旋喷桩内插型钢结构计算探析

旋喷桩内插型钢结构计算探析
摘要: 本文对旋喷桩内插型钢工法的设计计算方法进行了研究分析，初步总结出一套对旋喷桩内插型钢工法的设计计算方法。

关键词：旋喷桩；型钢；结构计算
0 引言
旋喷桩内插型钢作为基坑围护结构不仅止水性好而且构造简单，型钢的插入深度一般小于旋喷桩深度，施工速度快，型钢可拔出进行回收重复使用，最重要的是施工机具可适应狭小空间作业，可避免管线等构筑物切改引起的费用，成本较低。

1.旋喷水泥土配合比的确定
用水泥作固化剂时，水泥与水反应生成水化生成物，再与粘土矿物反应，从而胶结了粘土颗粒形成强度较高的水泥土。

需要对拟加固原状软土的含水量、渗透性、土质成分、粒径、级配、有机质含量等进行调查分析和相应的室内试验，再针对作相应的加固配比参数、施工工艺方式设计，从而使水泥土加固能发挥最大效用。

结合拟加固土体的含水量进行具体分析，确定合理的浆液含水量。

2.入土深度的确定
旋喷桩内插型钢工法由型钢和旋喷水泥桩共同组成，需要确实两部分入土深度：一是型钢的入土深度，另一是旋喷桩的入土深度。

型钢的入土深度应根据墙体的内力、变形控制条件以及基坑抗隆起等的稳定性综合分析确定；水泥土旋喷桩的入土深度主要依据水力条件确定。

为了基坑施工结束后型钢能顺利回收，一般型钢的入土深度比旋喷桩的入土深度小一些，经验是500mm～1000mm。

1）型钢入土深度的确定
型钢的入土深度主要由基坑整体稳定性、抗隆起稳定性和抗倾覆稳定性综合确定，H型钢尚应满足围护墙内力、变形的计算要求及考虑地下结构施工完成后型钢能顺利拔出。

根据工程经验，基坑整体稳定性、抗隆起稳定性和抗滑移稳定性验算中，往往基坑抗隆起稳定性常成为控制条件。

因此，型钢的入土深度应重点考虑抗隆起稳定性验算。

2）旋喷桩入土深度的确定
沿海软土地区或者地下水位较高的地区，在基坑开挖过程中极易在渗流力的作用下产生土体的渗透破坏，即当地下水的向上渗流力大于上覆土的有效重度时，土粒会处于浮动状态，产生渗流失稳现象。

所以旋喷水泥土桩的入土深度主
要通过水力条件确定，包括防止管涌、防止底鼓和考虑降水对周围环境的影响等三方面的内容一般可依据条件初步确定旋喷水泥土桩入土深度，再综合上述三个方面的水力条件加以校验和调整。

3截面形式及组合刚度
1）截面形式的确定
旋喷桩内插型钢挡墙截面形式基本上是单排型钢布置方式，有时根据实际情况需要旋喷桩会做成双排以进行防水，仅在其中一排内插型钢起主要受力作用。

工程上按型钢在旋喷桩截面中的位置分为两类形式：全位和半位，如图1所示。

图1 旋喷桩内插型钢截面布置形式示意图
“全位”截面形式即型钢在旋喷桩中全截面布置，全面承担荷载，具有结构对称、整体刚度大、抗弯能力强等特点，但钢材耗费量较大。

按受力单元承担荷载的大小，全位形式主要用于侧压较大且水泥土抗剪强度较低的情形，半位形式能较大限度的发挥水泥土的刚度贡献，减少用钢量。

“半位”截面形式将型钢布置在旋喷桩受拉区，充分利用两种材料的特性，即型钢的抗拉性和水泥土的抗压性，以提高桩墙的弯曲抗拉性能，同时水泥土部分参与抵抗变形的贡献较大，受力较为合理。

但这种组合形式缺乏实验数据及理论分析，目前应用的较少。

旋喷桩内插型钢挡墙截面的尺寸主要取决于其承载力和刚度。

这种组合刚度的大小由两种材料的截面布置决定。

旋喷桩内插型钢水泥土墙截面设计主要是确定墙体厚度、型钢截面和型钢间距。

值得说明的是，廖少明等曾对荤素咬合桩的抗弯性能进行了研究，认为在咬合桩设计的时候需要考虑素桩对咬合桩挡墙抗弯性能的贡献。

在旋喷桩内插型钢围护墙工作阶段，素桩在未现裂缝的情况下，素桩承担了相当比率的弯矩，其分担作用明显，设计时有必要考虑其作用。

素桩的开裂情况是影响咬合桩截面抗弯刚度变化的主要原因。

在荤素桩二者协调变形阶段，素桩的存在加大了受压区的面积，随素桩开裂情况变化而不同的咬合桩临界弯矩承载力也不同，素桩对整个围护结构的提高有很大的作用。

旋喷桩内插型钢工法所筑成的挡墙结构是由型钢和水泥土共同组成，挡墙中的水泥土除了需满足水力条件外，尚必须保证它有足够的强度，特别是型钢之间非加筋区部位的那部分水泥土。

因为水泥土的抗拉强度很小，所以应避免水泥土处于弯曲应力状态，这就要求型钢间距不能过大，保证水泥土的强度由受剪，受压控制。

2)组合刚度的计算
在挡墙正常工作状态下，水泥土的刚度贡献不能忽视，尤其显著的是水泥土的附加刚度效果。

因此，只考虑内插H型钢的单独承载，水泥土作为强度储备的挡墙设计思想是保守的，不能达到优化设计的目的。

旋喷桩内插型钢墙从受力特征角度可以分为三个工作阶段：1）弹性共同作用阶段。

其特征主要表现为：水泥土开裂前，型钢水泥土组合结构基本处于弹性工作状态，组合刚度即为型钢材和水泥土刚度之和；2）非线性共同作用阶段。

水泥土开裂初期，两材料之间发生微量黏结滑移，组合结构的挠度增大，但组合结构的刚度下降速率较慢；3）型钢单独工作阶段。

随着荷载的增加，水泥土开裂深度越来越大，新的裂缝不断产生，组合结构挠度增长较快，水泥土的作用已不明显，可以认为只有型钢单独起作用。

旋喷桩内插型钢挡墙通过H型钢和水泥土两种材料的粘结作用工作，其受力变形机理相当复杂，尤其是型钢需拔出时减摩剂的介入使二者的共同作用更为复杂。

不同插入方式的组合梁所表现的水泥土刚度贡献程度也有所差异，其中二插一形式最大，三插二次之，满插最小，这与单根H型钢周围的水泥土体积多少有关，从而影响其对型钢的约束作用。

4.型钢抗拔验算
旋喷桩内插型钢中型钢、水泥土、减摩剂三者之间的粘结、滑移关系非常复杂。

一般认为：若不考虑减摩剂的影响，型钢—水泥土间的粘结作用由三部分组成：水泥土中水泥胶体与型钢表面的化学胶结力；若考虑型钢回收，则可达到节约钢材和有效降低工程成本的目的，而为确保型钢的回收，旋喷桩内插型钢工法设计时，需进行型钢抗拔验算。

即从较完好地回收型钢出发，求型钢埋入旋喷水泥桩中的深度。

5.小结
本文对旋喷桩内插型钢工法的设计计算方法进行了研究分析。

旋喷桩内插型钢作为围护结构时，型钢起着挡土的作用，旋喷桩水泥加固土起着止水的作用。

初步总结出一套对旋喷桩内插型钢工法的设计计算方法。

注：文章内的图表及公式请以PDF格式查看。