城市范围内、主干道附近及环境要求严格的基坑多采用微型桩+内支撑的支挡技术方案，建设完工后，微型桩(包括其杆体材料)将永久地残留于市政道路下或其附近，不仅占用城市土地资源、浪费钢材、增加建设成本，还成为后续城市地下空间开发的障碍，因此如何合理回收微型桩内置钢材成为一个须待解决的问题．注浆微型桩支挡技术作为在市政基坑工程中一种适用性强的基坑支挡技术，一直都受到国内外学者的广泛研究和工程实践应用[1-6]．从泥土搅拌墙(SMW)工法中获得启发，针对微型桩内置钢材的回收，国内外学者也做了大量有价值的研究工作．文献[7-8]通过室内模拟试验、数值模拟等研究了型钢拔除作用机理及完整回收验算，推导出了起拔力估算公式．文献[9]采用废旧钢轨代替H型钢作为水泥土墙的内置加劲材料，对钢轨进行起拔试验，分析了钢轨的回收条件和方法，研究了钢轨与水泥土之间的摩擦力．这里以自主研制的侧阻拉力机，进行了以黄土为原材料的水泥黄土浆液中内置钢板拔除的室内试验．实际工程中，微型桩中的筋材多为钢管或型钢，由于本研究采用的拉拔仪器和试样盒尺寸有限，因此采用钢板进行试验，测量不同上覆压力下钢材单位面积的剪应力，根据面积相等的原则，可以计算得到实际工程中钢管或者型钢与水泥土的侧壁摩阻力．1 钢板拉拔室内试验1.1　试验设备及材料本研究的试验设备是结合常见拉拔试验装置的工作原理，研制的适合钢板拉拔室内试验的侧阻拉力机．侧阻拉力机主要由试样盒、水平加载机构和垂直加载机构三部分构成，该设备示意图如图1所示．水平反力架用以保护夹具并保证夹具在水平方向上有足够的运动空间，夹具与试样内置钢板相连，通过启动水平拉力施加装置，带动夹具的移动，完成对试样内置钢板的拉拔作用．10.13245/j.hust.210320.F001图1侧阻拉力机结构示意图1—竖向反力架；2—试样盒底座；3—千斤顶手摇柄；4—千斤顶；5—传力板；6—夹具；7—水平反力架；8—水平拉力施加装置．配套使用的试样盒，由厚度为6 mm的钢板焊接而成，其内径尺寸为250 mm×200 mm×120 mm(长×宽×高)．如图2所示，试样盒的前壁设置有孔口供钢板穿过；孔口上方固定有调平螺栓孔，连接调平螺栓，调平螺栓与钢板相互压接，保证钢板在试样养护过程中始终处于水平状态，使试验条件更接近于现场条件．10.13245/j.hust.210320.F002图2试样盒结构图1—试样盒；2—钢板；3—调平螺栓；4—调平螺栓孔；5—试样盒孔口．试验所用钢板为普通碳素结构钢，Q235级，长200 mm，宽100 mm，厚6 mm．1.2　水泥土的浆液配比用上述的试验设备及材料进行钢板拉拔室内试验．为了保证水泥黄土结石体满足强度要求，首先须要确定水泥浆液的水固比及水泥掺量等参数．试验所用黄土取自西安市北郊基坑，取土深度4.4~6.2 m，使用不透水袋密封填装，取回后立即测定主要物理指标，测定结果如下：含水率为11.5%，密度为2.67，液限为29.5%，塑限为18.1%，塑性指数为11.4．试验所用水泥为P•C32.5级硅酸盐水泥，配制水源采用饮用水；黄土过5 mm筛．以水泥黄土为原材料进行水泥浆液性能试验，主要测定水泥土浆液的黏度、泥浆密度以及泥浆结石率，结石体无侧限抗压强度．具体的试验过程参考《水工建筑物水泥灌浆施工技术规范》[10]．对于结石体无侧限抗压强度，有许多学者已经做了研究．文献[11]针对不同性质的黄土，测得与本节同样配比下水泥黄土浆液的28 d强度值在0.8~1.2 MPa之间；文献[12]和[13]对不同配比下水泥黄土浆液的28 d结石体强度进行测定，该配比下的结果也均在0.5~1.0 MPa左右．本次试验测得的结石体无侧限抗压强度结果见表1．10.13245/j.hust.210320.T001表1结石体无侧限抗压强度测定结果编号水泥掺量/%直径/mm面积/mm2高度/mm破坏荷载/N抗压强度/MPa强度均值/MPa1115471 734.94921 5700.90—2215491 885.74921 7000.900.953315471 734.94961 8101.04—4420501 963.50932 5251.29—5520481 809.56932 5901.431.436620451 590.43912 5001.57—该强度大于《型钢水泥土搅拌墙技术规程》中规定的0.5 MPa，证明所测结石体强度可以满足实际工程要求，所选配比也是合理可行的．