高压旋喷钢管混凝土桩应用研究

5.1.3.1　高压旋喷钢管混凝土桩的荷载传递机理

作为一种复合才料桩，高压旋喷钢管混凝土桩是在高压旋喷水泥土中插入钢管作为一种新型的组合桩，结合了旋喷桩桩径大、比表面积大和芯桩强度高的优势，扬长避短，达到提高桩的承载力的同时减少桩基沉降量和节约造价的目的。

在插芯组合桩顶施加竖向荷载时，桩顶荷载由水泥土外侧摩阻力和水泥土桩端阻力共同承担。钢管受到桩顶荷载P、侧摩阻力τc和桩端阻力Rc构成静力平衡条件。高压旋喷水泥土桩受到由钢管传递过来的侧摩阻力τc、桩端阻力Rc、桩周土体侧摩阻力τx与端阻力Rx构成静力平衡。由力学简化分析模型（图5-7）可以看出，钢管受到的侧摩阻力和水泥土受到的侧摩阻力为作用力和反作用力，大小相等，方向相反。钢管首先承受着桩顶荷载，然后通过钢管与水泥土的摩擦力把荷载传递给水泥土，再由水泥土传递给桩周土。在荷载传递过程中需要芯桩与水泥土之间有较强的黏结性，在计算芯桩和水泥土界面相互作用时采用线性模型。

图5-7　组合桩简化受力分析

荷载作用时，首先是桩侧（水泥土或芯桩）与桩周土界面产生相对滑移而产生摩阻力以及塑性变形，在桩顶荷载不断增大过程中，桩端土也开始进入塑性状态。插芯组合桩的非线性曲线主要是由水泥土或钢管与桩周土界面上的塑性变形和滑移造成的。芯桩和水泥土界面相互作用采用线性模型，水泥土或芯桩与桩周土界面采用理想弹塑性荷载传递函数，芯桩和水泥土桩底与桩端土的相互作用采用双折线传递函数。如图5-8所示，芯桩与水泥土之间的界面称为第一界面，水泥土或芯桩与桩周土界面称为第二界面。任连伟等人对JPP桩不同水泥土厚度、不同水泥土弹性模量、不同刚度系数比等影响荷载传递的主要因素进行分析，得出以下结论：①增加水泥土的厚度可有效地提高插芯组合桩的承载力，但应控制在一个合理范围之内；②插芯组合桩的变形由高强度的芯桩控制，水泥土的弹性模量的改变对插芯组合桩的承载力影响较小；③高压旋喷水泥土与芯桩黏结强度应保持在一个合理区间，即刚度系数比不宜过小，这样既能保证插芯组合桩提高承载力，也能达到减小沉降的目的。

图5-8　组合桩和桩端荷载传递简化力学模型

5.1.3.2　高压旋喷钢管混凝土桩承载力计算

高压旋喷钢管混凝土桩体由钢管桩下接旋喷桩组成，并且钢管桩插入旋喷桩一定长度重叠，其破坏模式可能有以下三种。

（1）钢管才料压屈破坏：当钢管桩才料抗压强度小于桩体极限侧阻力与极限端阻力之和时，将出现桩顶才料屈服破坏，但一般钢管桩钢才强度较高，随着钢管截面尺寸增加，承载能力增加，但施工难度、成本将成比例增加。

（2）钢管桩插入旋喷桩重叠段错动刺入破坏：因旋喷桩体强度较高，可对内插钢管提供足够的握裹和黏结强度，钢管桩插入旋喷桩长度可控，通常不会发生剪切错动破坏。

（3）组合桩-土界面的剪切错动：由于组合桩荷载最终通过旋喷桩传递给周边土层，易造成旋喷桩与土层界面发生脱离或桩体才料破坏。

根据以上分析，组合桩体承载力由三部位承载力控制：第一，上部注浆钢管的才料竖向抗力；第二，旋喷桩上接钢管桩内插段竖向剪切错动抵抗力；第三，旋喷桩的竖向承载力。三者计算结果取小值并适当折减作为组合桩体承载力，即

Ra＝η·min｛Nk，Ra1，Ra2｝　（5-14）

式中　η——组合桩强度折减系数，取0.80～0.90；

Nk——钢管桩桩身承载力（kN）；

Ra1——钢管桩与旋喷桩交接处抗剪力（kN）；

Ra2——旋喷桩承载力（kN）。

式中　k1——钢管才料强度安全系数，取1.35；

k2——剪切错动安全系数，取1.5～2.5；

k3——水泥土体强度安全系数，取2.0～4.0；

D，d，d1——旋喷桩直径（m）、钢管桩外径（mm）、钢管桩内径（mm）；

ƒy，ƒcu——钢管、水泥体才料抗压强度（kPa）；

qs——水泥土体对钢管抗剪切侧阻强度（kPa）；

qsi，qp——土体对桩身侧阻力、端阻力特征值（kPa）。

桩尺寸参数：钢管桩长度L1＝18m，旋喷桩长度L2＝31m，钢管插入旋喷桩体长度L3＝10m。针对本工程，对以上三部位承载力计算如下：(www.xing528.com)

