郭維衛(wèi)

福建勘察基礎(chǔ)工程公司

微型鋼管樁在特殊基坑（槽）中的支護(hù)應(yīng)用

郭維衛(wèi)

福建勘察基礎(chǔ)工程公司

以微型鋼管樁在支護(hù)空間受限、復(fù)雜工程地質(zhì)條件工況下基坑支護(hù)實(shí)例中的應(yīng)用為研究對象，采用等剛度代換原則將微型鋼管樁轉(zhuǎn)換為混凝土排樁、地下連續(xù)墻等模型進(jìn)行受力、變形分析，通過比較模型計(jì)算得出的各項(xiàng)安全系數(shù)、最大位移、最大剪應(yīng)力以及最大彎矩等參數(shù)判斷微型鋼管樁以及微型鋼管樁與其他支護(hù)手段同時(shí)作用的支護(hù)效果。由工程實(shí)例分析表明：微型鋼管樁與內(nèi)支撐構(gòu)件的聯(lián)合應(yīng)用在支護(hù)空間受限，施工場地狹小的基坑中凸顯優(yōu)勢；在易出現(xiàn)流砂的基坑中，微型鋼管樁與高壓旋噴樁的結(jié)合應(yīng)用不僅能起著支護(hù)的作用，同時(shí)能對基坑周圍水體形成有效的止水作用。微型鋼管樁注漿工藝對周圍土體形成了二次壓密和加固作用，可進(jìn)一步提高基坑坡體的整體穩(wěn)定性。

微型鋼管樁；特殊基坑；等剛度代換；受力變形

1 引言

微型鋼管樁是指樁徑為70～300mm，長細(xì)比大于30的一種通長鋼管樁[]，其通常采用鉆孔或震動貫入土體中。隨著城市建設(shè)的發(fā)展，建（構(gòu)）筑物越來越密集，基坑開挖支護(hù)空間、作業(yè)平臺越來越小，土釘墻、大直徑灌注樁等支護(hù)方式的應(yīng)用受到了很大限制，而鋼管樁作為一種“微型”支護(hù)樁，其施工平臺小、施工快速、方便等優(yōu)點(diǎn)受到了工程人員的青睞。隨著微型鋼管樁工程應(yīng)用的推廣，對微型鋼管樁的改進(jìn)、以及同其他支護(hù)手段的聯(lián)合應(yīng)用很大程度地改善了微型鋼管樁抗彎剛度小、抗剪性能差等問題。

國內(nèi)諸多學(xué)者已對微型鋼管樁在基坑中的應(yīng)用做出了一系列的研究，劉敬[2]將微型鋼管樁群、錨索框架橫梁以及掛網(wǎng)噴錨結(jié)構(gòu)聯(lián)合應(yīng)用于某已治理滑坡體下高建筑深基坑中，通過施工監(jiān)測結(jié)果提出微型鋼管樁穩(wěn)定性良好，技術(shù)指標(biāo)等符合工程設(shè)計(jì)規(guī)范要求。劉小麗等[3]將微型鋼管樁應(yīng)用于強(qiáng)風(fēng)化巖層基坑中，并結(jié)合Plaxis2D有限元分析軟件對微型鋼管樁在巖石基坑中的作用機(jī)制進(jìn)行了分析。目前，現(xiàn)有文獻(xiàn)多集中于微型鋼管樁聯(lián)合錨索等支護(hù)構(gòu)件在大型簡單地質(zhì)條件基坑中的應(yīng)用，對于復(fù)雜工程地質(zhì)條件，錨索（桿）聯(lián)合應(yīng)用受限的基坑中應(yīng)用研究甚少。本文將結(jié)合福建地區(qū)工程實(shí)例，分別對微型鋼管樁在支護(hù)空間受限、粗砂和粉砂賦存，易出現(xiàn)流砂等現(xiàn)象的基坑（槽）中的應(yīng)用進(jìn)行分析，從支護(hù)計(jì)算所得各項(xiàng)安全系數(shù)、支護(hù)構(gòu)件受力變形分析等方面進(jìn)行對比闡述，歸納總結(jié)出一些有益的結(jié)論，進(jìn)一步地推廣和指導(dǎo)微型鋼管樁在特殊工況基坑中的應(yīng)用。

2 受力機(jī)理及計(jì)算模型

根據(jù)微型鋼管樁在基坑中的應(yīng)用型式，其作用機(jī)理可分為兩種[3,4]：微型鋼管樁獨(dú)立作為支護(hù)構(gòu)件時(shí)，微型鋼管樁為主要受力構(gòu)件，起著抗彎作用，基坑下部未開挖土體對鋼管樁起著約束作用，可減少開挖時(shí)土層的側(cè)向變形；微型鋼管樁同錨桿或土釘同時(shí)作為支護(hù)構(gòu)件時(shí)，微型鋼管樁則作為柔性構(gòu)件，其改善了基坑土體的應(yīng)力場，同時(shí)微型鋼管樁能同樁間的掛網(wǎng)噴砼支護(hù)面層形成整體，將坡體自重傳遞至坑底，減少坡體變形，提高基坑坡體的整體穩(wěn)定性。

