劉衛(wèi)斌

（陜西鐵道工程勘察有限公司，陜西寶雞721001）

微型鋼管樁在黃土地區(qū)基坑支護中的應用及計算方法

劉衛(wèi)斌

（陜西鐵道工程勘察有限公司，陜西寶雞721001）

以寶雞火車站附近一深基坑支護為對象，采用不同的計算方法對微型鋼管樁的樁身內(nèi)力、基坑整體穩(wěn)定性和變形進行了計算，并采用Plaxis8.5有限元軟件進行數(shù)值模擬分析。結(jié)合實際的基坑變形監(jiān)測結(jié)果，對各計算方法進行對比，發(fā)現(xiàn)其中等剛度代換的樁錨模式和地下連續(xù)墻計算模式得到的結(jié)果更為合理。同時提出了微型鋼管樁的施工要點、應注意的問題以及仍存在的難點。

微型鋼管樁；計算方法；等效法；有限元分析；注漿；變形監(jiān)測

微型鋼管樁是指外徑＜300 mm，長細比＞30，通過鉆孔或者震動貫入土體中的一種鋼管［1］，作為一種較新的支護結(jié)構(gòu)，以其具有對土層適用性強、布置靈活、施工速度快、施工空間狹小等特點，在深基坑工程中獲得了廣泛的應用。但是目前微型樁支護形式?jīng)]有專門的計算方法和統(tǒng)一的設計標準，微型樁的樁和土體之間相互作用機理以及微型樁同錨桿的復合作用研究較少，落后于工程實踐。僅依靠現(xiàn)有的設計理論和實際經(jīng)驗往往難以滿足深基坑工程安全經(jīng)濟的要求，這些問題在一定程度上制約了這種支護技術(shù)的進一步發(fā)展［2］。目前大多數(shù)設計者都是根據(jù)經(jīng)驗進行實際應用，在復合土釘墻基本上可滿足要求的前提下，再增加微型樁進一步抵抗基坑變形，或者在微型鋼管樁已經(jīng)滿足要求的基礎上再增加土釘、錨桿等措施，以增加安全儲備。雖然目前取得了較多成功案例，但會造成浪費或不安全。

本文在總結(jié)前人研究的基礎上，以實際工程為例，就微型鋼管樁設計、施工中的一些問題進行探討，且通過不同的計算方法對該基坑微型樁的變形和穩(wěn)定性進行分析總結(jié)，找出適合于微型鋼管樁的計算方法。

1　工程概況

居民小區(qū)內(nèi)圍繞高層擬建一個大型環(huán)形車庫，車庫長約380 m，寬10～30 m，地下2層，基坑深度約8.0～8.4 m。由于降雨、管道破裂（漏水）等影響，基坑北側(cè)部分段落開挖3 m后（未及時支護）發(fā)生滑塌。隨后甲方對開挖的段落進行了應急加固，增加了臨時支護措施，對于未塌方段落停止開挖并進行了回填處理，才基本上保證了附近管線及建筑的安全。目前該段基坑還處于不穩(wěn)定狀態(tài)，若下一步基坑沒有適合的支護處理措施，再次開挖則很可能造成危險，故急需選擇一個快速合適的支護處理方法，以保證基坑、附近管線及建筑的安全。

2　場地地質(zhì)條件

地下車庫位于寶雞火車站東側(cè)，隴海鐵路南側(cè)，地形基本平坦。地貌為渭河左岸一級階地前緣，由渭河沖洪積砂土和碎石土組成。地層可分為4層，自上而下分別為：①雜填土，灰褐色，結(jié)構(gòu)疏松，孔隙發(fā)育，層厚0.5～0.7 m；②黃土狀粉土，黃褐色，孔隙發(fā)育，稍密，底部含砂及礫石，具濕陷性，層厚5.7～7.3 m；③卵石，中密，分選性差，級配不良，一般粒徑6～15 cm，最大粒徑21 cm，含粗砂和粉土透鏡體，層厚4.7～7.9 m。