通过水泥浆液试验，确定钢板拉拔试验中水泥黄土浆液试样的水泥掺量范围为5%~25%，水固比取值为0.5．依据水泥浆液黏度试验，在该水固比条件下，泥浆的流动性较好，在实际注浆工程中可以避免造成注浆管堵塞等问题．1.3　钢板拉拔室内试验方案根据上面试验得出的，水泥黄土浆液的水泥掺量(即水泥质量占黄土质量的比值)选用5%，10%，15%，20%和25%五个等级，水固比值(即水泥黄土浆液中水的质量占所有固体材料质量的比值)采用0.5，分别配置室内试验所用的水泥浆液．拉拔试验中内置钢板水平放置，因此试验中施加的上覆压力对应实际工况中微型桩所受的侧向土压力；微型桩适用于基坑深度不大的情况，取基坑深度分别为4，8，12和16 m，由p0=k0γ0h(黄土k0取0.625，γ0取20 kN/m3)[14]可得不同基坑深度h的上覆压力p0分别对应50，100，150和200 kPa．因此，试验采用5%，10%，15%，20%和25%五个等级的水泥掺入比；50，100，150和200 kPa四个等级的上覆压力作为试验条件进行室内试验，水固比选用0.5．减摩剂的影响主要分析涂抹减摩剂与不涂抹减摩剂时钢板拉拔力的差异．减摩剂使用SMW工法中用于起拔H型钢的R-1型减摩剂，外观为灰黑色油膏状，由天然油脂经特殊工艺制成．取水泥掺入比为10%和20%的两组试件，在其他条件不变的情况下对比钢板表面有无减摩剂时拔除的摩阻力大小．为了分析不同的拉拔速度对钢板拉拔力大小的影响，试验设置了5，10和15 r/min三个速度等级，取水泥掺入比为20%，其余试验条件相同的试件，对比分析拉拔速度对拉拔力的影响．试验时，按照模具内径尺寸和设计的水泥掺入比，水固比等将材料放入搅拌机搅拌，搅拌时间控制在15~20 min内[15]；钢板表面处理干净并涂抹减摩剂(涉及到未涂减摩剂的试样则不涂抹)，将钢板插入模具中，调节调平螺栓，保持钢板水平，前端留出70 mm的长度便于拉拔时夹具夹持钢板；将搅拌完成的浆液分层倒入模具并振捣，使土样高度略高于模具高度，然后将顶面刮平；装样完毕后将试样养护，养护时间为15 d；养护完成后，即进行钢板拉拔试验．2 试验数据与分析2.1　拉拔力曲线分析拉力-位移曲线如图3~5所示．试验过程中，通过加载部分对试样盒施加上覆压力，依靠水平拉力施加装置，使夹具向外移动，将钢板逐渐向外拉拔直至位移最大值，拉拔过程中记录仪器显示的拉力值．为保证试验结果稳定，每组试验设有3个平行试样．10.13245/j.hust.210320.F003图3水泥掺量10%的拉拔曲线10.13245/j.hust.210320.F004图4水泥掺量15%的拉拔曲线10.13245/j.hust.210320.F005图5水泥掺量20%的拉拔曲线从拉力-位移曲线可以看出，钢板拉拔过程可以分为四个阶段：a. 钢板在夹具的带动下向外拔出时，拉力值由0开始逐渐增大，但增幅较小，此时钢板与水泥土的粘结界面还未被破坏，此为钢板拉拔的第I阶段；b. 随着拉拔夹具的继续移动，拉力继续增大，钢板与水泥土接触面产生微小的相对滑动，该阶段的拉拔阻力主要由静摩擦力决定，拉拔过程中钢板的位移较小，此为钢板拉拔的第II阶段；c. 当拉力达到峰值时，钢板位移增幅变大，拉拔力迅速下降，此后的拉拔阻力由静摩擦力转化为滑动摩擦和滚动摩擦力，此为钢板拉拔的第III阶段；d. 拉拔力减小至一定值后，拉拔阻力主要由滚动摩擦决定，此后拉拔力平稳下降直至达到水平加载机构位移量程的最大值，此过程为钢板拉拔的第IV阶段．2.2　上覆压力及水泥掺量对钢板拉拔力的影响通过对拉拔力曲线的分析可知：拉力峰值即为静摩擦力转化为动摩擦力时对应的摩阻力(即拉拔力)，此时钢板开始被拉出，因此将拉拔力曲线对应的拉力峰值视为钢板的拉拔力．试验中上覆压力即为正应力，拉拔力即为剪应力，即σ=F/S，τ=P/A，其中：σ为作用在试样上的正应力；F为作用在试样上的压力；Τ为钢板拉拔时的剪应力；P为钢板拉拔时的拉力；S为传力板与试样的接触面积；A为钢板与水泥土的接触面积．