鋼管樁在基坑邊坡支護(hù)工程中的應(yīng)用及計(jì)算分析

舒 睿 楊欽富

（貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，貴州 貴陽(yáng)550081）

在建筑行業(yè)現(xiàn)行規(guī)范《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》（GB50330-2013）和《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)范》（JGJ120-2012）中，除削方減載和放坡外，常用的邊坡和基坑支護(hù)手段總結(jié)起來(lái)可以統(tǒng)稱為“擋墻式支擋”，即樁板式擋墻（抗滑樁）、錨桿（索）擋墻、土釘墻、重力式擋墻、懸臂式和扶壁式擋墻等，不同的支擋結(jié)構(gòu)所需要的應(yīng)用條件不同，提供的抗力也有較大差距，常用的鋼筋混凝土樁及連續(xù)墻又具有投入大、成本高、施工復(fù)雜及對(duì)環(huán)境的較大污染、破壞性等特點(diǎn)，故支擋結(jié)構(gòu)的選型應(yīng)結(jié)合邊坡（基坑）周邊環(huán)境，高度、工程地質(zhì)及水文地質(zhì)等條件并綜合考慮結(jié)構(gòu)的空間效應(yīng)和受力特點(diǎn)來(lái)選擇合適的支護(hù)結(jié)構(gòu)型式。

自20 世紀(jì)50 年代中期以來(lái)，鋼管樁開始作為一種支護(hù)結(jié)構(gòu)在國(guó)內(nèi)有了一定程度的應(yīng)用，然而由于當(dāng)時(shí)鋼管材料抗腐蝕能力較差，存在承載力容易下降、使用壽命低的特點(diǎn)，鋼管樁的相應(yīng)使用一直未大規(guī)模推廣。直至如今隨著材料研究方面的突飛猛進(jìn)，鋼管樁的應(yīng)用隨之增加。鋼管樁首先是作為一種新型抗壓樁型得到重視，由于近年來(lái)建筑市場(chǎng)的異常繁榮發(fā)展，在多高層建筑日漸增多的情況下，對(duì)基礎(chǔ)工程質(zhì)量要求更高，要求基礎(chǔ)具有更多更強(qiáng)的承載力以保證建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定與安全。與傳統(tǒng)樁基礎(chǔ)相比，鋼管樁除具有承載力高、擠土效應(yīng)低、土層擾動(dòng)小等優(yōu)勢(shì),其被引進(jìn)建筑基礎(chǔ)工程并得到廣泛應(yīng)用。但考慮鋼管樁的抗彎性能，在邊坡和基坑支護(hù)應(yīng)用領(lǐng)域，鋼管樁仍被當(dāng)作為一種新型支擋結(jié)構(gòu)，目前規(guī)范里面較少涉及鋼管樁相關(guān)應(yīng)用與計(jì)算。但筆者通過(guò)對(duì)鋼管樁在基坑、邊坡設(shè)計(jì)中多年的實(shí)際應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)鋼管樁適應(yīng)性極強(qiáng)、見(jiàn)效快、施工時(shí)間短,對(duì)周圍巖土體擾動(dòng)小，并且鋼管樁采用空壓機(jī)機(jī)械成孔，施工方便、施工時(shí)間短，尤其是在施工場(chǎng)地條件狹小,工程條件復(fù)雜困難的情況下,鋼管樁能作為一種微型抗滑樁的作用起到十分良好的效果。

本文以中國(guó)電信云計(jì)算貴州信息園水池GE 段基坑邊坡為研究對(duì)象，對(duì)其工程特性進(jìn)行了分析，結(jié)合其基坑邊坡穩(wěn)定性分析采用鋼管樁進(jìn)行支護(hù)設(shè)計(jì)。在鋼管樁設(shè)計(jì)過(guò)程中采用了工程類比法，通過(guò)采用剛度等效原則，將鋼管樁等效作為混凝土樁，通過(guò)理正巖土軟件進(jìn)行后續(xù)計(jì)算。該設(shè)計(jì)對(duì)鋼管樁的應(yīng)用及計(jì)算進(jìn)行研究，為鋼管樁在類似基坑、邊坡治理工程中的使用提供參考及借鑒。