3　方案選擇

本段基坑周邊環(huán)境條件復雜，有房屋、隴海鐵路及多條管線分布，且施工場地狹小。開始基坑采用復合土釘墻支護，但在開挖3 m后，未及時采取支護，再加上下雨和周邊水管爆裂水滲入土體中，基坑發(fā)生滑塌。最后進行了應急處理，采用竹架板、鋼管臨時加固并及時回填土，考慮到本段周邊環(huán)境復雜，地層較差且已發(fā)生過滑塌等原因，進行了變更設計。經(jīng)過對多個方案的對比分析，決定采用微型樁結(jié)合錨桿支護，設計樁徑150 mm，采用φ150 mm×6 mm鋼管，間距0.8 m，布置2層錨桿，兩樁一錨，設計剖面見圖1。

圖1　微型樁支護設計剖面（單位：mm）

4　微型鋼管樁的設計計算

超前微型樁加錨桿可以有效控制基坑變形、增強基坑邊坡的穩(wěn)定，對自立性較差的土層，可以有效防止施工開挖過程坑壁局部坍塌。根據(jù)相關(guān)資料，復合土釘最大水平位移出現(xiàn)在基坑開挖深度的中上部，純土釘支護的坑壁位移一般出現(xiàn)在坑口處［3］?；又ёo設計計算的內(nèi)容包括3方面：①基坑整體穩(wěn)定性驗算；②支護結(jié)構(gòu)計算；③基坑變形計算。而有關(guān)支護樁的設計主要包含：①樁的嵌固深度、間距；②樁身內(nèi)力及位移；③樁的截面等設計［4］。目前計算方法主要分為3大類：①基于普通抗滑樁的理論方法；②等效法，又分為樁錨模式、重力擋土墻模式（等效截面法）、土釘墻模式、等效剛度法和加筋土擋墻法；③數(shù)值計算法。以下重點介紹樁錨模式和等效剛度法，并采用數(shù)值法對設計進行優(yōu)化復核。

4.1樁錨模式

基于微型樁發(fā)揮類似大直徑樁的作用，承受土壓力，錨桿等將噴層所受土壓力傳遞到穩(wěn)定土層中，計算采用理正深基坑支護軟件鋼管樁計算模型，但只考慮了鋼管剛度，未考慮到鋼管注漿后的整體剛度。

最大位移、最大彎矩和最大剪力均出現(xiàn)在工況5即基坑開挖到底時，最大位移為37.52 mm，最大彎矩23.75 kN·m，最大剪力36.63 kN，整體安全系數(shù)2.18，抗傾覆系數(shù)2.1，均滿足規(guī)范要求。

4.2等剛度代換樁錨模式

考慮到鋼管樁使用中需要灌注細石混凝土以增強剛度，故以理正深基坑設計軟件中混凝土排樁支護為計算模型。在鋼管樁計算前，需要根據(jù)公式EI=ESIS+ECIC［5］將鋼管樁等剛度代換成等效直徑的混凝土樁，從而得到較為準確的支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力、位移等數(shù)據(jù)結(jié)果。用此公式計算等效混凝土樁直徑為190 mm。

由計算結(jié)果可知：最大位移、最大彎矩及最大剪力均出現(xiàn)在工況5即基坑開挖到8.1 m時，最大位移30.15 mm，最大彎矩26.77 kN·m，最大剪力48.6 kN，整體安全系數(shù)2.18，抗傾覆系數(shù)2.16，均滿足規(guī)范要求。

4.3地下連續(xù)墻模式

將微型樁按照剛度相等的原則等價為一定厚度的連續(xù)墻，設樁徑為b，樁凈距為t，則單根樁等價為長度b+t的地下連續(xù)墻，等價后的地下連續(xù)墻厚度為h，按二者剛度相等的原則可得EsIs=Ec（b+t）h3［5］，可代換為厚98 mm的地下連續(xù)墻。

最大位移、最大彎矩及最大剪力均出現(xiàn)在工況5即基坑開挖到8.1 m時，最大位移為27.77 mm，最大彎矩33.08 kN·m，最大剪力69.55 kN，整體安全系數(shù)2.20，抗傾覆系數(shù)4.1，均滿足規(guī)范要求。

