微型鋼管樁在濱海地區某深基坑中的應用

董 波 茲遠濤 楊永文 王艷舫

(山東巖土勘測設計研究院有限公司，山東 煙臺 264001)

隨著城市大規模的發展，在高層建筑及重要市政工程中，深、大基坑工程逐漸增多。煙臺位于膠東半島濱海地帶，區域內土巖組合地層及硬黏土地層分布較廣泛，本地區垂直支護常用支護樁型式為灌注樁和鋼管樁。鋼管樁相較于灌注樁，具有設備靈活、工程造價低、工期短及適用范圍廣等特點，故在地層較好的垂直支護工程中應用廣泛。

1 工程概況

擬建工程場區位于煙臺市萊山區觀海路旁，場地地勢西高東低。基坑周長約660 m，開挖深度8.5 m～10.0 m。

場地周邊環境如下：基坑北側為小區道路，道路下有高壓電纜管溝，圓形管溝距離地下室邊線3.5 m，埋深1.5 m；西側地下室邊線距離已建圍擋4.0 m；南側及東側場地比較空曠。

2 場區水文地質條件

2.1 工程地質條件

場地表層為素填土，其下依次為第四系粉質黏土、角礫、全風化云母片巖、強風化云母片巖。

2.2 水文地質條件

場區地下水屬第四系孔隙潛水，主要含水層為角礫層，實測地下水穩定水位埋深2.00 m～3.00 m，地下水位變化幅度1.50 m～2.00 m。

2.3 地層地基土參數

基坑開挖支護參數見表1。

3 基坑支護結構方案

3.1 設計方案

根據場地周邊環境、基坑自身條件及水文地質條件，綜合比較支護結構的優缺點，在場地空間有限的西側、北側，采用鋼管樁+錨索支護，其余兩側采用土釘墻支護，整個場區地下水控制采用管井降水。西側及北側支護剖面見圖1，圖2。

3.2 支護結構設計

鋼管樁采用直徑108 mm，壁厚8 mm的無縫圓鋼管，成孔直徑200 mm，鋼管樁水平間距0.5 m，樁長及嵌固深度見圖1，圖2。錨索錨固體采用強度等級為M30水泥漿，錨索成孔直徑150 mm，入射角為20°，采用2束1*7標準型φs15.2的鋼絞線，三樁一錨，錨索水平間距為1.5 m，腰梁選用2根20a的槽鋼，樁間掛直徑8 mm鋼筋網，水平豎向間距200 mm×200 mm，坡頂選用長度500 mm直徑16 mm的鋼筋固定鋼筋網，鋼筋的水平間距為2.0 m，坡面噴射強度等級C20細石混凝土，厚度60 mm。

3.3 降水設計

基坑降水井間距15 m；井深11 m～13 m；基坑內布設疏干井(井底確保進入基底以下2.5 m～3 m)；降水井直徑600 mm，井管為內徑300 mm的水泥管，在井管外圍填入中砂，基坑周邊布設波紋管直徑300的排水管道，沿著排水管30 m～50 m布設沉淀池，長寬高為1.0 m×1.0 m×1.2 m。排水管路經三級沉淀后接入附近的市政管道。

對于基坑側壁的滲水，在基坑坡面設置泄水孔，泄水管采用直徑50 mm塑料管，長度0.5 m，外露0.2 m，下傾角度為5°，端部用濾網包扎，水平、縱向均為間距3.0 m。

4 有限元數值模擬

4.1 幾何模型

針對西側及北側支護段采用有限元數值分析。場區地層以填土、粉質黏土、角礫及風化巖為主，采用Hardening-Soil本構模型，模型參數見表2。

表2 模型參數表

4.2 單元類型

網格基本單元類型為15節點三角形單元，網格劃分見圖3，圖4。

4.3 計算結果及分析

圖5中，西側鋼管樁在第一層土開挖后，變形曲線為懸臂樁變形特點，位移最大處位于樁頂，錨索施工后，變形曲線呈現出“兩頭小，中間大”的特點，且隨開挖深度不斷增加，最大側向位移不斷向下移動，位移最大值為18 mm，約為開挖深度的0.18%。圖6中，北側鋼管樁位移最大處位于樁頂位置，位移最大值為80 mm，約為開挖深度的1.05%。北側開挖深度比西側小，但位移變形較大，原因為上部懸臂過大，導致總體變形較大。

