微型钢管桩在黄土地区基坑支护中的应用及计算方法

刘卫斌

（陕西铁道工程勘察有限公司，陕西宝鸡721001）

微型钢管桩在黄土地区基坑支护中的应用及计算方法

刘卫斌

（陕西铁道工程勘察有限公司，陕西宝鸡721001）

以宝鸡火车站附近一深基坑支护为对象，采用不同的计算方法对微型钢管桩的桩身内力、基坑整体稳定性和变形进行了计算，并采用Plaxis8.5有限元软件进行数值模拟分析。结合实际的基坑变形监测结果，对各计算方法进行对比，发现其中等刚度代换的桩锚模式和地下连续墙计算模式得到的结果更为合理。同时提出了微型钢管桩的施工要点、应注意的问题以及仍存在的难点。

微型钢管桩；计算方法；等效法；有限元分析；注浆；变形监测

微型钢管桩是指外径＜300 mm，长细比＞30，通过钻孔或者震动贯入土体中的一种钢管［1］，作为一种较新的支护结构，以其具有对土层适用性强、布置灵活、施工速度快、施工空间狭小等特点，在深基坑工程中获得了广泛的应用。但是目前微型桩支护形式没有专门的计算方法和统一的设计标准，微型桩的桩和土体之间相互作用机理以及微型桩同锚杆的复合作用研究较少，落后于工程实践。仅依靠现有的设计理论和实际经验往往难以满足深基坑工程安全经济的要求，这些问题在一定程度上制约了这种支护技术的进一步发展［2］。目前大多数设计者都是根据经验进行实际应用，在复合土钉墙基本上可满足要求的前提下，再增加微型桩进一步抵抗基坑变形，或者在微型钢管桩已经满足要求的基础上再增加土钉、锚杆等措施，以增加安全储备。虽然目前取得了较多成功案例，但会造成浪费或不安全。

本文在总结前人研究的基础上，以实际工程为例，就微型钢管桩设计、施工中的一些问题进行探讨，且通过不同的计算方法对该基坑微型桩的变形和稳定性进行分析总结，找出适合于微型钢管桩的计算方法。

1　工程概况

居民小区内围绕高层拟建一个大型环形车库，车库长约380 m，宽10～30 m，地下2层，基坑深度约8.0～8.4 m。由于降雨、管道破裂（漏水）等影响，基坑北侧部分段落开挖3 m后（未及时支护）发生滑塌。随后甲方对开挖的段落进行了应急加固，增加了临时支护措施，对于未塌方段落停止开挖并进行了回填处理，才基本上保证了附近管线及建筑的安全。目前该段基坑还处于不稳定状态，若下一步基坑没有适合的支护处理措施，再次开挖则很可能造成危险，故急需选择一个快速合适的支护处理方法，以保证基坑、附近管线及建筑的安全。

2　场地地质条件

地下车库位于宝鸡火车站东侧，陇海铁路南侧，地形基本平坦。地貌为渭河左岸一级阶地前缘，由渭河冲洪积砂土和碎石土组成。地层可分为4层，自上而下分别为：①杂填土，灰褐色，结构疏松，孔隙发育，层厚0.5～0.7 m；②黄土状粉土，黄褐色，孔隙发育，稍密，底部含砂及砾石，具湿陷性，层厚5.7～7.3 m；③卵石，中密，分选性差，级配不良，一般粒径6～15 cm，最大粒径21 cm，含粗砂和粉土透镜体，层厚4.7～7.9 m。

3　方案选择

本段基坑周边环境条件复杂，有房屋、陇海铁路及多条管线分布，且施工场地狭小。开始基坑采用复合土钉墙支护，但在开挖3 m后，未及时采取支护，再加上下雨和周边水管爆裂水渗入土体中，基坑发生滑塌。最后进行了应急处理，采用竹架板、钢管临时加固并及时回填土，考虑到本段周边环境复杂，地层较差且已发生过滑塌等原因，进行了变更设计。经过对多个方案的对比分析，决定采用微型桩结合锚杆支护，设计桩径150 mm，采用φ150 mm×6 mm钢管，间距0.8 m，布置2层锚杆，两桩一锚，设计剖面见图1。

