可回收鋼結構基坑護坡樁設計及應用研究

董 磊

（中鐵建設集團有限公司 北京 100040）

1 研究背景

隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，城市化進程不斷加快，地下空間的開發(fā)成為一種必然的發(fā)展趨勢，例如高層建筑地下室、地下倉庫、地下商場、地下停車庫、城市地鐵、地下民防工事以及各種其他地下設施等［1］。地下空間的開發(fā)使得建筑基坑規(guī)模越來越大［2］。

基坑工程中常見的剛性支護形式主要有地下連續(xù)墻、護坡樁、重力式水泥擋土墻［3］以及 SMW工法樁［4］。

以上剛性支護形式中，除SMW工法樁可對型鋼進行回收外，其他支護形式均不具備材料重復利用的功能。

SMW工法樁是由型鋼和水泥土攪拌樁組合形成的一種復合圍護結構，適用范圍為高壓縮性土層。臨時性支護使用功能結束后，型鋼可被回收再利用［5］，水泥土無法回收。針對低壓縮性土地層，沒有配套使用的可回收剛性支護的施工工藝。

上述剛性支護形式中，護坡樁應用最為廣泛［6］，市場上針對不同地層的施工工藝包括“旋挖鉆機成孔，水下灌注混凝土”以及“長螺旋鉆機成孔，后插鋼筋籠”等［7-9］?；臃什刍靥詈?，護坡樁失去其作用，造成鋼筋、混凝土等材料的浪費。因此研究一種在基坑肥槽回填后，可重復使用的護坡樁具有極高社會效益和經(jīng)濟效益［10］。

國內外關于可回收護坡樁的應用尚不廣泛，主要原因在于沒有可應用的形式替代鋼筋混凝土護坡樁或回收難度大。

2 可回收鋼結構基坑護坡樁設計

可回收鋼結構基坑護坡樁（以下簡稱鋼結構樁）采用一種圓管形鋼結構替代目前常用的鋼筋混凝土結構護坡樁（以下簡稱鋼混樁）。在樁成孔后，吊放鋼結構樁，與外部混凝土或水泥凈漿形成整體。基坑開挖過程中由鋼結構樁承擔外部結構荷載。待基坑回填后，采用隔離劑、通過千斤頂、吊車等外力將鋼結構分節(jié)吊出，待下個工程使用。

2.1 構件組成

鋼結構樁及起拔設備（見圖1）由錐形鋼管、預留孔洞、千斤頂、反力梁及提升杠組成，立面示意見圖2。

圖1 鋼結構樁提升裝置

圖2 鋼結構樁立面圖

2.2 保證鋼結構樁拔出的設計措施

鋼結構樁替代鋼混樁的核心問題在于鋼結構樁能否拔出。保證鋼結構樁拔出的設計措施主要有以下4個方面：

（1）上粗下細的錐形設計

采用上粗下細的圓錐形圓鋼管，這種形式存在易于拔出的優(yōu)點。鋼結構樁受到千斤頂提供的外力后，產(chǎn)生向上的位移，由于上粗下細的圓錐形結構特點，整體圓鋼管與周圍混凝土或水泥凈漿脫離形成空隙。此時，更換吊車提供外力，完成吊運工作，相比較SMW工法樁的型鋼回收工藝，可大幅提高拔樁效率。

（2）鋼結構樁的起拔部分的細部節(jié)點設計

在千斤頂施加外力的過程中，鋼結構樁本身必須保證足夠的強度，以地下3層的建筑為例，基坑深度15 m，設計護坡樁樁徑800 mm，樁長20 m，樁側土層側阻力標準值60 kPa，經(jīng)計算單樁樁側承載力特征值約270 t。必須保證千斤頂提供270 t的外力后鋼結構樁不變形。

根據(jù)鋼結構樁拔出的外力要求，鋼結構樁頂部90 cm需進行加強設計，圖3為加強區(qū)設計。

圖3 鋼結構樁頂部的加強設計

加強區(qū)相對非加強區(qū)的優(yōu)化設計主要有以下4點：

①加強區(qū)鋼結構樁壁厚增加到30 mm；

②增設壁厚20mm的格構板，提高加強區(qū)整體性；

③增設起拔孔，用于為構件拔出提供反力；

④加強區(qū)頂部設置鋼絲繩吊孔，用于鋼結構樁配合吊車的起吊。

（3）采用隔離劑降低側摩阻力

為進一步降低鋼結構樁拔出時承受的周邊側摩阻力，鋼結構樁周邊設置隔離劑。設計的隔離劑主要有3種方案，分別為脫模劑+薄膜、黃油+薄膜、黃油+塑料布。

（4）拆除鋼腰梁

為配合鋼結構樁拔出，原支護結構的鋼腰梁需拆除。原支護結構錨桿的拉應力通過鋼腰梁作用在護坡樁上，若不拆除鋼腰梁，則反力一直存在，鋼結構樁難以回收。

拆除鋼腰梁前，肥槽應回填至錨桿標高處，原錨桿承受的拉應力通過肥槽回填土分擔在結構外墻及結構板上。拆除鋼腰梁應割斷錨桿鋼絞線，斷開鋼腰梁與護坡樁的連接。最后將鋼腰梁分段外運。

