注浆钢花管复合土钉墙的设计方法及研究.pdf

———文章编号：１００９４５３９（２０１７）１００１０８０５・房建工程・注浆钢花管复合土钉墙的设计方法及研究李刚（中铁建设集团有限公司北京１０００４０）摘要：作为一种新型基坑边坡支护技术，注浆钢花管复合土钉墙支护体系有效克服了土钉墙挡土效果差的缺点，限制了桩后土体的变形，增强了土钉锚固的效果。本文基于单桩水平荷载试验反算地基土层水平反力系数，在不改变土钉墙设计方法的前提下，融入了注浆钢花管的设计内容，并通过实例计算验证了设计方法的可行性，为类似工程提供参考。关键词：基坑工程注浆钢花管复合土钉墙支护体系设计方法中图分类号：ＴＵ４７１．８文献标识码：ＡＤｏＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００９－４５３９．２０１７．１０．０２６ＤｅｓｉｇＩｌＭｅｔｈｏｄｏｆＳｏｎＮａｎＣｏｍｐｏｓｉｔｅＷａｕｗｉｔｈＧｒｏｕｔｉｎｇＳｔｅｅｌＰｅ啪ｒａｔｅｄ－ｐ啦ａｎｄＩｔｓＲｅｓｅａｒｃｈＬ｜Ｇａｎｇ（ｃｈｉｎａＲａｉｌｗａｙＣｏｎｓｔｍｃｔｉｏｎＧｍｌｌｐ“Ｃｏ．Ｌｔｄ．，Ｂｅ玎ｉｇ１００ｃ１４０，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｍｃｔ：ＡｓａｎｅｗｔｙｐｅｏｆｆｏｕｎｄａｔｉｏｎｐｉｔｓｌｏｐｅｓｕｐｐｏｒｔｔｅｃｈｎｉｑＩｌｅ，ｔｈｅｓｙｓｔｅｍｏｆｓｏｉｌｎａｉｌａｎｄｇｒｏｕｔｉｎｇｓｔｅｅｌｐｅ怕ｒａｔｅｄ－ｐｉｐｅｃｏｍｐｏｓｉｔｅｗａｌｌｏｖｅｒｃｏｍｅｓｔｈｅ“ｄｉｓａｄｖａＩｌｔａｇｅｓｎｏｎｌｌａｌｓｏ订ｎａｉｌｗａｌｌ．Ｔｈｅｄｅｆｏｒｎｌａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｓｏｉｌｃａｎｂｅｒｅｄｕｃｅｄ锄ｄｔｈｅｓｏｉｌｎａｉｌａｎｃｈｏｍｇｅｉｓａｌｓｏｓｔｒｅｎｇ山ｅｎｅｄ．Ｂａｓｅｄｏｎｓｉｎ甜ｅｐｉｌｅｈｏｒｉｚｏｎｔａｌｌｏａｄｔｅｓｔ，ｔｈｅｓｏｉｌｓｕｂｇｒａｄｅｈｏｄｚｏｎｔａｌｒｅａｃｔｉｏｎｃｏｅｍｃｉｅｎｔｗａｓｏｂｔａｉｎｅｄ．Ｔｈｅｇｍｕｔｉｎｇｓｔｅｅｌｐｅｄｂｒａｔｅｄ－ｐｉｐｅｄｅｓｉ印ｃｏｎｔｅｎｔｗａｓａｄｄｅｄｉｎｔｏｔｈｅｄｅｓｉｇｎｍｅｔｈｏｄｏｆｓｏｉｌｎａｉｌｗａｌｌ．Ｔｈｅｆｅ鹤ｉｂｉｌｉｔｙｗａｓＶｅｒｍｅｄｂｙａｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｃ踮ｅ，ｗｈｉｃｈｃｏｕｌｄｐｍｖｉｄｅａｒｅｆｅｒｅｎｃｅｆｏｒｓｉｍｉｌａｒｐｒｏｊｅｃｔｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎｐｉｔｅｎ舀ｎｅｅｒｉｎｇ；ｇｍｕｔｉｎｇｓｔｅｅｌ—ｐｅｄ．