（1）钢管桩承载力。

钢管桩传递给旋喷桩桩底力由才料抗力确定，由于填石层可提供侧向约束，钢管外壁不考虑侧向摩阻力，即钢管桩竖向承载力为

（2）旋喷桩上接钢管桩内插段承载力。

水泥土体可看作是均匀凝固体，软土中旋喷桩桩体强度0.6～2.0 MPa，根据《型钢水泥土搅拌墙技术规程》（JGJ/T 199—2010）第4.2.5条关于型钢与水泥土错动受剪承载力的相关规定和计算方法，钢管桩插入旋喷桩交界段的竖向错动剪切承载力可作为该部位桩体的竖向承载力，由于桩体直径小，不考虑端阻；钢管插入旋喷桩体长取10m，天然状态下水泥土抗压强度取0.6 MPa，抗剪强度取抗压强度标准值1/3，即0.2 MPa，钢管桩插入旋喷桩错动竖向承载力特征值：

Ra1＝πdLqs/2＝3.14×114×10×0.2/2＝358（kN）　（5-19）

（3）旋喷桩的竖向承载力。

地层参数：基底下填石层8.0m，侧摩阻力为15kPa；为简化计算取淤泥层为30m，侧摩阻力为8kPa；强风化岩层侧摩阻力为100kPa，端阻力为300kPa。

旋喷桩穿过淤泥层后进入下覆强风化岩1.0～1.5m进行控制，考虑负摩阻力产生下拉荷载影响，取强风化岩层以上土层综合侧阻力为0，因此旋喷桩竖向承载力计算可近似作为摩擦端承桩考虑，水泥土立方体试块的单轴抗压强度取2.0 MPa，单桩竖向承载力特征值根据土层摩阻力及才料强度计算取两式中较小值：

为此，根据上述三种承载力最小值188.4kN，考虑实际工况再适当进行折减后取160kN（折减系数0.85）作为钢管旋喷复合桩体承载力特征值，承载力满足设计要求。

5.1.3.3　高压旋喷钢管混凝土桩沉降变形计算

本工程地基加固所用高压旋喷钢管混凝土桩参考《建筑桩基技术规范》（JGJ 94—2008）中关于单桩沉降量的计算方法，根据第5.5.14条的规定：计算点平面以下地基中由基桩引起的附加应力，按考虑桩径影响的明德林解计算确定，并将桩端平面以下影响范围各基桩对应力计算点产生的附加应力叠加，采用分层总和法计算土层沉降并计入桩身压缩，桩基最终沉降量按下列公式计算：

式中　n——沉降计算深度范围内土层的计算分层数，分层厚度不应超过计算深度的0.3倍；

σzi——水平面影响范围内各基桩对应力计算点桩端平面以下第i层土1/2厚度处产生的附加竖向应力之和（kPa）；

Δzi——第i计算土层厚度（m）；

Esi——第i计算土层的压缩模量（kPa）；

Qj——第j桩在荷载效应准永久组合下桩顶的附加荷载（kN）；

lj——第j桩桩长（m）；

Aps——桩身截面面积（m2）；

Ee——桩体才料的弹性模量（kPa）；

se——计算桩身压缩（m）；

ζe——桩身压缩系数；端承型桩，取ζe＝1.0；摩擦型桩，当l/d≤30时，取ζe＝2/3，当l/d≥50时，取ζe＝1/2；介于二者之间的可线性插值；

ψ——沉降计算经验系数。

根据分析组合桩体作为单桩基础其沉降变形由三部分组成：第一，钢管桩受竖向承载力作用下的压缩变形；第二，旋喷桩水泥土体的压缩变形；第三，桩端以下受桩底应力产生的地基沉降变形。其中，第三部分由于复合桩竖向力不高（仅100～200kN），持力层为强风化岩层时由附加应力产生的地基变形可忽略不计。

钢才弹性模量E＝200GPa，水泥体与钢管桩重叠段考虑变形协调，按钢管弹模计算变形，旋喷桩水泥土体沿竖向加权平均弹性模量取Es＝150 MPa。计算该组合桩体在100kN荷载作用下的最终沉降变形如下：