1、3四川省川建勘察设计院;2四川省粮食工程设计院 四川成都 610093
摘要：伴随工程建设的稳步发展，人们面临的建设规模不断扩大，地下空间的开发利用也越来越多，随之而来的便是切坡高度、填方高度或者开挖深度愈发增大，周边环境也越来越复杂，不但制约工程项目的建设，也导致施工难度加大、风险系数升高。垛墙式加筋高压旋喷支挡体系自SMW工法到加筋水泥土支挡体系演变而来，是一种新型的支挡体系，通过多种构件的组合，形成安全可靠、经济合理的空间维护结构。对体系的支挡原理、构件的力学模型及受荷状态进行分析总结，系统的提出了此类支挡体系的分析计算原理，并指出了垛墙式加筋高压旋喷支挡体系以后的研究思路。
背景
垛墙式加筋高压旋喷支挡体系是由一系列内置加筋材料的高压旋喷桩及冠梁板构成的支挡体系，源于SMW工法，即新型水泥土搅拌桩墙，于1976年在日本问世。SMW工法利用专门的多轴搅拌钻进切削土体，同时在钻头端部将水泥浆液注入土体，经充分搅拌混合后，在水泥土混合体未结硬前将H型钢或其他型材插入搅拌桩体内，形成具有一定强度和刚度的、连续完整的、无接缝的地下连续墙体，所适用的地层主要为粘性土、砂土、粉土、粒径较小的砂砾土及强度较低的强风化岩，特别适用于以粘土和粉细砂为主的松软地层。SMW传于国内后，演变为LXK工法，即水泥土加劲帷幕、旋喷搅拌桩锚、腰梁联合支护的简称。LXK工法用深层搅拌或旋喷桩形成水泥土墙作为支护和挡水的主体，用插筋机、加筋机将钢筋或其它材料快速插入水泥土连墙内，以增加水泥土连墙的刚度、强度和抗弯能力，适用于砂土、粘性土、粉土、杂填土、黄土、淤泥、淤泥质土等土层【中国工程建设标准化协会标准《加筋水泥土桩锚支护技术规程》.北京：中国计划出版社， 2004】。
从对SMW工法和LXK工法施工流程和适用地层的描述可知，两种工法均是先成桩后插筋，适用于不含大粒径粗骨料的地层。用于碎石类土，将会遇到不同于软土地区的实施性难题，加劲材料后插几近无法实施。笔者经过在碎石类土地区的大量摸索和实践，将导管预成孔法和高压喷射注浆法有效结合，实现了加劲材料预埋及水泥土桩成桩，初步形成了加筋高压旋喷水泥土墙支挡体系。该体系可由竖向加筋旋喷桩构成，也可结合斜向加筋旋喷锚桩使用，笔者称之为锚拉式加筋旋喷支挡体系。然而，随着城市建设的不断发展，土地资源变得稀缺，造成基坑深度日渐趋深，切坡高度不断加大，或者填方高度愈发增大。同时，周边环境的复杂程度及重要性程度更是随着工程建设的发展对支挡体系提出了越来越高的要求，《物权法》的适时出台，以及地下空间的大量兴建，对支挡体系所侵占范围的约束也不断增多。上述诸多制约因素，迫使支挡体系不得不舍弃斜向锚桩。基于此出发点，借鉴砌体结构构造柱的作用原理，笔者将原本设置斜向锚桩按单一剖面单（多）支点分析的锚拉式加筋旋喷支挡体系优化为分析整个支挡体系作用下部分剖面设置为体系延伸方向支点（构造柱或垛）的加筋旋喷支挡体系，后者称之为垛墙式加筋高压旋喷支挡体系。
1 支挡体系构成
垛墙式加筋高压旋喷支挡体系，顾名思义，分为垛部及墙部，通过顶部冠梁板约束而形成支挡体系。垛属局部加强，可设置于墙体外侧（外垛）、内侧（内垛），也可横跨于墙上（双面垛）。冠梁板为钢筋混凝土结构，通过对加筋材料的约束，从而约束垛、墙，形成支挡体系。具体布置见下图。
图1、垛墙式加筋高压旋喷支挡体系结构图（外垛）
2 原理分析
2.1 构件功能分析
体系组成构件分为垛、墙和冠梁板。垛为支挡体系的主要受力构件，承担了被支挡土体的主要荷载，它抵抗变形的能力决定整个体系的抗变形能力，应设置为整个体系的支点（理论上不变形或小变形）。墙主要承担垛间土体的荷载，它抵抗变形的能力很大程度上依靠垛的约束来实现。垛对墙的约束，主要通过冠梁板对约束的传递来实现，垛、墙间接触面所提供的约束受水泥土强度的制约而忽略不计。
