强制搅拌斜向支撑桩在软土基坑中的应用

金小荣，隋 欣，郭 永，莫立成

（1.浙江大学建筑设计研究院有限公司，浙江 杭州 310028；2.浙江华蕴基础工程有限公司，浙江 湖州 313211）

0 引 言

基坑工程作为开发利用城市地下空间的重要保障，正向着“深、大、紧、近”四个方向发展。基坑工程具有地域性、综合性、风险性、环境效应和时空效应的特点[1]，其设计和施工难度大。在城市化水平较高的地区，如棚户区改造项目、企业改扩建项目等，由于这些工程大多处在建（构）筑物密集地带，地下管线交错，周边环境复杂，因此对基坑工程提出了更高的要求。

在基坑周边存在大量地下管线及建筑基础、施工用地紧张且不能超红线，基坑深度一般但面积大的工程中，排桩与斜撑组合形式的围护结构往往能彰显其优越性。相比于排桩与锚索（杆）、排桩与水平内支撑的围护结构，排桩与斜撑的围护结构具有不受红线限制、挖土方便、换撑工况相对独立不受整体牵制、节约工期且经济的优点。

1 强制搅拌斜向支撑桩特点

根据斜撑支撑点的不同，斜撑可以分为三类。第一类，斜撑底部撑在基础底板牛腿[2-3]或暗梁[4]。第二类，斜撑底部撑在支撑桩，支撑桩可以是灌注桩[5]、管桩[6]、搅拌桩[7-8]与树根桩复合结构[9]等。第三类，斜撑底部撑在地基土中[10-11]。本文所介绍的强制搅拌斜向支撑桩属于第三类，它是由钢格构、预制方桩、强制搅拌体以及扩大底部组成（如图1～3）。钢格构与预制方桩端部预先焊接形成整体，液压送桩过程中，当桩内部的强制注浆口达到基坑支护设计注浆段位置时，启动高压注浆泵，使钢格构与预制方桩外形成搅拌体。与其他类型斜撑相比，强制搅拌斜向支撑桩具有以下特点：

图1 强制搅拌斜向支撑桩正向图Fig.1 Front photo of forced mixing inclined support pile

图2 强制搅拌斜向支撑桩侧向图Fig.2 Side photo of forced mixing inclined support pile

图3 强制搅拌体以及扩大底部开挖现场图Fig.3 Photo of forced stirring body and enlarged bottom

（1）施工工序少：强制搅拌斜向支撑桩施工时无需预留三角土及施工缝，无需施工反力支座，无需二次挖土和二次施工底板，大大减小基础漏水风险。

（2）变形控制更可靠：强制搅拌斜向支撑桩属于超前支护形式，可在基坑开挖前提前控制土体变形。同时，由于不需要预留三角土，更有利于控制变形和周边环境的安全。在设置墙体止水带并回填土方后拆除斜格构，大大减小换撑引起的变形。

（3）经济性：由于强制搅拌斜向支撑桩施工速度快、工期短，可以节约工程造价。

2 工程实例

2.1 工程概况

本工程建设场地位于杭州市拱墅区某小学旧址，神龙路以东，龙塘路以西，沈康路以南，科祥路以北区域内，以上场地周边道路均为拟建道路，如图4 所示。场地属于拆旧建新，表层杂填土分布有混凝土活块石等硬杂物，场地内存在旧建筑桩基础和条形基础。本项目总用地面积33 588 m2，总建筑面积63 288 m2，其中地上建筑面积33 588 m2，地下建筑面积28 500 m2，架空层建筑面积1 200 m2，主要建设内容为1～3 号教学组团、4 号行政楼、5号食堂风雨操场，设1 层地下室，基坑开挖深度为5.00～7.10 m，周长约为710 m。

