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(hù)中的應(yīng)用及計(jì)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(hù)為對象，采用不同的計(jì)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(jìn)行了計(jì)算，并采用Plaxis8.5有限元軟件進(jìn)行數(shù)值模擬分析。結(jié)合實(shí)際的基坑變形監(jiān)測結(jié)果，對各計(jì)算方法進(jìn)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(jì)算模式得到的結(jié)果更為合理。同時(shí)提出了微型鋼管樁的施工要點(diǎn)、應(yīng)注意的問題以及仍存在的難點(diǎn)。

微型鋼管樁；計(jì)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(xì)比＞30，通過鉆孔或者震動(dòng)貫入土體中的一種鋼管［1］，作為一種較新的支護(hù)結(jié)構(gòu)，以其具有對土層適用性強(qiáng)、布置靈活、施工速度快、施工空間狹小等特點(diǎn)，在深基坑工程中獲得了廣泛的應(yīng)用。但是目前微型樁支護(hù)形式?jīng)]有專門的計(jì)算方法和統(tǒng)一的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，微型樁的樁和土體之間相互作用機(jī)理以及微型樁同錨桿的復(fù)合作用研究較少，落后于工程實(shí)踐。僅依靠現(xiàn)有的設(shè)計(jì)理論和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)往往難以滿足深基坑工程安全經(jīng)濟(jì)的要求，這些問題在一定程度上制約了這種支護(hù)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展［2］。目前大多數(shù)設(shè)計(jì)者都是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用，在復(fù)合土釘墻基本上可滿足要求的前提下，再增加微型樁進(jìn)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(chǔ)上再增加土釘、錨桿等措施，以增加安全儲(chǔ)備。雖然目前取得了較多成功案例，但會(huì)造成浪費(fèi)或不安全。

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

1　工程概況

居民小區(qū)內(nèi)圍繞高層擬建一個(gè)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(shí)支護(hù)）發(fā)生滑塌。隨后甲方對開挖的段落進(jìn)行了應(yīng)急加固，增加了臨時(shí)支護(hù)措施，對于未塌方段落停止開挖并進(jìn)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(hù)處理措施，再次開挖則很可能造成危險(xiǎn)，故急需選擇一個(gè)快速合適的支護(hù)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(fù)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(fù)合土釘墻支護(hù)，但在開挖3 m后，未及時(shí)采取支護(hù)，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(jìn)行了應(yīng)急處理，采用竹架板、鋼管臨時(shí)加固并及時(shí)回填土，考慮到本段周邊環(huán)境復(fù)雜，地層較差且已發(fā)生過滑塌等原因，進(jìn)行了變更設(shè)計(jì)。經(jīng)過對多個(gè)方案的對比分析，決定采用微型樁結(jié)合錨桿支護(hù)，設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)剖面見圖1。

圖1　微型樁支護(hù)設(shè)計(jì)剖面（單位：mm）

4　微型鋼管樁的設(shè)計(jì)計(jì)算

超前微型樁加錨桿可以有效控制基坑變形、增強(qiáng)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(fù)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(hù)的坑壁位移一般出現(xiàn)在坑口處［3］?；又ёo(hù)設(shè)計(jì)計(jì)算的內(nèi)容包括3方面：①基坑整體穩(wěn)定性驗(yàn)算；②支護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算；③基坑變形計(jì)算。而有關(guān)支護(hù)樁的設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)［4］。目前計(jì)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(jì)算法。以下重點(diǎn)介紹樁錨模式和等效剛度法，并采用數(shù)值法對設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化復(fù)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(jì)算采用理正深基坑支護(hù)軟件鋼管樁計(jì)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(shí)，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(xì)石混凝土以增強(qiáng)剛度，故以理正深基坑設(shè)計(jì)軟件中混凝土排樁支護(hù)為計(jì)算模型。在鋼管樁計(jì)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(zhǔn)確的支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力、位移等數(shù)據(jù)結(jié)果。用此公式計(jì)算等效混凝土樁直徑為190 mm。

由計(jì)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(shí)，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(jià)為一定厚度的連續(xù)墻，設(shè)樁徑為b，樁凈距為t，則單根樁等價(jià)為長度b+t的地下連續(xù)墻，等價(jià)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(shí)，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(jì)算法