图1　微型桩支护设计剖面（单位：mm）

4　微型钢管桩的设计计算

超前微型桩加锚杆可以有效控制基坑变形、增强基坑边坡的稳定，对自立性较差的土层，可以有效防止施工开挖过程坑壁局部坍塌。根据相关资料，复合土钉最大水平位移出现在基坑开挖深度的中上部，纯土钉支护的坑壁位移一般出现在坑口处［3］。基坑支护设计计算的内容包括3方面：①基坑整体稳定性验算；②支护结构计算；③基坑变形计算。而有关支护桩的设计主要包含：①桩的嵌固深度、间距；②桩身内力及位移；③桩的截面等设计［4］。目前计算方法主要分为3大类：①基于普通抗滑桩的理论方法；②等效法，又分为桩锚模式、重力挡土墙模式（等效截面法）、土钉墙模式、等效刚度法和加筋土挡墙法；③数值计算法。以下重点介绍桩锚模式和等效刚度法，并采用数值法对设计进行优化复核。

4.1桩锚模式

基于微型桩发挥类似大直径桩的作用，承受土压力，锚杆等将喷层所受土压力传递到稳定土层中，计算采用理正深基坑支护软件钢管桩计算模型，但只考虑了钢管刚度，未考虑到钢管注浆后的整体刚度。

最大位移、最大弯矩和最大剪力均出现在工况5即基坑开挖到底时，最大位移为37.52 mm，最大弯矩23.75 kN·m，最大剪力36.63 kN，整体安全系数2.18，抗倾覆系数2.1，均满足规范要求。

4.2等刚度代换桩锚模式

考虑到钢管桩使用中需要灌注细石混凝土以增强刚度，故以理正深基坑设计软件中混凝土排桩支护为计算模型。在钢管桩计算前，需要根据公式EI=ESIS+ECIC［5］将钢管桩等刚度代换成等效直径的混凝土桩，从而得到较为准确的支护结构内力、位移等数据结果。用此公式计算等效混凝土桩直径为190 mm。

由计算结果可知：最大位移、最大弯矩及最大剪力均出现在工况5即基坑开挖到8.1 m时，最大位移30.15 mm，最大弯矩26.77 kN·m，最大剪力48.6 kN，整体安全系数2.18，抗倾覆系数2.16，均满足规范要求。

4.3地下连续墙模式

将微型桩按照刚度相等的原则等价为一定厚度的连续墙，设桩径为b，桩净距为t，则单根桩等价为长度b+t的地下连续墙，等价后的地下连续墙厚度为h，按二者刚度相等的原则可得EsIs=Ec（b+t）h3［5］，可代换为厚98 mm的地下连续墙。

最大位移、最大弯矩及最大剪力均出现在工况5即基坑开挖到8.1 m时，最大位移为27.77 mm，最大弯矩33.08 kN·m，最大剪力69.55 kN，整体安全系数2.20，抗倾覆系数4.1，均满足规范要求。

4.4数值计算法

随着计算机技术的发展，数值计算法越来越多地应用于工程中。有限元法可以对一些复杂结构的计算进行快捷处理，可以模拟桩土相互作用，是岩土工程先进的计算方法，但仍需要可靠的理论依据和试验参数。目前将支护结构分析结果直接应用于设计尚不成熟，但可以对成熟的方法进行优化和提供复核依据。Plaxis是一款由荷兰Plaxis B.V.公司推出的通用岩土有限元计算软件，现在已广泛应用于各种复杂岩土工程项目的有限元计算分析中，故本文采用Plaxis8.5数值计算软件对本基坑支护进行分析计算及开挖模拟。其中填土及黄土采用库伦-摩尔模型，卵石土采用硬化土模型［6］，分析总结发现4种方法的弯矩、剪力、水平位移差别较大，见表1。

表1　各计算方法统计对比

采用数值计算方法开挖至基底时钢管桩位移及内力的分布如图2所示。最大位移为22.2 mm，最大弯矩19.7 kN·m，最大剪力36.23 kN。由于数值计算考虑了土和支护桩的相互作用，故弯矩、剪力及水平位移均较小，目前只能作为优化参考。等刚度代换桩锚模式计算出的弯矩、剪力、位移等都同平均值较为接近，且计算原理明确，与现场实际的施工情况较为吻合。

图2　开挖到基底时钢管桩位移及内力分布

5　微型钢管桩施工

1）钻孔施工。考虑到场地狭小，且上方有高压线，地层为卵漂石土等因素，经过调研和考察，认为采用冲击法则较为经济。为此将现有的锚杆钻机进行改装，土层采用回转成孔，漂石采用潜孔锤冲击成孔［7］，效率较高，可满足质量、安全和工期要求。

