可以得出以下结论：

3.1随着水泥土搅拌桩厚度的增大，桩的水平位移逐渐减小。桩的最大位移发生在桩底，最小水平位移发生在桩顶。

3.2水泥搅拌桩的厚度可以有效地控制桩的水平，从而可以提高水泥土搅拌桩的稳定系数，在实际工程中更加安全。

3.3支护形式为水泥土搅拌桩与喷锚土钉墙，支护结构的强度和刚度均远远大于土体，土与土钉之间的相互作用(摩擦传力)的最大值位置主要发生在土钉的前半部分，在土钉中部轴力达到最大。

参考文献：

[1] 罗林海.水泥土搅拌桩与喷锚土钉墙在基坑支护的应用[J].地球，2013(5)：281-282.

[2] 陈华明.水泥土搅拌桩桩身强度的评价方法探讨[J].广东土木与建筑，2017(1)：31-33.

[3] 梁潇文，张福龙.兰州地区土钉墙支护受力研究[J].中国锰业，2017，35(3)：190-192.