孔祥冰

（上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市 200092）

0 引言

隨著我國近年來高層建筑及地鐵隧道等工程的修建，城市地下空間被不斷開發(fā)利用，由此深基坑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及施工工藝也隨之不斷發(fā)展。上海等軟土地區(qū)的深基坑工程多采用排樁結(jié)合內(nèi)支撐的圍護(hù)型式。工程實(shí)際中，圍護(hù)結(jié)構(gòu)支撐體系一般成水平的封閉體系，以提高支護(hù)結(jié)構(gòu)的整體剛度。深基坑工程自身穩(wěn)定性是在圍護(hù)結(jié)構(gòu)、水平支撐體系和豎向立柱三大系統(tǒng)的共同作用下才能得以保證的，具有“點(diǎn)風(fēng)險(xiǎn)性”，即任何一個(gè)系統(tǒng)的失事均能引起整個(gè)基坑失穩(wěn)甚至破壞，帶來惡劣的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)后果[1]。

目前對(duì)軟土地區(qū)深基坑的整體穩(wěn)定性、圍護(hù)墻體的水平變形、支撐平面內(nèi)變形等課題均有很深入的研究，而對(duì)于立柱樁的研究少有涉及。本文從實(shí)際出發(fā)，通過工程實(shí)例，簡(jiǎn)要說明了基坑工程中，用型鋼結(jié)合水泥土攪拌樁作為立柱樁的應(yīng)用情況，以期為軟土地區(qū)深基坑工程中立柱樁問題提供有益的借鑒。

1 基坑支護(hù)中的立柱樁

基坑的平面支撐體系，通常由圍檁、水平支撐和立柱三部分組成，立柱設(shè)置在縱橫向支撐的交點(diǎn)處或桁架式支撐的節(jié)點(diǎn)處，同時(shí)需避開主體結(jié)構(gòu)混凝土墻、柱、梁等位置。立柱主要承受支撐結(jié)構(gòu)自重以及施工荷載。通常，基坑開挖面以上的立柱采用型鋼格構(gòu)柱，基坑開挖面以下采用鉆孔灌注樁。基坑支護(hù)體系內(nèi)，格構(gòu)柱內(nèi)插于立柱樁中，二者共同構(gòu)成基坑三維支護(hù)體系的豎向承力系統(tǒng)，其功能是提高支撐結(jié)構(gòu)的承載力和穩(wěn)定性?；又ёo(hù)體系外，圍護(hù)結(jié)構(gòu)、內(nèi)支撐、豎向立柱組成一個(gè)三維空間結(jié)構(gòu)共同承受側(cè)向水土壓力與施工荷載。

立柱樁的功能與一般的工程樁不完全相同，它在基坑開挖時(shí)就先于工程樁承受荷載，開挖結(jié)束后部分立柱樁亦可轉(zhuǎn)為工程樁再承受上部結(jié)構(gòu)荷載。立柱樁的樁徑一般比工程樁大、樁長(zhǎng)更長(zhǎng)且樁頂承受的荷載較大。對(duì)于軟土地區(qū)深基坑工程，立柱樁在基坑開挖面以下的埋深要滿足支撐結(jié)構(gòu)對(duì)其承載力及變形的要求，并大于基坑開挖深度的2倍，且最好穿過淤泥質(zhì)土層，位于力學(xué)性質(zhì)較好的土層內(nèi)；立柱的間距也是根據(jù)支撐構(gòu)件的穩(wěn)定和豎向荷載的大小確定的，一般不大于15 m。如此多的限制條件，對(duì)于具有內(nèi)支撐系統(tǒng)的深基坑，無疑要有大量的立柱樁來滿足工程需要，因此立柱在造價(jià)方面也倍受建設(shè)單位的重視[2]。