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值計(jì)算法越來越多地應(yīng)用于工程中。有限元法可以對一些復(fù)雜結(jié)構(gòu)的計(jì)算進(jìn)行快捷處理，可以模擬樁土相互作用，是巖土工程先進(jìn)的計(jì)算方法，但仍需要可靠的理論依據(jù)和試驗(yàn)參數(shù)。目前將支護(hù)結(jié)構(gòu)分析結(jié)果直接應(yīng)用于設(shè)計(jì)尚不成熟，但可以對成熟的方法進(jìn)行優(yōu)化和提供復(fù)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(jì)算軟件，現(xiàn)在已廣泛應(yīng)用于各種復(fù)雜巖土工程項(xiàng)目的有限元計(jì)算分析中，故本文采用Plaxis8.5數(shù)值計(jì)算軟件對本基坑支護(hù)進(jìn)行分析計(jì)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(jì)算方法統(tǒng)計(jì)對比

采用數(shù)值計(jì)算方法開挖至基底時(shí)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(jì)算考慮了土和支護(hù)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(jì)算出的彎矩、剪力、位移等都同平均值較為接近，且計(jì)算原理明確，與現(xiàn)場實(shí)際的施工情況較為吻合。

圖2　開挖到基底時(shí)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(rèn)為采用沖擊法則較為經(jīng)濟(jì)。為此將現(xiàn)有的錨桿鉆機(jī)進(jìn)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(jì)算和測量導(dǎo)管長度，組配好導(dǎo)管，保證導(dǎo)管底端與孔底相距在1.0 m左右，接好導(dǎo)管后慢慢下放，要防止導(dǎo)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(jìn)行第1次注漿，直到回漿管開始回漿時(shí)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(yīng)輕輕敲擊鋼管，以保證填料密實(shí)［7］。再進(jìn)行第2次注漿，第2次注漿應(yīng)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(shí)際應(yīng)用中應(yīng)注意增加鋼管的整體性。一般在頂部設(shè)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(gè)整體。

6　基坑監(jiān)測

為了更好地對基坑位移進(jìn)行監(jiān)測，現(xiàn)場共布置5個(gè)位移監(jiān)測點(diǎn)，時(shí)間從支護(hù)開始前到開挖到基坑底1個(gè)月后，監(jiān)測時(shí)間約2個(gè)月，對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析整理，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表2。

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

現(xiàn)場布置水平位移監(jiān)測點(diǎn)，水平位移實(shí)測值與各計(jì)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(jì)算的位移同實(shí)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(shí)測最大位移比較接近。

圖3　水平位移實(shí)測值與各計(jì)算方法計(jì)算值對比

7　結(jié)論

本文結(jié)合實(shí)際基坑支護(hù)工程，根據(jù)對微型鋼管樁受力機(jī)理及各計(jì)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(hù)模式，通過采用4種計(jì)算方法對微型樁錨桿支護(hù)進(jìn)行計(jì)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(hù)模式有相似性。同時(shí)，4種方法在計(jì)算整體安全系數(shù)時(shí)較為接近，但抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)和側(cè)向位移計(jì)算值差異較大，4種計(jì)算方法各有優(yōu)點(diǎn)和不足。采用等剛度代換樁錨模式和連續(xù)墻模式進(jìn)行計(jì)算分析較為合理。若條件允許，建議采用數(shù)值計(jì)算進(jìn)行分析復(fù)核論證。

2）通過計(jì)算可知，數(shù)值分析的位移值同實(shí)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(shí)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(shí)際的位移比理論計(jì)算值小。

3）微型鋼管樁作為超前支護(hù)，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(yīng)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(diǎn)。鋼管樁成樁、注漿同錨桿相似，從施工、經(jīng)濟(jì)上來講相比排樁支護(hù)可大大節(jié)省支護(hù)費(fèi)用。

4）微型鋼管樁在基坑支護(hù)中，目前大部分鋼管都需要在管中注漿，且在樁身布設(shè)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(qiáng)了土體自穩(wěn)的能力；但是注漿后鋼管不能拔出，無法重復(fù)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(jìn)一步研究。

［1］滕海軍，劉偉.微型鋼管樁在基坑支護(hù)中的應(yīng)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(hù)分析方法及在基坑中應(yīng)用［D］.濟(jì)南：山東大學(xué)，2012.

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

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

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

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

［7］中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部，中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.GB 50739—2011復(fù)合土釘墻支護(hù)技術(shù)規(guī)范［S］.北京：中國計(jì)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(zé)任審編趙其文）

2016-02-28；

2016-06-20

劉衛(wèi)斌（1984—），男，工程師。