得出正应力-剪应力的试验结果，如图6所示．10.13245/j.hust.210320.F006图6不同水泥掺入比下的正应力-剪应力曲线可以看出：剪应力与正应力和水泥掺量有关．在水泥掺量不变的条件下，剪应力与正应力呈正比关系．这与库仑摩擦定律相符合，即随着正应力逐渐增大，钢板和水泥土之间的接触压力也逐渐增大，从而使钢板拉拔力增大．正应力相同时，剪应力随着水泥掺量的增加而增大，正应力较小时，剪应力受水泥掺量影响大，水泥掺量增加，剪应力增速也较大；随着正应力的增加，正应力与水泥掺量共同影响剪应力，剪应力的增幅则越来越小，水泥掺量的增加会增大钢板和水泥土之间的粘结作用，进而增大钢板拉拔力．2.3　减摩剂的影响取水泥掺量为10%和20%的两组试件，分别测定其钢板表面涂抹减摩剂与不涂减摩剂的拉拔力，每组试验以3个平行试样的平均值作为最终试验结果，试验曲线如图7所示．10.13245/j.hust.210320.F007图7有无减摩剂对比曲线从表2可知：σ从50 kPa增加到200 kPa，试验使用减摩剂组的粘结强度为未涂抹减摩剂的50%左右．随着σ的逐渐增大，减摩剂对摩阻力的减小作用也逐渐增加．因为钢板拉拔是一个复杂的摩擦过程，摩擦系数对摩擦力大小起着决定性的作用，而减摩剂的使用，大幅减小了钢板和水泥土之间的摩擦系数，且随着正应力σ的增大，钢板和水泥土之间的粘结更加密实，减摩剂能更充分地发挥其作用，有效降低钢板与水泥土之间的粘结强度，减小钢板拉拔时的拉力．通过对试验结果的分析可知该减摩剂的作用效果具有一定的稳定性．10.13245/j.hust.210320.T002表2有无减摩剂摩阻力对比结果上覆压力/kPa水泥掺入比10%水泥掺入比20%钢板拉拔摩阻力/kPa摩阻力减小比/%钢板拉拔摩阻力/kPa摩阻力减小比/%无减摩剂有减摩剂无减摩剂有减摩剂5028.013.347.534.015.645.910030.715.048.835.117.449.615034.217.150.037.019.853.520038.719.550.439.722.957.72.4　拉拔速度的影响为了分析不同拉拔速度对钢板拉拔力大小的影响，取水泥掺入比为20%的试样，分别设置5，10和15 r/min三个速度等级进行钢板拉拔，每组试验以3个平行试样的平均值作为最终试验结果(若3个试样数据的差值大于10%，则重新进行试验)，对比分析拉拔速度对拉拔力的影响．试验结果如图8所示．10.13245/j.hust.210320.F008图8不同拉拔速度对比曲线可以看出：不同拉拔速度对钢板拉拔时的剪应力有一定的影响，拉拔速度越大则剪应力也越大，速度每提高5 r/min，剪应力则对应增加8%~12%不等，变化幅度较小．3 结论通过钢板拉拔室内试验研究注浆微型桩内置钢板的拉拔力规律及其影响因素，主要得到以下结论．水泥浆液水固比选用0.5或0.6，在工程中可以保证浆液在有较好的流动性，结石率也满足工程的要求．钢板拉拔分为4个阶段：第I阶段拉力和位移均较小；第II阶段拉力开始增加，达到峰值前的位移也非常小，均不超过3 mm；当达到峰值时进入第III阶段，钢板开始有明显的相对滑动，随后拉力迅速下降；之后下降趋势趋于平稳直至钢板拉拔工作结束，此过程为第IV阶段，结束时的拉力大部分在0.1 kN左右．拉力达到峰值时钢板被拉动，此时峰值即为拉拔力．拉力曲线图基本遵循SMW工法桩型钢拉拔力实测曲线，在涂抹相同减摩剂和拉拔速度不变的条件下，钢板拉拔力主要与其上覆压力和水泥掺量有关，拉拔力与上覆压力和水泥掺量均呈正比关系，且涂抹减摩剂后的钢板与水泥土间的粘结强度不超过25 kPa．每增加50 kPa的上覆压力或5%的水泥掺量，钢板拉力值会增加15%~20%左右．钢板表面是否涂抹减摩剂对钢板拉拔力的影响较大，在两种水泥掺量下，涂抹减摩剂试样的剪应力均为未涂抹减摩剂的50%左右，可证明该减摩剂具有一定的稳定性，在实际工程中可选择合适的减摩剂，便于型钢的回收再利用．不同的拉拔速度对钢板拉拔力的影响较小，实际工程中可忽略不计，控制匀速拉拔即可．