ｏｍｔｅｄｐｉｐｅ；ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓｏｉｌｎａｉｌｗａｌｌ；ｒｅｔａｉｎｉｎｇｓｙｓｔｅｍ；ｄｅｓｉＰ田ｍｅｔｈｏｄ１前言土钉墙及复合土钉墙支护体系由于工程量小、操作简单、施工速度快、费用低且支护设计灵活等优点，使得该技术在全国各大城市和各类工程中都得到广泛应用¨。３Ｊ。注浆钢花管是作为一种特殊的微型桩，它是以钢管桩为基础进行再加工而得到的，在桩身布“”置一定数量的注浆孔，以形成孔花。注浆孔的布置一般采用矩形或梅花形的布置形式，配合注浆枪头可实现分层注浆和重复注浆，可较好的控制注浆范围和注浆压力，显著地改善了注浆效果Ｍ。Ｊ。注浆钢花管形成的微型桩有效的克服了土钉收稿日期：２０１７一０７一ｌＯ作者简介：李刚（１９７７一），男，高工，主要从事结构工程及房建施工、基坑工程以及地基处理等相关领域工作。墙挡土效果差的缺点，限制了桩后土体的变形，增强了土钉锚固的效果。基坑开挖时，注浆钢花管桩能够有效的抵抗一部分边坡下滑力，在剩余下滑力的作用下，土体将继续产生变形，钢花管桩将不足以约束此时土体位移，土钉墙支护在这种条件下被动受力，承受拉力作用，与注浆钢花管桩一同构成∞钢花管复合土钉墙支护体系。１１｜。Ｍｉｃｈａｅｌ¨２１介绍了Ｃｏｌｏｍｄｏ的一个开挖工程，该工程利用钢管桩与土钉相结合的新型支护结构，钢管桩还对基坑周边的建筑物基础起到了托换加固的作用。将注浆钢花管桩视为微型抗滑桩的设计计算方法大致分为三类：第一类是基于普通抗滑桩计算理论的方法，采用弹性支点法或静力平衡法、等值梁法等方法进行计算；第二类是等效法，按等效截１０８铁道建麓技术｜Ｒ＾『ＬＭｙｃ０ＮＳ丁ＲＵＣ丁『Ｄ～丁￡＿ＣＨＮＯｆ．０Ｇｙ’２０７ｆ，０Ｊ万方数据・房建工程・面或等效刚度的原则将微型组合桩等效为挡土墙或地下连续墙进行计算；第三类是数值计算方法，采用有限单元法或有限差分法进行计算。公宝兴和孙振¨列对单排微型桩复合土钉墙中的微型桩进行计算，采用《建筑基坑支护技术规程》（ＪＧＪ—１２０９９）中排桩设计计算方法，计算得到弯矩、剪力后，按照钢筋混凝土结构规范对抗剪强度和抗弯刚度进行验算。由于注浆钢花管的工作性能受土层条件、水文地质条件、基坑深度、土钉支护设计参数、施工工序和施工进度等众多因素的影响，理论与计算方法尚不够完善。注浆钢花管的设计计算中，如何考虑微型桩注浆体以及桩周改良土体的作用，目前仍然没有给出相关计算和评价方法，不同的单位在设计中采用了不同的设计验算方法，有些干脆依据经验或将其作为安全储备，在实际工程可能造成事故的发生或工程的浪费。然而注浆体和注浆改良土体对钢花管抗弯能力的提升效果是非常显著的。本文在总结了以往设计计算的基础上，考虑到注浆加固对微型桩受力变形的改良效果，基于现场单桩水平荷载试验提出了一种新的注浆钢花管复合土钉墙支护体系的设计计算方法。２注浆钢花管土钉墙结构形式注浆钢花管土钉墙是将土钉支护技术与钢花管联合起来的一种新型复合支护结构，当土质较差，且基坑边坡靠近建筑设施需严格控制支护变形时，可以应用钢花管土钉墙来加固基坑边坡。钢花管土钉墙宜在开挖前先沿基坑边缘设置密排的竖向注浆钢花管桩，形成超前支护体系，随后在基坑开挖的过程中逐层的布设土钉，使土钉与钢花管桩形成复合体系共同抵抗土体变形，其结构形式如图１。