4.4數(shù)值計算法

隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值計算法越來越多地應用于工程中。有限元法可以對一些復雜結(jié)構(gòu)的計算進行快捷處理，可以模擬樁土相互作用，是巖土工程先進的計算方法，但仍需要可靠的理論依據(jù)和試驗參數(shù)。目前將支護結(jié)構(gòu)分析結(jié)果直接應用于設計尚不成熟，但可以對成熟的方法進行優(yōu)化和提供復核依據(jù)。Plaxis是一款由荷蘭Plaxis B.V.公司推出的通用巖土有限元計算軟件，現(xiàn)在已廣泛應用于各種復雜巖土工程項目的有限元計算分析中，故本文采用Plaxis8.5數(shù)值計算軟件對本基坑支護進行分析計算及開挖模擬。其中填土及黃土采用庫倫-摩爾模型，卵石土采用硬化土模型［6］，分析總結(jié)發(fā)現(xiàn)4種方法的彎矩、剪力、水平位移差別較大，見表1。

表1　各計算方法統(tǒng)計對比

采用數(shù)值計算方法開挖至基底時鋼管樁位移及內(nèi)力的分布如圖2所示。最大位移為22.2 mm，最大彎矩19.7 kN·m，最大剪力36.23 kN。由于數(shù)值計算考慮了土和支護樁的相互作用，故彎矩、剪力及水平位移均較小，目前只能作為優(yōu)化參考。等剛度代換樁錨模式計算出的彎矩、剪力、位移等都同平均值較為接近，且計算原理明確，與現(xiàn)場實際的施工情況較為吻合。

圖2　開挖到基底時鋼管樁位移及內(nèi)力分布

5　微型鋼管樁施工

1）鉆孔施工?？紤]到場地狹小，且上方有高壓線，地層為卵漂石土等因素，經(jīng)過調(diào)研和考察，認為采用沖擊法則較為經(jīng)濟。為此將現(xiàn)有的錨桿鉆機進行改裝，土層采用回轉(zhuǎn)成孔，漂石采用潛孔錘沖擊成孔［7］，效率較高，可滿足質(zhì)量、安全和工期要求。

2）鋼管制作、安裝。鋼管外徑為150 mm，壁厚6 mm，每根長6 m，鋼管接頭用絲扣連接并焊接，成孔后安裝鋼管，并在鋼管中鉆2～5 mm小孔。

3）放注漿套管。檢查、計算和測量導管長度，組配好導管，保證導管底端與孔底相距在1.0 m左右，接好導管后慢慢下放，要防止導管下端插入孔底。

4）注漿。采用水泥漿，水泥采用P.O 42.5，水灰比0.5～0.8，注漿壓力宜為0.3～0.5 MPa。采用封孔裝置將孔封好，進行第1次注漿，直到回漿管開始回漿時停止注漿。往孔內(nèi)填入2～5 mm粒徑碎石，下料不宜太快，下料過程中應輕輕敲擊鋼管，以保證填料密實［7］。再進行第2次注漿，第2次注漿應邊注漿邊將注漿管向外拔，使?jié){液逐漸上冒，直至漿液返出孔口為止。

5）由于微型鋼管樁的樁徑小，剛度也較小，抵抗變形能力一般，在實際應用中應注意增加鋼管的整體性。一般在頂部設置冠梁，本基坑在頂部通過焊接將槽鋼冠梁與鋼管樁連接形成一個整體。

6　基坑監(jiān)測

為了更好地對基坑位移進行監(jiān)測，現(xiàn)場共布置5個位移監(jiān)測點，時間從支護開始前到開挖到基坑底1個月后，監(jiān)測時間約2個月，對測量數(shù)據(jù)進行分析整理，統(tǒng)計結(jié)果見表2。

表2　基坑監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果mm

現(xiàn)場布置水平位移監(jiān)測點，水平位移實測值與各計算值對比見圖3?？梢姡核轿灰谱畲笾禐?7.5 mm，最小值為22.2 mm；現(xiàn)場測得的位移平均值為22.8 mm，最大值為25.6 mm；數(shù)值計算的位移同實測平均值最為接近，而地下連續(xù)墻模式的側(cè)向位移同實測最大位移比較接近。