由于鋼腰梁通常由采用大截面工字鋼制作，鋼腰梁拆除后可按廢鋼材折價回收，鋼腰梁的拆除已經(jīng)作為成熟的工法大范圍使用，不再論述。

2.3 鋼結構樁替代鋼筋混凝土樁的設計驗算

為實現(xiàn)材料的周轉，鋼結構樁需滿足不同地層、不同基坑深度等工況的綜合適用性問題［11］。

針對上述情況，在最不利工況下，鋼結構樁設計采用頂部直徑630 mm，底部直徑530 mm，壁厚9 mm的模型，針對不同地層，大量案例的反復驗算，該模型在以下條件下，能夠滿足適用性。

（1）對于樁頂位于地表的支護結構，基坑開挖深度10.0 m以內；

（2）對于在樁部進行放坡設計的支護形式，即“頂部土釘墻+樁錨支護形式”、“頂部擋土墻+樁錨支護形式”，基坑開挖深度13.0 m以內；

（3）護坡樁成孔范圍內的土層以IL＜1的黏性土、粉土、粉細砂、中砂、粗砂、礫砂為主；

（4）支護結構的安全等級為二級或者三級。

在不滿足上述條件的情況下，需首先進行鋼結構樁替代鋼筋混凝土樁的適用性分析。

下面以表1所示的設計工況下驗算鋼結構樁的強度、基坑整體穩(wěn)定性及支護結構的位移。

表1 鋼結構樁設計參數(shù)

鋼結構樁長度13.5m，頂部外露冠梁部分高50 cm。頂部鋼結構樁直徑630 mm，底部直徑530 mm。底部設置錐尖，錐尖高度500 mm。

（1）鋼結構樁強度驗算

基坑內側抗彎驗算：

基坑外側抗彎驗算：

基坑構件抗彎剛度計算中，鋼結構樁直徑按照截面530 mm進行驗算。

經(jīng)過驗算分析，鋼結構樁剛度滿足抗彎驗算要求。

（2）整體穩(wěn)定性驗算

整體穩(wěn)定安全系數(shù)Ks＝1.669。

（3）鋼結構樁支護結構的適用性分析

鋼結構樁替代鋼混樁作為擋土結構，剛度降低后，支護體系彎矩降低、水平位移增大。

基坑開挖至基底標高后，采用彈性法計算，支護結構水平位移為21.71mm；最大負彎矩為233.61 kN·m，最大正彎矩為170.16 kN·m。

針對上述工況，φ530×9.0的鋼結構樁設計，最大水平變形限值能夠滿足規(guī)范要求。

3 可回收鋼結構基坑護坡樁的施工應用

3.1 應用項目概況

應用項目位于北京市海淀區(qū)西北旺鎮(zhèn)?；悠矫娉叽缂s253.47 m×155.44 m，基底標高約35.20 m，開挖深度約6.80～8.80 m。

場地地層巖性由上至下依次可分為：素填土①、一般第四紀沉積土層（包括粘質粉土②1與砂質粉土②2、砂質粉土③1與粉質黏土③2、細砂④、粉質黏土⑤、粉質黏土⑥1與砂質粉土⑥2、粘質粉土⑦1與粉質黏土⑦2、粉質黏土⑧1與粘質粉土⑧2）。