图4 基坑周边环境示意图Fig.4 Surrounding environment of the foundation pit

2.2 基坑周边环境

本基坑场地现状除西侧有硬化道路（未通车）外，其余三侧均为空地，环境尚可。

（1）基坑北侧：地下室外墙距离用地红线约9～10 m，红线外为拟建沈康路，现状为荒地。

（2）基坑东侧：地下室外墙距离用地红线约6～7 m，红线外为拟建龙塘路，现状为停车场。

（3）基坑南侧：地下室外墙距离用地红线约4～19 m，红线外为拟建科祥路，现状为待拆迁多层建筑和停车场。

（4）基坑西侧：地下室外墙距离用地红线约5～7 m，红线外为拟建神龙路，现状为原水泥道路。

除西北角高压线外，场地内原有污水管、路灯照明等地下市政管线均已废弃或在基坑施工前做迁移处理。西北角高压线距离地下室剪力墙约6.4 m，距离较近，且对变形要求高。

2.3 工程地质与水文地质条件

根据本工程的岩土工程勘察报告，拟建场地属冲海积平原地貌，场地地形平坦。基坑坑底以上主要分布土层为①0杂填土和①1粉质黏土，基坑底全部位于灰色、流塑状的②淤泥质黏土层，对基坑十分不利。场地地基土物理力学指标设计参数如表1 所示。

表1 地基土物理力学指标设计参数表Table 1 Design parameter table of physical and mechanical indexes of foundation soil

根据场地钻孔揭露，钻孔深度范围内主要含水层为赋存于人工填土和黏性土层中的孔隙潜水以及赋存于基岩风化裂隙中的基岩裂隙水。水位埋深为0.40～2.60 m。

2.4 基坑围护设计优化方案

（1）原基坑围护设计方案

综合本工程的工程地质条件、周边环境及工程规模，本项目除西北角外，采用放坡开挖结合拉森IV 钢板桩或H+HAT 工法桩的围护结构。由于西北角存在高压线，对变形要求较高，故西北角采用上部放坡、下部PC 工法桩和HU 工法桩结合一道型钢水平内支撑的围护形式，如图5 所示。

图5 基坑西北角原设计平面Fig.5 Original design plan of northwest corner of foundation pit

（2）原基坑围护设计方案缺点

原设计虽然可以保证基坑内地下室结构的完好、基坑外土体的整体稳定性，但是仍然存在不足，具体如下：

a）施工工期长：支撑施工完成后方可进行基坑开挖；换撑拆撑工况受底板强度影响，需要完成大量的支撑拆除工作。

b）工程造价高：立柱桩的设置、支撑面积大、施工工期长增加了工程成本；HU 工法桩型钢间相对密实，因此含钢量偏大。

c）施工不便：支撑下挖土需多台挖机倒运，基坑开挖速度慢、出土慢。

（3）基坑围护设计优化方案

为解决上述围护设计的不足，对本项目基坑进行设计优化，西北角支护形式调整为：原西北角的西侧区域调整为采用上部放坡开挖、下部双排PC工法组合钢管桩结合一道强制搅拌斜向支撑桩和被动区加固的围护结构。原西北角的北侧区域调整为采用放坡开挖结合H+HAT 工法桩的围护结构，如图6 所示。HAT 钢板桩采用900 mm 宽的帽型拉森桩，以节约工程造价。

图6 基坑西北角优化设计平面Fig.6 Optimized design plane of northwest corner of foundation pit

2.5 强制搅拌斜向支撑桩的设计优化方案

（1）强制搅拌斜向支撑桩的设计原理及关键点

强制搅拌斜向支撑桩的作用是将围护桩所受的水平力通过斜撑桩传递到地基土中。因此，围护桩与冠梁、冠梁与钢格构、钢格构与预制方桩、预制方桩与搅拌体之间的连接应满足斜向支撑桩水平分力与竖向分力的要求。