2）钢管制作、安装。钢管外径为150 mm，壁厚6 mm，每根长6 m，钢管接头用丝扣连接并焊接，成孔后安装钢管，并在钢管中钻2～5 mm小孔。

3）放注浆套管。检查、计算和测量导管长度，组配好导管，保证导管底端与孔底相距在1.0 m左右，接好导管后慢慢下放，要防止导管下端插入孔底。

4）注浆。采用水泥浆，水泥采用P.O 42.5，水灰比0.5～0.8，注浆压力宜为0.3～0.5 MPa。采用封孔装置将孔封好，进行第1次注浆，直到回浆管开始回浆时停止注浆。往孔内填入2～5 mm粒径碎石，下料不宜太快，下料过程中应轻轻敲击钢管，以保证填料密实［7］。再进行第2次注浆，第2次注浆应边注浆边将注浆管向外拔，使浆液逐渐上冒，直至浆液返出孔口为止。

5）由于微型钢管桩的桩径小，刚度也较小，抵抗变形能力一般，在实际应用中应注意增加钢管的整体性。一般在顶部设置冠梁，本基坑在顶部通过焊接将槽钢冠梁与钢管桩连接形成一个整体。

6　基坑监测

为了更好地对基坑位移进行监测，现场共布置5个位移监测点，时间从支护开始前到开挖到基坑底1个月后，监测时间约2个月，对测量数据进行分析整理，统计结果见表2。

表2　基坑监测数据统计结果mm

现场布置水平位移监测点，水平位移实测值与各计算值对比见图3。可见：水平位移最大值为37.5 mm，最小值为22.2 mm；现场测得的位移平均值为22.8 mm，最大值为25.6 mm；数值计算的位移同实测平均值最为接近，而地下连续墙模式的侧向位移同实测最大位移比较接近。

图3　水平位移实测值与各计算方法计算值对比

7　结论

本文结合实际基坑支护工程，根据对微型钢管桩受力机理及各计算方法分析对比，得出以下结论：

1）微型钢管桩主要有抗滑桩、桩锚、土钉墙、地下连续墙等支护模式，通过采用4种计算方法对微型桩锚杆支护进行计算分析，发现其受力特征同等刚度代换桩锚模式较为接近，变形特征同等效地下连续墙支护模式有相似性。同时，4种方法在计算整体安全系数时较为接近，但抗倾覆稳定性系数和侧向位移计算值差异较大，4种计算方法各有优点和不足。采用等刚度代换桩锚模式和连续墙模式进行计算分析较为合理。若条件允许，建议采用数值计算进行分析复核论证。

2）通过计算可知，数值分析的位移值同实测值较为接近，而微型钢管桩在受到侧向土压力的情况下，需考虑桩的位移。实际证明桩的位移主要集中在桩顶4～8倍桩径的范围内，又因桩顶和上部冠梁连接，使桩顶成为非自由端，故实际的位移比理论计算值小。

3）微型钢管桩作为超前支护，能有效减少基坑变形，防止基坑滑塌，尤其是在场地狭小的条件下及特殊地层（卵石层）中应用，不仅可以解决土层在土方开挖后的自稳，而且具有施工工艺简单、快捷、环保的优点。钢管桩成桩、注浆同锚杆相似，从施工、经济上来讲相比排桩支护可大大节省支护费用。

4）微型钢管桩在基坑支护中，目前大部分钢管都需要在管中注浆，且在桩身布设注浆孔以增加刚度和起到加固周边土层的作用，不仅增加了钢管桩的刚度，而且使周边土层性能有一定提高，增强了土体自稳的能力；但是注浆后钢管不能拔出，无法重复利用。对于拔出钢管桩对周边环境的影响、拔桩的施工工艺以及钢管的后续利用问题均需作进一步研究。

［1］滕海军，刘伟.微型钢管桩在基坑支护中的应用［J］.施工技术，2011（6）：93-96.

［2］徐云飞.锚拉微型钢管桩的支护分析方法及在基坑中应用［D］.济南：山东大学，2012.

［3］孙剑平，魏焕卫，刘绪峰.复合土钉墙变形规律的实测分析［J］.岩土工程学报，2008，30（增）：479-483.

［4］中华人民共和国住房和城乡建设部.JGJ 120—2012建筑基坑支护技术规程［S］.北京：中国建筑工业出版社，2012.

［5］孙训方，方孝淑，关来泰，等.材料力学［M］.北京：高等教育出版社，2009.

［6］宋二祥，宋广.超前微型桩复合土钉支护稳定及变形简化计算方法［J］.工程力学，2014，31（3）：52-61.

［7］中华人民共和国住房和城乡建设部，中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.GB 50739—2011复合土钉墙支护技术规范［S］.北京：中国计划出版社，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

（责任审编赵其文）

2016-02-28；

2016-06-20

刘卫斌（1984—），男，工程师。