為驗證新體系的應用效果，在同一基坑內不同邊坡位置分別施工鋼結構護坡樁與鋼筋混凝土護坡樁。圖4為鋼結構樁開挖過程現(xiàn)場照片。

圖4 鋼結構護坡樁開挖過程

3.2 施工工序

（1）采用螺旋鉆機成孔。成孔直徑800 mm。成孔后灌注一定量的混凝土，混凝土灌注量等于鉆孔體積減去密閉鋼結構樁體積。

（2）吊放預制好的鋼結構樁（吊放過程視需要配合施工振動錘）。隨鋼結構樁下放，已經(jīng)灌注的混凝土被擠壓，充滿鉆機成孔與鋼管間的空隙。

（3）鋼結構已吊放到位。鋼結構尺寸高出地表50 cm，方便肥槽回填后，鋼結構樁的吊出。

（4）鋼結構樁施工完成后，上部用冠梁連接。

（5）鋼結構樁與冠梁施工完成后，正常施工錨桿與鋼腰梁。

（6）基坑開挖至槽底完成上部結構施工。肥槽具備回填條件。

（7）肥槽回填，錨桿鋼腰梁拆除。鋼結構外露地面以上部分連接鋼結構樁拔出裝置（見圖1）。通過千斤頂將鋼結構樁頂松（鋼結構上粗下細設置），后采用汽車吊吊出。

（8）鋼結構拔出后，由于樁孔四周的混凝土保護，樁體不塌孔。嵌固深度部分回填素混凝土，上部回填素土。鋼結構樁回收，存放。備用下個工地。

3.3 基坑變形監(jiān)測

在同一基坑內的不同位置處，監(jiān)測鋼結構樁與鋼混樁在相同的開挖深度、錨桿設計情況下，對比兩種體系抵抗變形方面的能力，對比參數(shù)選取深層水平位移以及樁頂位移。

（1）深層水平位移

基坑開挖結束后，通過預先埋置的測斜管，對比鋼結構樁與鋼混坡樁深層水平位移。鋼混樁深層水平位移最大值為25.2 mm；鋼結構樁深層水平位移最大值為27.2 mm。

鋼混樁深層水平位移最大值小于鋼結構樁。二者均小于《建筑基坑工程監(jiān)測技術規(guī)范》（GB 50497-2009）規(guī)定的絕對值45～50 mm以及相對基坑深度控制值的0.4%～0.5%。

（2）樁頂位移

基坑開挖至基底后，鋼混樁樁頂水平位移最大值為11.25 mm，樁頂豎向位移為1.12 mm；鋼結構樁樁頂水平位移最大值為13.11 mm，樁頂豎向位移為1.57 mm。

鋼混樁樁頂位移最大值小于鋼結構樁。二者均小于規(guī)范規(guī)定監(jiān)測報警值。

3.4 拔樁效果分析

為確定最優(yōu)隔離劑，試驗共選擇3類隔離劑，分別涂抹于不同鋼結構樁外側，鋼結構樁編號為A、B、C。表2為試驗實測結果。

表2 隔離劑對構件拔出的影響分析

選用不同隔離劑的鋼結構樁，均能實現(xiàn)回收。A型樁對應的提升壓力最大，為10 MPa。B型樁與C型樁提升壓力相近。

拔樁過程中發(fā)現(xiàn)，C型樁采用黃油+塑料布的方式，樁回收后，塑料布完整，且相比較B型樁操作更簡單。綜上，采用樁身黃油+塑料布作為隔離劑，隔離效果最優(yōu)。

3.5 經(jīng)濟效果

以本工程為例，樁長13 m、直徑800 mm，鋼筋籠主筋14φ22鋼混樁為對比計算模型，采用新體系每根節(jié)約的成本如下：

節(jié)約成本3.2×350+0.44×4 500＝3 100元

（1）節(jié)約混凝土：3.2 m3

（2）節(jié)約鋼筋：0.44 t

以吊車每個臺班可拔15根鋼結構樁為計算標準，采用鋼結構樁需花費固定成本如下：

（1 400+450）／15+3.14×0.6×13×5+3.14×0.4×0.4×13×20+1.86×10＝395元

（1）吊裝鋼結構臺班+人工：1 400+450元

（2）隔離劑：5元／m2

（3）每方施工費額外增加20元

（4）鋼結構運輸及日常維護：10元／t

鋼結構樁為長13 m壁厚9 mm的錐形鋼管，重量1.86 t，每根鋼結構可變成本為1.86×5 000＝9 300元。

列方程，設X次可回收成本：

9 300／X+395＝3 100； X＝3.4

經(jīng)計算3.4次可回收購置鋼結構所花成本，3.4次以后每根樁可節(jié)約成本3 100-395＝2 705元，多次使用經(jīng)濟效果顯著。

4 結束語

目前巖土工程領域“可回收”概念是近年來研究的熱點，針對土釘墻面板的回收，錨桿鋼絞線的回收都具備成熟的技術。針對護坡樁的回收國內外在研發(fā)過程中。經(jīng)過可回收鋼結構基坑護坡樁設計及應用研究，總結本體系具有以下3方面的特點：

（1）提出的新型支護結構——可回收鋼結構基坑護坡樁，其變形性能滿足規(guī)范相關規(guī)定，力學性能良好、安全可靠、承載力高，可有效限制樁后土體作用。

（2）采用黃油+塑料布作為隔離劑的方案，拔樁壓力小、無噪聲，為最優(yōu)方案，回收工藝簡單可行，可以實現(xiàn)鋼結構樁的回收再利用。

（3）鋼結構樁可周轉重復利用，有效降低了臨時支護中對鋼筋和混凝土的浪費，相比較鋼混樁在經(jīng)濟性、環(huán)保性上均具有優(yōu)勢。

研究成果發(fā)明專利已授權［12］，專利證書編號201410513124.X。