2.2 构件模型分析
体系的力学模型总体为悬臂式构件，垛决定体系的整体变形，其受力模型与支挡体系总体力学模型一致，可简化为一端固定、一端自由的悬臂构件。根据垛内加筋旋喷桩的布置，基于桩数及桩径按等刚度原则简化为单一构件。
冠梁板可根据实际选择尺寸，考虑需提供强有力的桩顶约束，其沿主要受力方向的刚度应足够大，故垛间距与冠梁板截面沿受力方向尺寸之间差距不宜过大，使冠梁板构成深梁的受力模型，保证冠梁板自身不变形或小变形。
基于碎石类土地区加筋旋喷桩的布桩方式，加筋旋喷桩之间相互独立，垛间墙体可简化为长轴顺主要受力方向的多片独立墙单元，每片墙单元受力相同，顶部受冠梁板约束，底部受坑底岩土体约束，上下均可视为不变形或小变形。因此，墙体（墙单元）可等刚度简化为上下固端的梁。
2.3 构件荷载分析
垛需承担自身范围内的主动土压力，同时还受到每片墙单元的冠梁板支座反力通过冠梁板传递到垛顶端的集中力作用。它主要通过自身的嵌入深度及尺寸来满足荷载要求。
墙单元上的主要荷载为墙单元间距范围内的主动土压力，冠梁板及坑底岩土体提供支座反力。
冠梁板随垛变形，约束墙体，所受荷载主要为墙单元的冠梁板端支座反力，可简化为均布荷载。
3 设计计算简析
通过对构件力学模型的分析及所受荷载的梳理，垛墙式加筋高压旋喷支挡体系设计首先需清理垛及墙单元承担的土压力，计算出墙单元的支座反力；其次将墙单元顶端的支座反力导入冠梁板深梁模型中，计算出冠梁的支座反力；然后将此支座反力施加于垛顶端，并与垛自身的主动土压力一同对垛进行分析计算。
构件内力计算可手算，也可利用结构计算软件进行。各构件分析计算完毕后，再将各构件组装整合进支挡体系总体模型加以分析，确定整体受力和变形。此项工作需借助系统分析软件进行，目前各分析软件已有成熟的分析能力，此不具体举例赘述。
整体计算可验证支挡体系总体稳定性问题，确保支挡体系整体满足荷载要求。单个构件（如加筋旋喷桩、冠梁板等）的强度或稳定性等问题，则需要根据前述构件内力计算结果分析计算，可确定水泥土的强度、加筋旋喷桩的直径、以及如何配筋等。
4 体系的优缺点简述
理论分析是否能够最大程度的契合实际情况，关键取决于理论简化是否能够很好的模拟实际工况。当然，这种契合还取决于支挡体系的实施是否削弱了理论分析时被支挡岩土体的工程性质。区别于常规的桩锚、桩板墙等支挡体系，垛墙式加筋高压旋喷支挡体系最大的优势在于支挡体系是通过大量小直径桩组合而成，小直径可使岩土体的原始应力状态控制在相当小的范围内变化，理论分析时及各种工况下的岩土体物理力学参数前后能基本保持一致，且因高压旋喷的超前固结，岩土体物理力学性能被改良。这可有效的确保体系的安全性，也可最大限度的发挥体系的经济性。不过，目前的分析计算还主要是从宏观角度出发，对于垛、墙体内如何布桩，各桩内如何差别配筋等精细化分析还需要更深层次的分析、模拟。
当然，如此大尺寸的垛、墙，要么向外要求较宽裕的支护作业面，要么向内占用结构空间。若占用结构空间，在主体施工时会预留大量的施工缝或后浇带，将给钢筋制安、混凝土浇筑以及防水等工作带来一定影响，这一切还需在后续工作中不断摸索完善。
论文作者:黄香春,谭晓岗,任永明
论文发表刊物:《基层建设》2016年9期
论文发表时间:2016/8/1
标签：体系论文; 构件论文; 荷载论文; 高压论文; 支座论文; 水泥论文; 单元论文; 《基层建设》2016年9期论文;