目前，對于微型鋼管樁的計(jì)算理論沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，主要分基于普通抗滑樁的計(jì)算方法、等效法和數(shù)值模擬計(jì)算方法[5,6]，基于上述，本文采用理正深基坑支護(hù)軟件鋼管樁計(jì)算模型、微型鋼管樁進(jìn)行等剛度代換后的混凝土排樁、地下連續(xù)墻等模型進(jìn)行計(jì)算分析，其中鋼管樁模型僅考慮了鋼管剛度，將鋼管內(nèi)灌注碎石和混凝土增強(qiáng)的剛度作為安全儲備?；炷僚艠杜c地下連續(xù)墻等剛度代換公式分別如下[7]：

EI=EsIs+EcIc（2-1）

EsIs=Ec(d+t)h3（2-2）

其中：EI——樁身抗彎剛度；

Es、Ec——鋼管彈性模量、混凝土彈性模量；

Is、Ic——鋼管與混凝土截面換算慣性矩；

d——樁徑；

t——樁凈距；

h——地下連續(xù)墻厚度。

3 基坑工程實(shí)例一

3.1 工程概況

龍巖一中原排洪箱涵線路位于在建用房基坑中，現(xiàn)對排洪箱涵進(jìn)行改線，改線后排洪箱涵工程基槽長115 m，箱涵基槽開挖深度為3.0～3.8 m，南側(cè)箱涵線路緊靠原1F食堂，現(xiàn)食堂頂部加蓋1F活動板房，食堂淺基埋深約為2.0 m，東側(cè)箱涵線路靠近已建運(yùn)動場，東北角箱涵線路距離6F居民用房約2.8 m，基礎(chǔ)埋深大于基坑開挖深度。東、南箱涵線另一側(cè)為緊鄰已施工在建用房基坑支護(hù)樁?；坶_挖深度較小，但是周圍環(huán)境復(fù)雜，基槽開挖對周邊影響大，屬于一級基坑，基槽平面及周邊環(huán)境詳見圖1。

圖1 工程平面布置圖

3.2 工程地質(zhì)條件

場地通過初步整平，地形比較平坦。基槽開挖范圍內(nèi)自上而下揭露了①雜填土、②粉質(zhì)黏土、②1粉質(zhì)黏土、③粉質(zhì)黏土、④粉質(zhì)黏土、⑤含卵石粉質(zhì)黏土、⑥含碎石角礫粉質(zhì)黏土、⑦1含有機(jī)質(zhì)粉質(zhì)黏土，各土層物理力學(xué)特性指標(biāo)見表1。

表1 物理力學(xué)特性指標(biāo)

場地地下水類型主要為第四系孔隙潛水，含水層為雜填土、含卵石粉質(zhì)黏土及含碎石角礫粉質(zhì)黏土層，均屬于弱透水層，主要受大氣降水和地表補(bǔ)給。場地穩(wěn)定水位為332.68～333.01，場地基槽開挖底標(biāo)高高于地下水位標(biāo)高，地下水對基槽開挖支護(hù)影響較小。

3.3 基槽支護(hù)設(shè)計(jì)

本工程設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于南側(cè)箱涵均緊鄰2F建（構(gòu)）筑，其基礎(chǔ)埋深約為2.0m。土方必須垂直開挖，土釘、錨桿等支錨構(gòu)件受限。為縮短工期，箱涵內(nèi)側(cè)在建用房樁基同時(shí)施工，機(jī)械設(shè)備擁擠，基槽開挖施工作平臺狹小。綜合考慮地質(zhì)條件以及周邊環(huán)境，南側(cè)箱涵基槽靠近在建用房基坑側(cè)利用已建支護(hù)樁進(jìn)行支護(hù)，另一側(cè)基槽采用Φ133壁厚4.0mm的無縫鋼管樁進(jìn)行支護(hù)，樁間距為500mm，樁長為6m，樁間掛鐵絲網(wǎng)噴砼支護(hù)，考慮微型鋼管樁抗彎剛度小等不足，在基槽底部和頂部增設(shè)方剛同已建支護(hù)樁形成對撐，各鋼管樁頂部采用槽鋼焊接形成整體支護(hù)，以增加開挖邊坡體的整體穩(wěn)定性，支護(hù)剖面詳見圖2。