注浆钢管微型桩图１超前设置微型桩的土钉支护３钢花管土钉墙设计流程目前针对这类结构形式的设计方法均忽略了注浆钢花管的注浆加固作用，仅将其视为钢管桩而进行的设计。针对具体工程，设计流程见图２。铁道建篱技术ＲＡ『ＬＭｙＣ０￣Ｓ丁只ＵＣ丁『０～丁ＥＣＨＮｏＬＯＧｙ图２钢花管土钉墙设计流程４钢花管土钉墙设计方法４．１荷载确定复合体系所承担的荷载是由被加固基坑边坡的土体条件确定的，并由注浆钢花管和土钉墙两部分共同承担，复合体系设计是将土钉结构承担的荷载作为钢花管桩水平承载力不足时的补充。土钉墙设计时的荷载是由土体自重和附加荷载两部分组成的，荷载形式如图３。该部分荷载是由注浆钢花管排桩和土钉墙联合承受的，两部分的设计均采用这种荷载形式，先计算注浆钢花管桩所能承担的荷载大小，剩余的荷载值南十钉墙承捐一图中，ｐ。为自重引起的侧压力峰压；ｐｌ为自重引起侧压力的合力；Ｉ｜｝。为之地表均布荷载引起的侧压力；ｐ。为地表均布荷载引起的侧压力合力。４．２微型桩参数确定４．２．１桩距图３侧压力的分布注浆钢花管的桩距是以注浆钢花管的扩散半径推求得出的。注浆钢花管的浆液在地层中承柱面分布，因此注浆扩散半径按照牛顿流体在地层中柱面扩散公式计算：ｔ＝掣（１）∥式中：Ｋ为土体的渗透参数（ｃｎｓ）；口为浆液黏’’２Ｄ７ｆＤＪ１０９万方数据・房建工程・度与水的黏度比，卢＝ｐ。佃。；ｒ。为浆液的扩散半径（ｃｍ）；＾为注浆压力水头（ｃｍ）；ｒ０为注浆管半径（ｃｍ）；￡为注浆时间；凡为土体的孔隙率。采用迭代法计算。为使注浆体能够有效的起到抗渗作用，需保证浆体有一定的搭接长度或当基坑对防渗要求等级较高时，桩间距可在此基础上考虑安全系数以适当降低。４．２．２桩嵌固深度确定钢花管桩应深入基坑底部１～３ｍ，需要特别说明的是：排桩嵌固深度计算是按土的主动、被动土压力按照上述办法计算得到，而实际注浆钢花管复合土钉墙支护体系中的注浆钢花管只承载了部分的土压力作用。按照排桩计算方法计算所得的嵌固深度对注浆钢花管进行截面强度验算后，可根据注浆钢花管桩实际承担的荷载对嵌固深度进行适当修正。４．３地基反力系数确定为了充分考虑注浆钢花管的注浆加固效应，可采用单桩水平荷载试验反算地基水平反力系数。计算简图如图４。Ｐ为施加的集中荷载；５图４桩计算简图为位移计测点；Ｋ为弹性地基水平基床系数；Ｐ。。为主动土压力；ｑ为桩顶至位移测试点的距离（ｍ）；吼为位移测试点至加载点距离（ｍ）；也为加载点至桩底的距离（ｍ）。４．４钢花管截面强度与变形验算４．４．１按截面强度计算分布荷载对于桩径较小、桩体刚度较低的钢花管微型桩，往往其桩身强度是控制条件。因此，复合支护体系拟按桩身强度进行设计。假设钢花管承担的荷载形式与《基坑土钉支护技术规程》（ｃＥｃＳ９６：９７）规定的分布形式相同，如图５所示。Ⅳ图中，为基坑开挖深度；Ｚ。为注浆钢花管的嵌固深度；Ｋ是由被加固１１０弋注浆钢花管＼Ｋ，，，，，？卅被动土区／卅卅土体水平机床系数转换得到的弹簧刚度值；ｓ为桩顶处的位移；ｇ为土钉墙荷载形式下的荷载值。