圖3　水平位移實測值與各計算方法計算值對比

7　結(jié)論

本文結(jié)合實際基坑支護工程，根據(jù)對微型鋼管樁受力機理及各計算方法分析對比，得出以下結(jié)論：

1）微型鋼管樁主要有抗滑樁、樁錨、土釘墻、地下連續(xù)墻等支護模式，通過采用4種計算方法對微型樁錨桿支護進行計算分析，發(fā)現(xiàn)其受力特征同等剛度代換樁錨模式較為接近，變形特征同等效地下連續(xù)墻支護模式有相似性。同時，4種方法在計算整體安全系數(shù)時較為接近，但抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)和側(cè)向位移計算值差異較大，4種計算方法各有優(yōu)點和不足。采用等剛度代換樁錨模式和連續(xù)墻模式進行計算分析較為合理。若條件允許，建議采用數(shù)值計算進行分析復核論證。

2）通過計算可知，數(shù)值分析的位移值同實測值較為接近，而微型鋼管樁在受到側(cè)向土壓力的情況下，需考慮樁的位移。實際證明樁的位移主要集中在樁頂4～8倍樁徑的范圍內(nèi)，又因樁頂和上部冠梁連接，使樁頂成為非自由端，故實際的位移比理論計算值小。

3）微型鋼管樁作為超前支護，能有效減少基坑變形，防止基坑滑塌，尤其是在場地狹小的條件下及特殊地層（卵石層）中應用，不僅可以解決土層在土方開挖后的自穩(wěn)，而且具有施工工藝簡單、快捷、環(huán)保的優(yōu)點。鋼管樁成樁、注漿同錨桿相似，從施工、經(jīng)濟上來講相比排樁支護可大大節(jié)省支護費用。

4）微型鋼管樁在基坑支護中，目前大部分鋼管都需要在管中注漿，且在樁身布設注漿孔以增加剛度和起到加固周邊土層的作用，不僅增加了鋼管樁的剛度，而且使周邊土層性能有一定提高，增強了土體自穩(wěn)的能力；但是注漿后鋼管不能拔出，無法重復利用。對于拔出鋼管樁對周邊環(huán)境的影響、拔樁的施工工藝以及鋼管的后續(xù)利用問題均需作進一步研究。

［1］滕海軍，劉偉.微型鋼管樁在基坑支護中的應用［J］.施工技術(shù)，2011（6）：93-96.

［2］徐云飛.錨拉微型鋼管樁的支護分析方法及在基坑中應用［D］.濟南：山東大學，2012.

［3］孫劍平，魏煥衛(wèi)，劉緒峰.復合土釘墻變形規(guī)律的實測分析［J］.巖土工程學報，2008，30（增）：479-483.

［4］中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設部.JGJ 120—2012建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2012.

［5］孫訓方，方孝淑，關(guān)來泰，等.材料力學［M］.北京：高等教育出版社，2009.

［6］宋二祥，宋廣.超前微型樁復合土釘支護穩(wěn)定及變形簡化計算方法［J］.工程力學，2014，31（3）：52-61.

［7］中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設部，中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.GB 50739—2011復合土釘墻支護技術(shù)規(guī)范［S］.北京：中國計劃出版社，2011.

Application of Mini-steel Tube Pile to Foundation Pit Support in Loess Area and Its Calculation Method

LIU Weibin
（Shaanxi Railway Engineering Survey Co.，Ltd.，Baoji Shaanxi 721001，China）

T aking the supporting approach for the deep foundation pit adjacent to Baoji station as the focus of study，different calculation methods to identify the internal force of the mini-steel pile were adopted，as well as the stability and the deformation of the foundation pit.Numerical simulation were undertaken by the finite element software Plaxis 8.5.T he comparison with the data obtained from deformation monitoring showed that the values calculated by equivalent stiffness pile-anchor stock and underground diaphragm wall methods were well closed to the measured values.Furthermore，the matters needing attention and problems possibly met during the pile installation were also proposed.

M ini-steel pile；Calculation method；Equivalent method；Finite element analysis；Grouting；Deformation monitoring

U417.1+1

ADOI：10.3969/j.issn.1003-1995.2016.09.26

1003-1995（2016）09-0104-04

（責任審編趙其文）

2016-02-28；

2016-06-20

劉衛(wèi)斌（1984—），男，工程師。