對比圖5，圖6的變形曲線，圖6中位移變形均呈現懸臂樁變形特點，原因為考慮到保護管線，第一道錨索標高位于管線標高以下，上部鋼管樁懸臂2.5 m，由此可見，對于微型管樁支護，由于鋼管樁自身抗彎性能差，懸臂超過一定高度后，變形增加明顯，應盡量將第一道錨索設置在樁身上部，減少懸臂長度。

根據圖7，圖8彎矩變化曲線，鋼管樁的彎矩變化與土壓力變化不是同步，是雙向調整的過程，鋼管樁的受力以發生突變和隨時間不斷進行調整的方式變化，逐漸趨向于自身的受力平衡的狀態的方向調整。每次開挖都會引起鋼管樁彎矩明顯的變化，影響深度向下延伸，然后隨時間進行重新調整。整個過程是不斷變化的過程，彎矩的最大值逐漸增大，位置不斷變化，錨索施加后對彎矩控制比較明顯。整個開挖過程中鋼管樁的正面以受拉為主，隨著開挖呈增大趨勢，穩定后最大值發生在中下部。開挖上部土體對鋼管樁的彎矩變化影響比較大。

圖9,圖10分別為基坑開挖過程中西側與北側支護樁后地表的豎向沉降曲線。由圖中看出，地表沉降曲線大致相同，變形呈凹形，隨著基坑開挖深度的增大，地表沉降逐漸增加，西側最大地表沉降達到25 mm，北側最大地表沉降達到85 mm，北側位移變形大的原因同樁身側向變形特點一樣，由于鋼管樁第一道錨索標高下降后，懸臂過長，致使變形過大。由沉降曲線可知，墻后地表沉降影響范圍約為4倍的開挖深度，這與Ou和Heish(1998)提出的觀點一致。

圖11為基坑北側管溝模擬結果圖，開挖至基底后，水平位移為53 mm，豎向位移63 mm，最大軸力28.6 kN，彎矩最大值為3.14 kNm/m，管溝水平豎向位移較大，數值分析結果表明，鋼管樁對保護周邊建(構)筑物有一定的局限性。

5 結語

通過有限元數值模擬，對鋼管樁樁體以及樁后土體在開挖過程中的變形性狀進行分析，得到以下結論：

1)鋼管樁上部懸臂高度對變形曲線有較大影響，懸臂高度較大情況下，側向變形明顯增大。同時，鋼管樁變形受錨索預加力影響較大。實際工程中，微型鋼管樁支護在硬黏土層或巖層中應用效果較好。鋼管樁懸臂過大導致側向變形會超出設計要求，致使后期施加錨索預加力后，懸臂部分側向變形也得不到有效控制。2)鋼管樁彎矩最大值隨開挖深度增加而不斷下移，錨索預應力施加對彎矩控制比較明顯。整個開挖過程中鋼管樁的正面以受拉為主，隨著開挖呈增大趨勢，穩定后最大值發生在中下部。開挖上部土體對鋼管樁的彎矩變化影響比較大。3)西側與北側地表沉降分布大致相同。由于北側鋼管樁上部懸臂較大，導致樁后地表沉降大于西側。與北側相比，西側樁后地表沉降最大值位置距坑壁更遠，墻后地表沉降影響范圍約為4倍的開挖深度。4)有限元數值模擬分析結果表明，采用微型鋼管樁+錨索支護在中軟土層對控制基坑周邊建(構)筑物變形效果不理想。