在实际计算中，将钢花管视为桩中的配筋，按照图５假设的荷载分布形式，参照《建筑基坑支护技术规程》（ＧＪ１２０一２０１２）计算钢花管能抵抗的荷载大小。４．４．２变形验算注浆钢花管桩复合土钉墙结构形式在注浆钢花管桩设计时，除了要满足桩身截面强度的要求，还需满足基坑边坡的变形限值。根据上节复合体系建模计算的方法，在确定了荷载值后，计算出桩顶最大位移值，可对注浆钢花管排桩进行变形验算。最终的分布荷载大小由截面强度与变形两者控制。４．５土钉结构设计在一定的注浆参数下，注浆钢花管排桩的桩身截面强度是一定的，能够承受特定形式的荷载也是固定的。因此，根据上节计算得出的注浆钢花管桩所承受的荷载大小以及按《基坑土钉支护技术规程》（ＣＥＣＳ９６：９７）确定的土钉墙荷载大小，计算出基坑边坡在注浆钢花管作用下的剩余荷载，将该荷载值作为土钉墙设计的荷载值，进行土钉结构的设计。４．６土钉墙设计在计算设计完土钉的横向和纵向间距以及土钉长度后，需验算基坑边坡的内部稳定性和整体稳定性，并进行喷射混凝土设计，均按照《基坑土钉支护技术规程》（ｃＥｃｓ９６：９７）和《建筑地基基础设计规范》（ＧＢ—５０００７２０１１）的相关公式进行，在此不再赘述。５实例分析５．１工程概况试验场地位于北京市房山区西南，中、上元古界基岩出露广泛。根据现场钻探、原位测试与室内土工试验成果的综合分析，将钻探深度范围内（最深６．０ｍ）的地层，按成因年代可划分为第四纪沉积层和中元古界沉积两大类，按岩性划分为３个大层，现自上而下描述如下：第四纪沉积层图５钢花管桩分布①黏土层：黄褐。紫红色，可塑～硬塑，稍湿。抵抗荷载计算简图很湿，含云母、氧化铁，碎石含量约２０％。铁道建筑技术ＲＡｔＬｗＡＹｃＯＮＳＴＲＵＣＴｔＯＮＴＥｃＨＮＯＬＯＧＹ２０１７《１０）万方数据・房建工程・②碎石黏性混合土层：杂色，稍密一中密，稍湿，碎石含量约５０％～６０％，一般粒径２～４ｃｍ，最大粒径１０ｃｍ，以黏性土充填，母岩成分以白云岩、砂岩为主。③强风化白云岩层：深灰色，强风化，岩芯破碎，呈碎屑状或碎块状，泥质胶结，节理裂隙较发育。５．２地基反力系数反算现场单桩水平荷载试验结果见表ｌ，计算简图见图４。表１模型计算参数汇总桩号Ｈｌ／ｍ也／ｍ也／ｍＰ／ｋＮ｜ｓ／ｍｍＺｌＯ．７００．２０５．１０２０６．９２Ｚ２Ｏ．５８Ｏ．２０５．２２２０９．４６单桩由注浆体和钢花管组成，注浆体为书１５０ｎｕｎ的水泥浆凝固体；钢花管为巾８９ｍｍ×６ｍｍ的无缝钢管。采用ＡＮｓＹｓ建模，将浆体和钢花管等效成书１５０ｍｍ的桩体，等效模量计算公式如下：Ｅ：盟Ｌ掣二盟（２）』ａＥ一等效桩体的弹性模量；Ｅｉ一水泥浆凝固体的弹性模量；Ｅ。一钢花管钢材（Ｑ２３５）的弹性模量，取２０６ＧＰａ；Ｌ～浆体等效圆截面的惯性矩；，。一钢花管的惯性矩。参照《混凝土结构设计规范》（ＧＢ—５００１０２０１０）推荐公式：Ｅ＝焉（ＭＰａ）（３）２・２＋蔷其中正。．。为混凝土强度等级值，参照相关文献可知，试验所用水灰比为０．８：１，２８ｄ抗压强度值为１１．２７ＭＰａ。