圖2 典型支護(hù)剖面圖

本工程采用理正軟件鋼管樁模型、地下連續(xù)墻模型以及混凝土排樁模型進(jìn)行對比計(jì)算，等剛度代換后地下連續(xù)墻厚度約為40mm，等效混凝土排樁樁徑約為147mm。三種計(jì)算模型計(jì)算后最終工況內(nèi)力取值、位移大小以及各項(xiàng)安全系數(shù)對比如表2所示。

表2 各模型計(jì)算結(jié)果對比表

對比表2可知：鋼管樁模型與等效混凝土排樁模型計(jì)算的最大彎矩近似相等，約為地下連續(xù)墻模型的1.8倍；地下連續(xù)墻模型所得最大水平位移最大，三種模型最大水平位移均出現(xiàn)在與食堂基礎(chǔ)埋深相近的位置。對比三種模型計(jì)算所得的最大剪力可知，最大剪應(yīng)力和最大剪應(yīng)力距離坑頂距離均相近。三種模型計(jì)算得出的基坑整體穩(wěn)定性、抗傾覆穩(wěn)定性以及最大位移均能滿足規(guī)范[8]要求。該剖面基槽支護(hù)開挖后效果如圖3。鋼管樁與方鋼內(nèi)支撐的聯(lián)合應(yīng)用對基槽開挖起到了很好的支護(hù)效果。

圖3 基坑開挖效果圖

4 基坑工程實(shí)例二

4.1 工程概況

福州京東方3#模組提升車間位于福清融僑經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)內(nèi)，提升間南側(cè)為廠區(qū)道路，車流量大，道路另一側(cè)為已建廠房，其余三側(cè)均為待建模塊廠房空地。提升間樁基承臺底標(biāo)高為-8.1～-7.3m，基坑開挖高度為6.9～7.7m?；娱_挖深度較大，對周邊影響大，屬于一級基坑。提升間基坑平面位置如圖4所示。

圖4 基坑平面位置圖

4.2 工程地質(zhì)條件

場地原為農(nóng)田，局部山體出露，勘察期間基坑開挖范圍內(nèi)自上而下揭露了①素填土、①1雜填土、②粉質(zhì)黏土、②1粉質(zhì)黏土、②2粗砂、②3粉土、③卵石、⑥1砂土狀強(qiáng)風(fēng)化凝灰?guī)r、⑥2碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化凝灰?guī)r、⑦中風(fēng)化凝灰?guī)r。原場地標(biāo)高為約為33.0 m，現(xiàn)場地通過填土碾壓整平至36.0 m，基坑開挖范圍內(nèi)各土層物理力學(xué)特性指標(biāo)見詳見表3。

表3 物理力學(xué)特性指標(biāo)

場地東側(cè)為虎溪，其由北向南流動，場地地下水類型主要為孔隙潛水，主要含水層為粗砂層、粉砂層以及卵石層，均屬于強(qiáng)透水層，受大氣降水和地下徑流影響?？辈炱陂g測得水位絕對標(biāo)高約為26.18～34.42 m，地下水位標(biāo)高高于基坑底標(biāo)高，基坑開挖受地下水影響。

4.3 基坑支護(hù)設(shè)計(jì)

提升車間基坑開挖范圍中風(fēng)化凝灰?guī)r等出露1.0～2.5m不等，屬于土巖結(jié)合基坑。基坑南側(cè)距離廠區(qū)道路約為3.0 m，車流量大?；拥刭|(zhì)條件和水文條件較為復(fù)雜，基坑上部2.0～3.0m覆蓋后期壓實(shí)填土，主要含水層為粗砂層、粉砂層，基坑降水處理不慎將導(dǎo)致流砂，對周邊道路、建筑產(chǎn)生開裂影響，且基坑內(nèi)卵石粒徑較大。綜合考慮復(fù)雜水文地質(zhì)條件和周邊環(huán)境，本工程擬定兩種支護(hù)方案進(jìn)行比較，一為上部填土段放坡+下部旋挖灌注樁與錨桿聯(lián)合支護(hù)，二為上部填土段放坡+下部雙排“類SMW樁”與錨桿聯(lián)合支護(hù)。

雙排“類SMW樁”+錨桿支護(hù)為Φ650@600雙管高壓旋噴樁內(nèi)插Φ108@600壁厚4.0mm的無縫鋼樁，樁排間距為1.2m，其實(shí)質(zhì)為鋼管樁與高壓旋噴樁的結(jié)合應(yīng)用。錨桿間、錨桿與鋼管樁間通過槽鋼焊接形成整體，樁間采用掛網(wǎng)噴砼支護(hù)?！邦怱MW樁”嵌入中風(fēng)化凝灰?guī)r，中風(fēng)化凝灰?guī)r部分預(yù)留平臺后放坡支護(hù)?！邦怱MW樁”施工工序?yàn)橄冗M(jìn)行高壓旋噴樁施工，后引孔插入樁身按梅花型開注漿孔的鋼管和注漿管，管內(nèi)回填碎石后采用常壓灌注水泥凈漿。