型鋼水泥土攪拌墻（SMW工法樁）是一種在連續(xù)套接的三軸水泥土攪拌樁內(nèi)插入型鋼所形成的復(fù)合擋土隔水結(jié)構(gòu)。型鋼水泥土攪拌墻將受力結(jié)構(gòu)與隔水帷幕合一，圍護(hù)體占用空間??；圍護(hù)體施工對(duì)周邊環(huán)境影響小，墻體防滲性能好；施工過程無需回收處理泥漿，且型鋼可回收，環(huán)保節(jié)能，經(jīng)濟(jì)性好；適用土層范圍廣，結(jié)合輔助措施可用于較硬質(zhì)地層；成樁速度快，圍護(hù)體施工工期短。因此，該圍護(hù)形式近年來得到了越來越廣泛的應(yīng)用。

當(dāng)采用SMW工法樁圍護(hù)，水平向支撐僅有一道時(shí)，支撐上部荷載不是很大，相比常規(guī)的格構(gòu)柱+鉆孔灌注樁做法，型鋼結(jié)合水泥土攪拌樁作為立柱樁可以利用現(xiàn)有的工法設(shè)備，節(jié)約鉆孔灌注樁樁機(jī)的進(jìn)場(chǎng)費(fèi)用，并大量節(jié)約施工工期和基坑圍護(hù)造價(jià)。但到目前為止，型鋼結(jié)合水泥土攪拌樁在深基坑工程中作為立柱樁使用還不多見，針對(duì)這一問題的研究也比較少。本文列舉了一個(gè)工程實(shí)例，該實(shí)例成功利用了型鋼結(jié)合水泥土攪拌樁作為深基坑工程中的立柱樁。型鋼立柱樁應(yīng)用在SMW工法樁圍護(hù)中，可利用現(xiàn)有圍護(hù)設(shè)備施工，更能凸顯其經(jīng)濟(jì)實(shí)用性[3-5]。

2 工程案例

2.1 基坑概況

本工程場(chǎng)地位于上海市浦東新區(qū)，工程類型為市政工程半地下式固廢轉(zhuǎn)運(yùn)站，場(chǎng)址占地面積約為5 267 m2，主要功能為生活垃圾的分流轉(zhuǎn)運(yùn)?；娱L(zhǎng)約73 m，寬約52 m，基坑占地面積約3 340 m2，圍護(hù)結(jié)構(gòu)總周長(zhǎng)約252 m。地下室一層層高為6.0 m，底板厚度0.8 m，基坑開挖深度為6.90 m（包括0.20 m墊層）。

基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用三頭φ850SMW工法樁，樁間距為600 mm，樁內(nèi)插入H700×300×13×24型鋼，插一跳一。樁長(zhǎng)為16.2 m，插入比為1∶1.45。樁頂部設(shè)置1 350 mm×800 mm鋼筋混凝土頂圈梁。為了減少基坑周邊變形，基坑采用裙邊加固，用格柵式水泥土深度攪拌樁進(jìn)行加固。格柵式水泥土攪拌樁加固深度為基坑底面以下5.0 m，寬度5.2 m。支撐體系采用鋼筋混凝土支撐，平面上布置為正交對(duì)撐形式。混凝土支撐平面間距8.7～9.6 m，立面上支撐中心線距立柱樁頂為5.30 m。

圍護(hù)布置平面圖見圖1。

圖1 圍護(hù)布置平面圖

2.2 立柱及立柱樁的計(jì)算

2.2.1 型鋼立柱計(jì)算

立柱應(yīng)按偏心受壓構(gòu)件進(jìn)行承載力計(jì)算和穩(wěn)定性驗(yàn)算，計(jì)算時(shí)應(yīng)充分考慮基坑開挖與拆撐過程中的各不利工況，偏心距應(yīng)根據(jù)立柱垂直度并按雙向偏心進(jìn)行計(jì)算。立柱受壓計(jì)算長(zhǎng)度宜取豎向相鄰水平支撐或水平結(jié)構(gòu)的中心距，最下一跨應(yīng)取最后一道支撐中心線至立柱樁頂?shù)木嚯x。

型鋼型號(hào)為 H400×400×13×21，材料為Q235B鋼，立柱受壓計(jì)算長(zhǎng)度取為5.3 m。立柱承受恒載標(biāo)準(zhǔn)值為440 kN，活載標(biāo)準(zhǔn)值為88 kN。型鋼立柱穩(wěn)定及強(qiáng)度驗(yàn)算采用荷載基本組合。

