摘要：近年来软土深基坑安全事故频繁发生并造成了严重危害，尤其在力学性能极差的软土地区，对传统基坑支护技术提出了新的要求。针对深厚广布的淤泥质土，普通锚索支护所提供的抗拔力已经远远不能满足要求，而按照传统方法必须增加锚索数量或锚索长度，导致经济成本提高以及锚索超出用地红线。斜向旋喷搅拌加筋锚针对上述缺陷，改善锚固土体性能，增加锚固体半径，提高抗拔力，减小锚索长度，降低了经济成本，广泛应用于软土深基坑支护工程。目前关于斜向旋喷搅拌加筋锚结构设计主要以当地施工经验为主，因此如何从理论上确定该新型锚杆极限抗拔力具有重要的指导意义。
关键词：软土深基坑；斜向旋喷搅拌加筋锚；数值模拟；基坑监测
一、斜向旋喷揽拌加筋锚的研究现状
斜向旋喷搅拌加筋错作为一种新型支护形式，是在土层中用旋喷搅拌法使水泥装或水泥、化学装液与土体形成固结体，并插入钢绞线制作而成。斜向旋喷搅拌加筋铺是由普通铺索技术发展而来，但又与普通铺索结构有很大区别，如图所示。它属于加筋水泥土桩描支护结构体系中的一部分。加筋水泥土桩铺支护是由加筋水泥土桩和描体构成的对土体的支护体系，按照方向分类有水平向、斜向或竖向。该技术属于中国首创，具有施工方便、经济实用、占地面积少等一系列优点，突破了国内外软土地质普通铺索不能使用的限制，目前少数学者针对该结构做了一些探索性研究。
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目前对于斜向旋喷搅拌加筋锚承载性状相关研究较少，且没有准确地反映出斜向旋喷搅拌加筋销的力学机制，因此分析该支护结构的破坏规律和探讨其极限抗拔力解析解的研究是解决如何使此支护形式更有效地服务于实际工程的重要课题，探讨斜向旋喷搅拌加筋锚的破坏形态以及受力机理，以动态设计的理念指导施工设计，在满足安全性、工程实用性和经济性的要求下提出其发展方向和应用前景。
二、斜向旋喷搅拌加筋描承载特性理论分析
我国广东珠三角地区均位于江河、湖海的冲积性平原，这里软土深厚广布，力学性能差、含水量高、受扰动易发生变形、开挖形成的边坡自稳能力差。在锚杆支护体系中，描杆抗拔力大小是决定支护体系是否稳定的关键因素，一般锚杆抗拔力是由错固体与周围土体的摩擦力提供，按描固机理分类属于摩擦型锚杆，目前工程实践数据表明，普通描杆支护体系远远不能满足这些软土地区的工程需要。为了提高在软土地层中的抗拔力，工程实践人员改良了普通锚杆，采用斜向旋喷搅拌加筋描的形式来提高锚杆支护体系的稳定性、经济性以及安全性。这种新型结构改良了普通销杆的承载性能，不仅增大了与土体接触面积以致摩阻力增加，且利用高压喷射技术制作变径锚桩，使描杆抗拔力由摩擦力和土体压力共同提供，按铺固机理分类属于摩擦端压型锚杆。本章的主要内容是分析研究该新型锚索支护形式的受力机理，得出其极限承载力理论公式，为斜向旋喷搅拌加筋描工程应用提供理论依据。
影响普通错杆抗拔力的因素有很多，主要有土层、灌菜以及锚杆形式的影响：由于土层的强度远远低于砂楽的强度，因而销杆孔壁对锚固体的摩阻力取决于土层的抗剪强度。描杆相关抗拔试验分析指出，锚固段在游泥质土中比在點质粉土或粉细砂中的极限抗拔力要小得多；灌装也对锚杆抗拔力产生巨大影响，当采取措施增大灌架压力后，水泥衆会更多地渗入周围土层中去，增加了锚固体与土体的摩阻力，从而增加了铺杆的抗拔力；锚杆形式对抗拔力也有影响作用，现在锚杆经常用底部形成扩大头或者连续球型等方法提高抗拔力。因为斜向旋喷搅拌加筋铺结构是以普通错杆发展而来，由此通过普通锚索均质土层中破坏模式的归纳分析，进而研究斜向旋喷搅拌加筋锚受力破坏机制。