将上述值代入计算可得等效桩体的弹性模量值为２４５９０．４２ＭＰａ。采用图４反算得到加固区的地基水平基床系数，见表２。表２ＡＮＳＹＳ反算地基基床系数ＡＮＳＹＳ计算系数地基水平基床系数桩号‰／（ｋＮ・ｍ一１）肜（×１０４ｋＮ・ｍ一３）ＺＪ５３．２３．５５Ｚ２３９．７２．６５水平基床系数值取ｚ。、互的反算平均值，即Ｋ＝３．１×１０４ｋＮ／ｍ３。５．３注浆钢花管复合土钉结构设计计算选取该基坑最不利断面进行边坡支护设计，如图６。图６基坑最危险开挖断面（１）注浆钢花管排桩参数扩散半径为６３．１９ｃｍ，桩间距为１ｍ，桩长为９ｍ。（２）ＡＮＳＹｓ建模计算注浆钢花管桩承担的土压力。得到注浆钢花管桩身最大弯矩为２１．９８ｋＮ・ｍ。钢花管桩在达到设计强度时土压力值ｑ＝１０．６ｌｋＰａ。（３）土钉设计Ⅱ土钉拟采用级热轧变形钢筋，直径西＝１８ｍｍ。不考虑地表均布荷载的影响，设定土钉的倾角为１５０，计算得出。考虑到钢花管桩对基坑边坡整体稳定性的贡献，此处可将土钉间距设置为Ｊｓ，＝２ｍ，５。＝２ｍ。．ｓ。一土钉横向间距；Ｓ。一土钉竖向间距。（４）稳定性分析稳定性分析分为内部稳定性和外部稳定性分析。内部稳定性主要是验算边坡支护内部可能出现的穿越土钉的破坏面的稳定性；外部稳定性主要是验算支护整体的水平滑动和抗倾覆稳定性。内部稳定性还要考虑到施工过程中分层开挖后各个工况的稳定性；外部稳定性还要考虑到钢花管桩对稳定性的贡献。对土钉墙进行设计（土钉长度），三排土钉的长度分别为７．８ｍ、６．５ｍ和６．０ｍ，并验证了基坑边坡的局部稳定性和整体稳定性，均能满铁道建筑技术只Ａ『ＬＷＡｙＣｏ￣Ｓ丁只ＵＣ丁ｆ０～丁￡．ｃＨＮ０正－０Ｇｙ’２０７仃０Ｊ１１１万方数据・房建工程・足要求。６结论——本文介绍了一种新型基坑边坡支护体系注浆钢花管复合土钉墙支护体系的计算方法，得出如下结论：（１）注浆钢花管是对钢管桩的重要改进，与土钉支护技术联合使用，解决了工程中土钉墙挡土效果差的缺点，限制了桩后土体的变形，增强了土钉锚固的效果。（２）结合单桩水平荷载试验确定注浆加固土体的水平基床系数并应用于设计，使得设计可以考虑注浆加固效应。（３）利用数值计算反算出特定钢花管所能承受的土体荷载，将剩余荷载用于土钉墙设计，是一种可行的设计方法。通过实例计算，证明了设计方法的可行性。参考文献［１］古海东，杨敏．土钉墙在疏排桩支护基坑中的加固效果—实验研究［Ｊ］．土木工程学报，２０１５（１）：１３０１３８．［２］魏焕卫，杨敏，孙剑平，等．土钉墙变形的实用计算方—法［Ｊ］．土木工程学报，２００９，４２（１）：８１９０．—・＋－－＋－＋－＋一＋－＋一＋－＋－＋一＋一＋［３］徐帮树，刘日成，李连祥，等．复合土钉墙支护设计参数敏感性分析及边坡变形规律研究［Ｊ］．岩土力学，—２０１ｌ（Ｓ２）：３９３４００．［４］成尚锋，张海燕．钢花管注浆技术在填方路基病害处—治中的应用［Ｊ］．中外公路，２００７（４）：３６３９．［５］向润泽，宋刚．钢花管和注浆钢锚管在公路滑坡加固中的应用［Ｊ］．土工基础，２００８，２２（６）：１４一１７．［６］毕孝全，喻良明，赵明伦．