繞x軸最不利位置穩(wěn)定應(yīng)力按《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50017—2003）中公式（5.2.5-1）計(jì)算：

式中：N為計(jì)算構(gòu)件段范圍內(nèi)的軸心壓力；A為計(jì)算構(gòu)件的截面面積；rx為截面塑性發(fā)展系數(shù)；N＇Ex為參數(shù)為彎矩作用平面內(nèi)的軸心受壓構(gòu)件穩(wěn)定系數(shù)；φby為均勻彎曲的受彎構(gòu)件整體穩(wěn)定性系數(shù)；Mx、My為計(jì)算構(gòu)件段范圍內(nèi)對(duì)強(qiáng)軸和弱軸的最大彎矩；η為截面影響系數(shù)；Wx、Wy為按受壓纖維確定的對(duì)x軸、y軸梁毛截面模量；βmx為等效彎矩系數(shù)。

繞y軸最不利位置穩(wěn)定應(yīng)力按《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50017—2003）中公式(5.2.5-2)計(jì)算：

式中：N＇Ey為參數(shù)，N＇Ey=π2EA（/1.1λ2y）；φy為對(duì) y-y軸的軸心受壓構(gòu)件穩(wěn)定系數(shù)；βmy為等效彎矩系數(shù)。

最不利位置強(qiáng)度應(yīng)力按《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50017—2003）中公式(5.2.1)計(jì)算：

式中：An為凈截面面積；Wnx、Wny為凈截面模量；rx、ry為截面塑性發(fā)展系數(shù)。

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，構(gòu)件安全狀態(tài)為：穩(wěn)定滿足要求，強(qiáng)度滿足要求。

2.2.2 立柱樁計(jì)算

立柱樁荷載計(jì)算采用標(biāo)準(zhǔn)組合，在立柱所承受荷載的基礎(chǔ)上還需加上立柱及立柱樁的自重（考慮為44 kN），合計(jì)為572 kN。型鋼立柱下設(shè)φ850三軸水泥土攪拌樁，水泥土摻量為20%，樁長(zhǎng)為24.5 m。型鋼插入水泥土攪拌樁20 m，符合規(guī)范要求的2倍開挖深度以下，且已穿過淤泥層。立柱樁承載力驗(yàn)算需驗(yàn)算兩部分內(nèi)容，首先是型鋼在水泥土攪拌樁中的承載力，其次要驗(yàn)算型鋼與水泥土攪拌樁形成的立柱樁整體在自然土體中的承載力。

（1）型鋼在水泥土攪拌樁中的承載力驗(yàn)算

型鋼與水泥土的極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值按工程經(jīng)驗(yàn)取35 kPa，不考慮樁的端阻力（偏安全）。立柱樁豎向承載力驗(yàn)算按《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》（JGJ 94—2008）中公式(5.3.3-1)計(jì)算：

立柱樁承載力特征值：

（2）型鋼結(jié)合水泥土攪拌樁整體承載力驗(yàn)算

型鋼結(jié)合水泥土攪拌樁的計(jì)算參數(shù)按地勘報(bào)告中的鉆孔灌注樁參數(shù)執(zhí)行，計(jì)算時(shí)只考慮單根φ850三軸水泥土攪拌樁（偏安全）。按《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》（JGJ 94—2008）中公式(5.3.3-1)計(jì)算：

立柱樁承載力特征值：

播前要做好發(fā)芽試驗(yàn)，晴天將種子攤曬2～3d，可滅菌防病、激化種子酶活性，提高種子芽勢(shì)：在田地里土壤濕度好的地區(qū)，可進(jìn)行浸種催芽，用55℃左右的溫水浸泡種子68h，自然冷卻，撈起瀝干后在25～30℃下催芽，至種子50%露白時(shí)播種；播種前將干種子用專用玉米種子包衣劑進(jìn)行包衣，或直接選擇包衣種子加水進(jìn)行悶種，或用藥劑進(jìn)行拌種，其用量與種子重量之比為1：5，防止病蟲害。