2.1普通预应力锚索的破坏模式
普通预应力销索是一种由钻孔穿过软弱土层或者滑动面、一端错固在坚硬的岩层中、一端进行预应力张拉的结构。分析均质土中预应力销索的破坏模式，工程经验表明基本有以下种，如图所示：由于锚索体材料强度（钢筋或钢绞线）不足而出现的断裂破坏；由于注菜体与土体界面摩擦力不足而导致的界面破坏；由于锚索体与注装体握裹力不足导致两者界面破坏；沿着注装体与土层界面破坏。
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图中分别对应普通预应力错索的破坏模式。
其中破坏模式和破坏模式主要由材料属性决定是否发生，可以通过增加配筋率或者增加注装压力和水泥掺入比较为容易解决，同时工程经验表明目前大部分规格材料满足此类工程要求，极少发生类似破坏；而破坏模式和破坏模式主要由地质条件决定是否发生，当土体點聚力较低的时候，由于注菜体与土体的摩擦力不足，注衆体会被拔出，即破坏模式当土质力学性能较好，注衆体与土体的粘结力很大，拉力的增加最终会导致周围土体达到极限状态然后发生剪切破坏，即破坏模式。
2.2斜向旋喷搅拌加筋描的破坏模式
斜向旋喷搅拌加筋锚较普通铺索结构不同的是，后者主要利用注装体侧壁与土体之间的摩擦力传递荷载，而新型结构依靠摩擦力和扩大头端部压力共同提供抗拔力，同时斜向旋喷搜拌加筋锚特别针对游泥质土，增大铺桩半径来提高与土体之间的摩擦力，利用高压旋喷制作成分段式扩孔结构，提高抗拔力。参考普通锚索破坏模式进行研究分析，斜向旋喷搅拌加筋错破坏模式可以归结为以下三类，
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钢绞线断裂破坏：由于斜向旋喷搅拌加筋错应用于抗拔力要求较高的软土地层，轴力较普通锚索增大，因此考虑钢绞线发生断裂破坏的可能性，其受力过程为钢绞线所受拉力逐渐增加最后超出钢筋材料极限破坏强度，基于力学原理钢绞线将会依次进入屈服阶段、塑性阶段最后发生断裂破坏；斜向旋喷搅拌加筋铺钢绞线与水泥土握裹力破坏：此类破坏发生条件为作用于斜向旋喷搅拌加筋猫钢绞线与水泥土之间的握裹力超出其极限粘结强度，此时钢绞线与水泥土粘结界面发生破坏；斜向旋喷掠捽加筋锚周围土体破坏：在斜向旋喷掠拌加筋铺钢绞线抗拉强度以及钢绞线与水泥土之间极限粘结强度满足安全强度要求的前提下，当加筋锚扩大头端部周围土体所受应力到达极限应力状态，将发生土体破坏，工程经验表明，此类破坏为斜向旋喷搅拌加筋锚主要破坏模式。值得说明的是，由于斜向旋喷搅拌加筋描改良了锚杆杆体几何形状，增加了扩大头形式，并且较普通锚索增加了锚桩半径以致与土体之间摩阻力有较大提升，因此不考虑由于与土体摩擦力不足导致的水泥土侧壁与土体之间界面破坏。
2.3斜向旋喷搜拌加筋锚周围土体破坏
两种破坏模式均可以通过选择合适结构参数以及良好施工制造工艺较为容易地避免，下面着重分析研究第三种破坏模式受力机理以及极限抗拔力计算公式。受力过程由于该新型描索主要应用于深厚广布软土地层，当扩大头端面土体发生极限破坏时，将在扩大头近似最大直径处产生破裂线，因此忽略扩大头不同形状对极限抗拔力的影响作用，将其简化为圆柱体均质模型。