本项目中采用的强制搅拌斜向支撑桩由400 mm×400 mm 的钢格构斜撑下焊接400 mm×400 mm 预制方桩并采用强制搅拌体加固而成。钢格构采用的角钢与缀板材质均为Q235B，钢格构主肢采用L100×12 角钢，缀板采用360×200×12，间距500 mm，钢格构斜撑长6 m、9 m，满足格构式压弯构件的强度、刚度与稳定性要求。预制方桩长9 m，倾角45°。钢格构与预制方桩采用端部焊接，如图7～8 所示。强制搅拌加固体直径为800 mm，方桩端部处搅拌体扩径至1 000 mm，端部锚入④1粉质黏土层不小于1.5 m。典型基坑支护剖面如图9 所示，钢格构与预制方桩连接处端板详图如图10 所示。

图7 钢格构与预制方桩端部焊接Fig.7 Welding of steel lattice structure and prefabricated square pile end

图8 预制方桩端部Fig.8 End of prefabricated square pile

图9 典型基坑支护剖面图Fig.9 Profile of a typical foundation pit support

图10 钢格构与预制方桩连接处端板详图Fig.10 Profile on the end plate at the joint of steel lattice and prefabricated square pile

（2）强制搅拌斜向支撑桩施工技术

强制搅拌斜向支撑桩的施工工序为：a）施工准备，斜向支撑桩加工制作；b）开挖临时坑，斜向支撑桩定位，在斜向支撑桩身上粘贴长方形铁片，并悬挂角度监测指针，便于压桩角度的实时调整；c）安装搅拌及推进装置，从钢格构的端部置入动力钻杆装置，液压装置就位；d）斜向支撑桩两侧设置桩体抱箍，吊装到位；e）强制搅拌供浆系统就位；f）启动液压设备加压，将桩推进至设计标高；g）启动搅拌系统，搅拌供浆；h）回收钻杆；i）施工下一根斜撑支护桩。现场实景照片如图11～12 所示。

图11 强制搅拌斜向支撑桩定位照片Fig.11 Photo of orientation of forced mixing inclined support pile

图12 强制搅拌斜向支撑桩推进过程照片Fig.12 Photo of the jacking process of forced mixing inclined support pile

强制水泥搅拌体钻孔前按施工蓝图放线定位，钻孔定位误差小于50 mm，孔斜误差小于3°，桩径偏差不大于20 mm。注浆材料采用P.O42.5 水泥，水泥掺入量为35%，空搅水泥掺入量减半，水灰比为0.5～0.7。水泥浆应拌和均匀，随拌随用，一次拌合的水泥浆应在初凝前用完。搅拌钻杆的钻进速度为0.5 m/min，提升速度为0.8 m/min，误差不大于±10 cm/min。现场开挖完成实景如图13 所示。

图13 开挖完成实景照片Fig.13 Photo of completion of excavation

2.6 施工实施效果及现场监测结果分析

图14 为开挖至基坑底标高时，测点CX17、CX18、CX19 处深层土体水平位移的监测结果（测点位置见图6）。数据结果显示基坑开挖至坑底时，土体最大水平位移仅为10.34 mm，远小于设计报警值的35 mm。由于超前斜向支撑桩的刚度比水平内支撑小，且端部存在因土体变形产生的位移，使得采用强制搅拌斜向支撑桩的围护结构基坑变形不同于水平内支撑围护结构。其变形沿深度方向拐角效应不明显，与桩锚结构相似。

图14 深层土体水平位移图Fig.14 Horizontal displacement of deep soil

2.7 经济性比较

经过相关经济测算，原围护造价约为1 025 万元，优化后的围护造价约为800 万元，比EPC 投标控制造价的985 万元约低185 万元。此外，地下室基础施工工期缩短约40 d，加快了施工进度。

3 结 论

软土地基中城区的基坑工程往往需要特别注意变形控制与环境保护，基坑设计已从强度控制设计偏向于变形控制设计。本文介绍了一种强制搅拌斜向支撑桩在某软土基坑中的成功应用。相较于传统斜支撑，强制搅拌斜向支撑桩具有设备小巧、可小净距施工、施工速度快、可有效控制变形、适用于多种土质地层的特点，其进一步改良了传统斜向支撑的工艺并扩大了应用范围，对于类似的工程有一定的借鉴意义。