超前钢管桩在深基坑支护中的应用［Ｊ］．岩土工程学报，２００６（ｓ１）：１７５６一１７５９．［７］杨志银，张俊，王凯旭．复合土钉墙技术的研究及应用［Ｊ］．岩土工程学报，２００５（２）：１５３一１５６．［８］高凤怀．厦门银聚祥邸基坑复合土钉支护的数值模拟与稳定性分析［Ｄ］．长春：吉林大学，２００６．［９］同平武．高压旋喷桩止水帷幕和土钉喷锚相结合在深—基坑工程中的应用［Ｊ］．施工技术，２００７（９）：１２１３．［１０］郑筱彦，杨德良钢管桩与土钉墙组合支护技术应用—探讨［Ｊ］．铁道建筑技术，２０１２（９）：３３３７．［１１］冯英会．土钉墙和桩锚支护在深基坑边坡上的应用—［Ｊ］．铁道建筑技术，２００８（Ｓ２）：２２８２３１．［１２］ＭｉｃｈａｅｌｓｈａｎｅＲｏｂｉｓｏｎ．ＥｘｃａｖａｔｉｏｎｓｕｐｐｏｎａｎｄｍｉｃｒｏｐｉｌｅｕｎｄｅｒｐｉｎｎｉｎｇｉｎＶａｉｌ，ｃｏｌｏｍｄｏ［Ｃ］．ＢｉｅｎｍａｌＧｅｏｔｅｃｈｎｉｃａｌ—Ｓｅｍｉｎａｒ。２０１０：１１２１１８．［１３］公宝兴，孙振．钢管桩与土钉墙联合支护设计研究—［Ｊ］．国防交通工程与技术，２００５（１）：６５６８．（上接第１０４页）（３）通过分析，找出了立轴式冲击破碎机主轴的最薄弱点，为其结构优化设计提供了依据，为类似结构设计提供了理论参考。参考文献［１］王伟．破碎机的发展现状与趋势［Ｊ］．现代制造技术与装备，２０１６（７）：１４５一１４７．［２］朱雨东．立式冲击式破碎机的设计［Ｊ］．矿山机械，２０１５（１）：１３９一１４１．［３］陈玲琳，朱绍峰．旋回破碎机主轴断裂分析［Ｊ］．金—属热处理，２００６，３ｌ（６）：８７８８．［４］徐灏．疲劳强度［Ｍ］．北京：高等教育出版社，１９８８：１０．［５］张新，王正祥，牛家忠，等．基于ＡＮｓＹｓｗｏｒｋｂｅｎｃｈ的重卡前轴的强度分析及疲劳寿命预测［Ｊ］．制造业—自动化，２０１５，３７（１７）：６４６６．１１２铁道建筑技术［６］成大先．机械设计手册第２卷［Ｍ］．５版．北京：化学—工业出版社，２００７：６２９．［７］—李大平，薛静，刘学，等．基于ｓＮ曲线的螺旋输送机主轴疲劳分析［Ｊ］．铁道建筑技术，２０１４（１０）：１０７—１０９．［８］王国军．Ｍｓｃ．Ｆａｔｉｇｕｅ疲劳分析实例指导教程［Ｍ］．—北京：机械工业出版社，２００９：２３９２４１．［９］罗春虎．盾构机保险轴的疲劳特性研究［Ｄ］．郑州：—郑州大学机械设计及理论学院，２０１２：３０３７．［１０］赵玺，朱李，赖喜德，等．基于ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ的水轮机轴疲劳寿命分析［Ｊ］．中国农村水利水电，２０１５（９）：—１６９１７１．［１１］王碧石，孙黎，王春秀．风力发电机齿轮箱扭力轴的疲劳分析［Ｊ］．机械设计与制造，２００９（９）：１５５一１５７．［１２］梁静强，赵文星，吕俊成．发动机曲轴疲劳分析［Ｊ］．机械工程师，２０１３（２）：１０１一１０３．ＲＡ『ＬｗＡｙⅡＣ０￣Ｓ丁开ＵＣ丁『０～－ｃＨ『ｖ０￡＿０Ｇｙ２Ｄ７７ｒ７ＤＪ万方数据