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分析该破坏模式中斜向旋喷搅拌加筋锚受力过程，主要有以下三个阶段，如图所示：开始阶段错索所受拉力很小，扩大头端部土体未产生相对位移，此时土层内部只存在静止土压力，此阶段错索所受合力包括扩大头端部静止土压力、侧壁摩阻力以及铺固段侧壁摩阻力，该阶段锚索的受力情形主要由水泥土锚桩侧壁与土体摩阻力决定；当错固段与扩大头侧壁所受静止摩擦力达到静摩擦极限值，此时描索所受拉力继续增加，铺固段与扩大头将开始产生较小位移，扩大头部分将对土体产生压力，土体反作用力也将增加扩大头端部压力。此时土体受到挤压变形产生塑性区域，当描索拉力继续增加时，土体塑性部分将会成为一个整体作用于扩大头，该阶段锚索的受力情形主要由土体压缩性能决定；如果错索外部拉力继续增加，扩大头向拉力方向产生较大位移，土体受扩大头以及外围土体的挤压不断扩大塑性土体区域，土体不断被压密，土体施加给锚索反作用力逐渐增加，最后错索位移不再变化趋于稳定。
三、普通预应力铺索破坏形式
斜向旋喷搅拌加筋锚破坏模式主要有钢绞线断裂破坏、钢绞线与水泥土握裹力破坏以及加筋水泥土铺桩周围土体破坏。斜向旋喷搅拌加筋铺抗拔力主要由四个部分组成：加筋水泥土锚桩侧壁与土体的摩阻力、扩大头侧壁与土体的摩阻力、土体对扩大头端部的正压力以及扩大头和加筋水泥土锚桩自重引起的拉力，由计算公式分析影响极限抗拔力的因素，钢绞线极限破坏强度、钢绞线与水泥土极限粘结强度；
钢绞线极限破坏强度、钢绞线与水泥土极限粘结强度是决定加筋描能否发生钢绞线断裂破坏以及钢绞线与水泥土握裹力破坏的重要因素，其中钢绞线与水泥土极限粘结强度与水泥土物理力学性质有关。这两种破坏模式可以通过选择合理的结构参数和提高特殊工艺技术较为容易地避免。
土层物理力学性质；影响极限抗拔力的土层物理力学性质参数主要有：①土体點聚力；②内摩擦角。内摩擦角不变时，扩大头正压力随着點聚力增加而增加，二者呈线性关系。一般情况下，内摩擦角越大，扩大头端部正压力越大，而且點聚力、土体重度以及土体与加筋水泥土销桩极限摩阻值也越大，因此极限抗拔力也会增大，当内摩擦角增加到某一阶段时扩大头端部所受正压力会突然增大。内摩擦角在土层物理力学性质参数中对极限抗拔力影响作用较粘聚力更大。描索几何形状；扩大头埋深与扩大头正压力呈线性正比关系，且必须考虑合适的锚索水平向夹角以及锚索长度来控制埋深取值范围。扩大头直径与扩大头长度均与极限抗拔力呈线性正比关系，同时扩大头直径引起的极限抗拔力增长加速度大于扩大头长度引起的增长加速度。计算指出，在均勻齡泥土层里，两个扩大头所提供加筋描极限抗拔力高于一个扩大头，但由于考虑每个扩大头充分发挥力学效应，不能盲目通过增加扩大头数量提高极限抗拔力。
四、斜向旋喷搅袢加筋描工程应用