上述式中：Quk為單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值；Qua為單樁豎向承載力特征值；Qsk、Qpk為總極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值和總極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值；qsik為第i層土的極限側(cè)阻力；psk為極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值；Ap為樁端面積；u為樁周長(zhǎng)；α為樁端阻力修正系數(shù)。

由上述計(jì)算結(jié)果可得，立柱樁承載力滿足要求。（3）現(xiàn)場(chǎng)立柱樁做法

現(xiàn)場(chǎng)支撐與立柱連接詳圖見圖2，立柱樁現(xiàn)場(chǎng)拍攝圖見圖3。

3 監(jiān)測(cè)結(jié)果及分析

3.1 立柱位移監(jiān)測(cè)

立柱支撐體系監(jiān)測(cè)點(diǎn)平面布置見圖4，立柱豎向位移見圖5。

在基坑隆起與豎向荷載的共同作用下，立柱可能上升，也可能下沉，其變化規(guī)律根據(jù)施工工況、地質(zhì)條件、結(jié)構(gòu)條件等呈現(xiàn)十分復(fù)雜的現(xiàn)象。由于立柱位移的不確定性，基坑工程開挖時(shí)，加強(qiáng)立柱的位移監(jiān)測(cè)是極為有必要的。立柱垂直位移警戒值：累計(jì)量±30 mm，速率3 mm/d（連續(xù)2 d）。

圖2 支撐與立柱連接詳圖

圖3 立柱樁現(xiàn)場(chǎng)拍攝圖

圖4 立柱支撐體系監(jiān)測(cè)點(diǎn)平面布置圖

3.2 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

由于坑底隆起估算與立柱沉降估算的難度，故對(duì)現(xiàn)有實(shí)踐工程中的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析總結(jié)很有必要。由圖5可以看出：基坑開挖前期，由于降水引起土體固結(jié)，造成土體沉降而使立柱樁有輕微下沉的趨勢(shì)；隨著基坑開挖深度的加大，基坑隆起量逐步增加，由此產(chǎn)生的立柱樁上浮量也逐步加大。立柱隆起最大值約為15 mm。

圖5 立柱豎向位移圖

根據(jù)已有工程經(jīng)驗(yàn)，立柱樁因基坑隆起而產(chǎn)生上浮屬于正?，F(xiàn)象，若在允許范圍內(nèi)，基坑是安全的。如果立柱下沉則說明立柱與坑底土層的相對(duì)位移已超過了土層的隆起量，也就是說立柱與坑底土層的相對(duì)位移已經(jīng)到了比較可觀的地步，當(dāng)出現(xiàn)這種情況時(shí)，立柱的豎向承載力已經(jīng)嚴(yán)重不足，甚至小于豎向載荷，基坑安全處于危險(xiǎn)狀態(tài)。

4 施工要求

上述工程案例的成功，驗(yàn)證了型鋼立柱樁作為立柱樁的可行性，不僅解決了設(shè)計(jì)過程中一系列實(shí)際問題，還大量節(jié)約了工期和基坑圍護(hù)造價(jià)。在實(shí)際工程中，也要對(duì)型鋼立柱樁提出一定的施工要求：

（1）應(yīng)選擇質(zhì)量可靠的型鋼施工企業(yè)，要求廠家嚴(yán)格控制型鋼質(zhì)量。嚴(yán)格控制焊接質(zhì)量，焊接過程按相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。

（2）立柱在底板處應(yīng)有可靠的止水措施。

（3）樁身及型鋼垂直度必須嚴(yán)控，不得超過規(guī)范允許范圍，以防產(chǎn)生過大偏心距，造成型鋼立柱強(qiáng)度不足。

（4）同圍護(hù)樁中的型鋼不同，立柱樁型鋼不考慮回收，不得涂減摩劑。

（5）水泥土攪拌樁應(yīng)采用三軸攪拌樁設(shè)備施工，水泥摻量等相關(guān)參數(shù)控制按相關(guān)規(guī)范執(zhí)行。

（6）加強(qiáng)對(duì)基坑立柱位移監(jiān)測(cè)，避免開挖時(shí)受到擾動(dòng)，基坑開挖完成后應(yīng)盡早實(shí)施結(jié)構(gòu)底板。