微型鋼管樁在濱海地區(qū)某深基坑中的應(yīng)用

董 波 茲遠(yuǎn)濤 楊永文 王艷舫

(山東巖土勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，山東 煙臺(tái) 264001)

隨著城市大規(guī)模的發(fā)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(tái)位于膠東半島濱海地帶，區(qū)域內(nèi)土巖組合地層及硬黏土地層分布較廣泛，本地區(qū)垂直支護(hù)常用支護(hù)樁型式為灌注樁和鋼管樁。鋼管樁相較于灌注樁，具有設(shè)備靈活、工程造價(jià)低、工期短及適用范圍廣等特點(diǎn)，故在地層較好的垂直支護(hù)工程中應(yīng)用廣泛。

1 工程概況

擬建工程場(chǎng)區(qū)位于煙臺(tái)市萊山區(qū)觀海路旁，場(chǎng)地地勢(shì)西高東低?；又荛L(zhǎng)約660 m，開挖深度8.5 m～10.0 m。

場(chǎng)地周邊環(huán)境如下：基坑北側(cè)為小區(qū)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(cè)地下室邊線距離已建圍擋4.0 m；南側(cè)及東側(cè)場(chǎng)地比較空曠。

2 場(chǎng)區(qū)水文地質(zhì)條件

2.1 工程地質(zhì)條件

場(chǎng)地表層為素填土，其下依次為第四系粉質(zhì)黏土、角礫、全風(fēng)化云母片巖、強(qiáng)風(fēng)化云母片巖。

2.2 水文地質(zhì)條件

場(chǎng)區(qū)地下水屬第四系孔隙潛水，主要含水層為角礫層，實(shí)測(cè)地下水穩(wěn)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(shù)

基坑開挖支護(hù)參數(shù)見表1。

3 基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)方案

3.1 設(shè)計(jì)方案

根據(jù)場(chǎng)地周邊環(huán)境、基坑自身?xiàng)l件及水文地質(zhì)條件，綜合比較支護(hù)結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)，在場(chǎng)地空間有限的西側(cè)、北側(cè)，采用鋼管樁+錨索支護(hù)，其余兩側(cè)采用土釘墻支護(hù)，整個(gè)場(chǎng)區(qū)地下水控制采用管井降水。西側(cè)及北側(cè)支護(hù)剖面見圖1，圖2。

3.2 支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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(zhǎng)及嵌固深度見圖1，圖2。錨索錨固體采用強(qiáng)度等級(jí)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(biāo)準(zhǔn)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(wǎng)，水平豎向間距200 mm×200 mm，坡頂選用長(zhǎng)度500 mm直徑16 mm的鋼筋固定鋼筋網(wǎng)，鋼筋的水平間距為2.0 m，坡面噴射強(qiáng)度等級(jí)C20細(xì)石混凝土，厚度60 mm。

3.3 降水設(shè)計(jì)

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

對(duì)于基坑側(cè)壁的滲水，在基坑坡面設(shè)置泄水孔，泄水管采用直徑50 mm塑料管，長(zhǎng)度0.5 m，外露0.2 m，下傾角度為5°，端部用濾網(wǎng)包扎，水平、縱向均為間距3.0 m。

4 有限元數(shù)值模擬

4.1 幾何模型

針對(duì)西側(cè)及北側(cè)支護(hù)段采用有限元數(shù)值分析。場(chǎng)區(qū)地層以填土、粉質(zhì)黏土、角礫及風(fēng)化巖為主，采用Hardening-Soil本構(gòu)模型，模型參數(shù)見表2。

表2 模型參數(shù)表

4.2 單元類型

網(wǎng)格基本單元類型為15節(jié)點(diǎn)三角形單元，網(wǎng)格劃分見圖3，圖4。

4.3 計(jì)算結(jié)果及分析

圖5中，西側(cè)鋼管樁在第一層土開挖后，變形曲線為懸臂樁變形特點(diǎn)，位移最大處位于樁頂，錨索施工后，變形曲線呈現(xiàn)出“兩頭小，中間大”的特點(diǎn)，且隨開挖深度不斷增加，最大側(cè)向位移不斷向下移動(dòng)，位移最大值為18 mm，約為開挖深度的0.18%。圖6中，北側(cè)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(cè)開挖深度比西側(cè)小，但位移變形較大，原因?yàn)樯喜繎冶圻^大，導(dǎo)致總體變形較大。

對(duì)比圖5，圖6的變形曲線，圖6中位移變形均呈現(xiàn)懸臂樁變形特點(diǎn)，原因?yàn)榭紤]到保護(hù)管線，第一道錨索標(biāo)高位于管線標(biāo)高以下，上部鋼管樁懸臂2.5 m，由此可見，對(duì)于微型管樁支護(hù)，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(yīng)盡量將第一道錨索設(shè)置在樁身上部，減少懸臂長(zhǎng)度。

根據(jù)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(diào)整的過程，鋼管樁的受力以發(fā)生突變和隨時(shí)間不斷進(jìn)行調(diào)整的方式變化，逐漸趨向于自身的受力平衡的狀態(tài)的方向調(diào)整。每次開挖都會(huì)引起鋼管樁彎矩明顯的變化，影響深度向下延伸，然后隨時(shí)間進(jìn)行重新調(diào)整。整個(gè)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(duì)彎矩控制比較明顯。整個(gè)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(shì)，穩(wěn)定后最大值發(fā)生在中下部。開挖上部土體對(duì)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(cè)與北側(cè)支護(hù)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(cè)最大地表沉降達(dá)到25 mm，北側(cè)最大地表沉降達(dá)到85 mm，北側(cè)位移變形大的原因同樁身側(cè)向變形特點(diǎn)一樣，由于鋼管樁第一道錨索標(biāo)高下降后，懸臂過長(zhǎng)，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(diǎn)一致。

圖11為基坑北側(cè)管溝模擬結(jié)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(shù)值分析結(jié)果表明，鋼管樁對(duì)保護(hù)周邊建(構(gòu))筑物有一定的局限性。

5 結(jié)語(yǔ)

通過有限元數(shù)值模擬，對(duì)鋼管樁樁體以及樁后土體在開挖過程中的變形性狀進(jìn)行分析，得到以下結(jié)論：

1)鋼管樁上部懸臂高度對(duì)變形曲線有較大影響，懸臂高度較大情況下，側(cè)向變形明顯增大。同時(shí)，鋼管樁變形受錨索預(yù)加力影響較大。實(shí)際工程中，微型鋼管樁支護(hù)在硬黏土層或巖層中應(yīng)用效果較好。鋼管樁懸臂過大導(dǎo)致側(cè)向變形會(huì)超出設(shè)計(jì)要求，致使后期施加錨索預(yù)加力后，懸臂部分側(cè)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(yù)應(yīng)力施加對(duì)彎矩控制比較明顯。整個(gè)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(shì)，穩(wěn)定后最大值發(fā)生在中下部。開挖上部土體對(duì)鋼管樁的彎矩變化影響比較大。3)西側(cè)與北側(cè)地表沉降分布大致相同。由于北側(cè)鋼管樁上部懸臂較大，導(dǎo)致樁后地表沉降大于西側(cè)。與北側(cè)相比，西側(cè)樁后地表沉降最大值位置距坑壁更遠(yuǎn)，墻后地表沉降影響范圍約為4倍的開挖深度。4)有限元數(shù)值模擬分析結(jié)果表明，采用微型鋼管樁+錨索支護(hù)在中軟土層對(duì)控制基坑周邊建(構(gòu))筑物變形效果不理想。