由于地处珠三角腹地的佛地区软土深厚广布，常规销索难以达到软土深基坑支护要求，因此佛山南海万达广场深基坑工程采用斜向旋喷搅样加筋描新型支护形式提高抗拔力。由于目前该项技术在佛山地区相关工程经验较少，且理论研究尚处于起步阶段，所以南海万达广场深基坑工程项目部针对该支护形式重点加强了围护结构深层水平位移监测、围护结构顶部水平和垂直位移监测以及加筋锚拉力监测。本章也针对性地选取了、典型断面和断面剖面和剖面）中根不同锚索作为研究对象，将数值仿真模拟分析方法、理论计算方法运用于工程实践，同时结合现场监测数据，研究有限元模型以及极限抗拔力解析解的可行性和合理性。为了体现研究成果的代表性，重点观察研究围护结构深层水平位移、围护结构顶部水平位移以及加筋描拉力三项监测数据。
深层水平位移变形是反映基坑运行状况很直接可靠的重要指标之一，其中变形的增大始终是基坑施工中关注的关键，同时也是直观反映斜向旋喷搅拌加筋铺受力情况的监测数据。佛山南海万达广场深基坑工程围护结构深层水平位移监测数据表明，随着开挖时间增加，桩铺侧向变形与幵挖深度有着紧密的联系，因此围护结构深层水平位移变化曲线也是对比分析有限元模拟结果的基础。围护结构深层水平位移监测也被称为测斜，其测量工具称为测斜仪。测斜仪是一种可准确地测量沿垂直方向土层或围护结构内部水平位移的工程测量仪器。放入测斜管内的活动测头，测出的量是各个不同分段点上测斜管的倾角变化；，而该段测斜管相应地位移增量为：，：表示各段之间的单位长度，只要配备足够多的量测点（通常间隔，所绘制的曲线几乎是连续光滑的。佛山南海万达广场深基坑工程一共埋设了个围护结构深层水平位移监测点，这里选取典型断面和断面的监测值作为研究对象。
顶部水平位移监测数据与深层水平位移监测数据相互关联，也是作为研究斜向旋喷搅拌加筋铺承载性状的重要参数之一。试验研究表明，斜向旋喷搅拌加筋描适用于游泥软土地质，不仅能够提供较高的极限抗拔力，还因为斜向旋喷搅拌加筋错与灌注桩用销定板形成统一整体，发挥内支撑功能，提高土层自身的稳定性和自承能力，而顶部水平位移是反映土层稳定性的重要数据，因此分析加筋锚受力机理，顶部水平位移监测数据的研究非常必要。围护结构顶部水平位移是基坑工程中最直接的监测内容，通过该项监测，对反馈施工工序，并决定是否采用辅助以确保支护结构和周围环境安全具有重要意义。
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结束语
斜向旋喷搅拌加筋锚根据不同破坏条件可能产生三种破坏模式：钢绞线断裂破坏；钢绞线与水泥土握裹力破坏；加筋水泥土锚桩周围土体破坏。钢绞线极限破坏强度和钢绞线与水泥土极限粘结强度是决定加筋锚能否发生钢绞线断裂破坏以及钢绞线与水泥土握裹力破坏的重要因素。斜向旋喷搅拌加筋锚极限抗拔力由四部分组成：加筋水泥土锚桩侧壁与土体的摩阻力、扩大头侧壁与土体的摩阻力、土体对扩大头端部的正压力以及扩大头和加筋水泥土锚桩自重引起的拉力。斜向旋喷搅拌加筋锚在任意土层中抗拔能力较普通锚索均有相对提高，其淤泥质土中有较大提高且大于粉质粘土和强风化砂质泥岩中抗拔力增加值，表明该新型锚索在软土地层中更具实用价值。
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论文作者:何庆峰
论文发表刊物:《基层建设》2019年第28期
论文发表时间:2020/1/18
标签：位移论文; 极限论文; 土层论文; 水泥论文; 结构论文; 钢绞线论文; 侧壁论文; 《基层建设》2019年第28期论文;