旋挖灌注樁+錨桿支護(hù)即為Φ1000@2000的旋挖灌注樁與錨桿聯(lián)合作用，樁間高壓旋噴樁Φ650@600咬合形成一道止水帷幕，錨桿與支護(hù)樁間采用槽鋼連接形成整體。為減少篇幅，本文將雙排“類SMW樁”支護(hù)和旋挖灌注樁支護(hù)分別定義為“S支護(hù)”和“X支護(hù)”,并選取基坑深度最大，巖層出露少的剖面作為典型剖面進(jìn)行對比分析，兩種支護(hù)剖面如圖5所示。

圖5 典型支護(hù)剖面圖

S支護(hù)旋噴樁間相互咬合，僅考慮旋噴樁支護(hù)作用，將鋼管樁作為安全儲備考慮時(shí)，可將S支護(hù)等效為水泥土格柵墻模型計(jì)算。若同時(shí)考慮旋噴樁與雙排鋼管樁的支護(hù)作用時(shí)，可將S支護(hù)等效為雙排混凝土樁模型計(jì)算。本文將S支護(hù)分別轉(zhuǎn)換為上述兩種模型計(jì)算，并將計(jì)算結(jié)果同旋挖排樁支護(hù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比分析，各模型計(jì)算結(jié)果詳見表4。

X支護(hù)樁和S支護(hù)樁基坑邊坡整體穩(wěn)定性、抗傾覆穩(wěn)定性以及最大位移均能滿足規(guī)范[8]要求，且S支護(hù)的各項(xiàng)安全系數(shù)均大于X支護(hù)；兩種支護(hù)形式所得最大水平位移相近，但采用雙排混凝土樁模型計(jì)算S支護(hù)時(shí)，最大位移卻出現(xiàn)在基坑底部；X型支護(hù)最大剪力大于S支護(hù)，但兩種支護(hù)的最大剪力位置均位于坑底。由上述對比分析可知：S支護(hù)樁同樁間土體作為整體支護(hù)受力較優(yōu)于X支護(hù)樁的，同時(shí)考慮卵石粒徑大、砂層賦存厚等地質(zhì)條件，S支護(hù)的雙排高壓旋噴樁作為止水帷幕效果優(yōu)于X支護(hù)的，且S支護(hù)二次引孔注漿對周圍卵石、粗砂、粉砂等具有壓密、加固作用，增強(qiáng)了周圍土體間的黏結(jié)強(qiáng)度，可大大減少因止水效果差引起流砂的概率，增加基坑坡體的整體穩(wěn)定性。本工程最終選擇S支護(hù)樁進(jìn)行支護(hù)設(shè)計(jì)，2015年底，基坑順利竣工驗(yàn)收，S支護(hù)成功地應(yīng)用于工程實(shí)際，其支護(hù)效果受到了各方面的好評。鑒于高壓旋噴樁與鋼管樁結(jié)合支護(hù)應(yīng)用的雙重效果，該支護(hù)型式亦可在填土、軟土層賦存較厚的基坑中推廣應(yīng)用。

表4 各支護(hù)方法計(jì)算結(jié)果對比表

混凝土排樁模型41.26 19.29 7.77 5.85 7.71 7.70 3.30 2.21

5 結(jié)論

（1）在施工場地狹小，周圍環(huán)境復(fù)雜、支護(hù)空間受限的特殊基坑中，微型鋼管樁結(jié)合內(nèi)支撐構(gòu)件能夠充分地發(fā)揮優(yōu)勢，這對密集建筑群中基坑開挖支護(hù)，以及國家管網(wǎng)整改基槽支護(hù)等都是一種科學(xué)的選擇。

（2）對降水時(shí)易出現(xiàn)流砂現(xiàn)象的特殊基坑，高壓旋噴樁與鋼管樁的結(jié)合應(yīng)用是種高效的支護(hù)手段，樁體不僅起著支護(hù)的作用，而且是很好的止水屏障。同時(shí)，鋼管樁注漿對于旋噴樁和周圍土體具有二次壓密和加固的作用，增強(qiáng)了周圍土體間黏結(jié)強(qiáng)度，進(jìn)一步提高了基坑邊坡體整體穩(wěn)定性。

（3）鑒于高壓旋噴樁與鋼管樁結(jié)合支護(hù)應(yīng)用的多重效果，該種支護(hù)型式亦可在填土、軟土以及淤泥質(zhì)土較厚的特殊土層基坑中得到很好的應(yīng)用和推廣。

（4）在工程實(shí)際應(yīng)用中，微型鋼管樁的支護(hù)設(shè)計(jì)可同時(shí)采用等剛度代換的原則轉(zhuǎn)換為地下連續(xù)墻模型、等效混凝土樁模型、水泥土墻模型進(jìn)行對比分析。

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