钢管-水泥土同步同心斜桩的承载特性与变形机理研究：试验与理论分析

（推荐语）本研究创新性地提出钢管-水泥土同步同心斜桩（SCSCP）的荷载传递模型，通过室内试验验证了桩-土界面τ0sz-Δuz双线性关系，建立考虑等效弹性模量Ep和剪切位移ks的解析方法，为基坑工程中这种新型复合斜桩的设计提供理论支撑。

　　

1 引言

作为基坑支护的创新结构，钢管-水泥土同步同心斜桩（SCSCP）通过高压喷射注浆工艺将高强钢管与水泥土柱结合，兼具施工高效和环境友好特性。传统支护体系如钢筋混凝土内支撑存在拆除困难等问题，而SCSCP通过斜向布置形成无支撑体系，其核心挑战在于钢管-水泥土界面τ_cf和端阻p_b的力学机制尚未系统研究。

2 试验研究与计算假设

2.1 钢管与水泥土界面关系

轴向加载试验显示（图3），7天养护试样的界面摩擦阻力τ_0sz随位移Δu_z呈线性增长，极限值达80-120kPa，且重复加载时残余强度保持初始值的80%。现场开挖证实（图4），钢管与内芯水泥土可视为无滑移整体，采用等效模量法E_p=π(r₀²-r'₀²)E_steel/r₀²计算复合刚度。

2.2 水泥土变形计算

基于剪切位移理论（式24），水泥土剪应变γ=ds/dr与径向应力τ_rsz=G_csγ满足平衡方程，其中G_cs为水泥土剪切模量。当相对位移超过Δu_cs1=0.5mm时，界面进入塑性阶段（图7a）。

2.3 桩端荷载传递

桩端阻力-沉降呈双折线关系（式2）：初始刚度k_cb1=18.059-42.866kN/mm，超过临界位移s_ub=10mm后降为k_cb2（图8）。Randolph公式（式39）计算地基系数f=(1-ν_b)/(4G_bR₀)。

3 参数分析与工程验证

3.1 关键参数确定

界面刚度k_s=120-200MPa/mm通过反演分析获得（图4）。Janbu公式（式42）计算端阻系数N_q=(tanδ+√(1+tan²δ))²e^2φtanδ，适用于软黏土至密砂土（φ=60°-105°）。

3.2 分层地基计算

对于倾斜穿越土层的SCSCP（图9），采用分层加权平均法（式43）计算等效刚度k'_cs=Σ(k_csjL_j)/L，解决斜桩与地层夹角θ带来的非对称荷载问题。

3.3 承载特性

荷载传递曲线（图10-11）显示：钢管轴力p_z沿深度呈指数衰减，90%荷载由上段15m承担；桩顶沉降中，水泥土剪切变形占比达40%（图12）。

4 工程案例对比

宁波某基坑项目（表2）中，32m长SCSCP实测荷载-沉降曲线与理论预测误差<15%（图13），验证了方法的可靠性。当设计承载力2200kN时，计算沉降28.5mm与实测31.2mm吻合良好。

5 结论

（1）建立的τ_0sz-Δu_z双线性模型能准确描述钢管-水泥土界面滑移效应；

（2）提出的等效模量法E_p和分层刚度修正适用于斜桩的非对称荷载分析；

（3）工程验证表明该方法可为SCSCP在软土基坑中的设计提供量化依据。