1 工程概況

擬建工程為中國(guó)電信云計(jì)算貴州信息園1.3 期土建工程新建地下水池基坑邊坡，邊坡總長(zhǎng)36m，其中GE 段坡向?yàn)?5°，最大坡高5.9m，±0.0 標(biāo)高為1273.5，坑底設(shè)計(jì)標(biāo)高為1267.35m。該邊坡整體為巖土組合邊坡，上覆土層為素填土和紅黏土，其中素填土呈稍密狀，厚度約2.1m，下部為紅黏土，可塑狀，厚約1.3m，下伏基巖為強(qiáng)風(fēng)化和中風(fēng)化白云巖，基坑坡頂臨近電力管線，且無(wú)法遷改，建議垂直開挖。

GE 段基坑邊坡坡向?yàn)?8°，垂直開挖，巖層層面產(chǎn)狀為325°∠16°，主要發(fā)育兩組節(jié)理，節(jié)理J1:100°∠78°，節(jié)理J2:170°∠85°。結(jié)合赤平極射投影綜合分析，GE 段邊坡的破壞模式為：沿土層內(nèi)部的圓弧滑動(dòng)破壞以及由于巖體破碎受隨機(jī)結(jié)構(gòu)面切割，在雨水、坡頂荷載、施工擾動(dòng)等外力作用下的碎落、掉塊、松石滾落等。根據(jù)定性的基坑邊坡穩(wěn)定性分析，對(duì)邊坡體安全系數(shù)下的剩余下滑力和側(cè)向巖土壓力進(jìn)行計(jì)算得到5.9m，高基坑邊坡上部圓弧滑動(dòng)剩余下滑力達(dá)80kN/m，側(cè)向巖土壓力達(dá)139kN/m。根據(jù)邊坡定性穩(wěn)定性分析和定量計(jì)算，設(shè)計(jì)對(duì)地下水池坑底邊界預(yù)留1.5m肥槽空間，對(duì)該基坑進(jìn)行垂直開挖，并采用“鋼管樁+冠梁”的支護(hù)設(shè)計(jì)對(duì)基坑邊坡進(jìn)行支護(hù)，設(shè)計(jì)冠梁截面尺寸為0.5×1.2m，采用C30 混凝土澆筑，鋼管樁長(zhǎng)10.5m，設(shè)置三排，橫豎間距為0.4m×0.4m，梅花型布置。同時(shí)鋼管樁之間噴射10cm厚C20 混凝土對(duì)基坑邊坡進(jìn)行封面處理，防止空氣和雨水對(duì)坡體的直接接觸。

圖1 新建地下水GE 段基坑鋼管樁設(shè)計(jì)圖

2 鋼管樁設(shè)計(jì)計(jì)算分析

前文提及現(xiàn)行建筑行業(yè)規(guī)范里無(wú)鋼管樁相關(guān)內(nèi)容，因此本次支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)，采用了工程類比法，即應(yīng)用等效剛度的思想，對(duì)鋼管樁設(shè)計(jì)等效為常規(guī)的鋼筋混凝土抗滑樁進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)邊坡穩(wěn)定性計(jì)算，選取新建地下水池GE 段基坑邊坡進(jìn)行邊坡支護(hù)設(shè)計(jì)計(jì)算。邊坡高度為5.9m，側(cè)向巖土為139kN/m。

本次設(shè)計(jì)鋼管樁采用φ159×6.0mm 結(jié)構(gòu)用無(wú)縫鋼管，樁長(zhǎng)10.5m，所受土壓力為10.5kN/m；鋼管樁按0.4×0.4m 梅花形布置，共設(shè)置三排。

設(shè)計(jì)計(jì)算根據(jù)剛度等效原則，將鋼管樁等效作為混凝土樁，通過(guò)理正巖土軟件進(jìn)行計(jì)算，為保證鋼管樁變形及穩(wěn)定滿足要求，計(jì)算過(guò)程中不考慮土體部分提供剛度?，F(xiàn)對(duì)鋼管樁抗彎剛度進(jìn)行計(jì)算如下：

選用鋼管外徑為159mm，壁厚6mm，則鋼管內(nèi)徑為147mm，單根鋼管自身面積：

鋼管慣性矩：

鋼管自身抗彎剛度：

ESI1=174kN·m2

水泥砂漿填充鉆孔直徑為174mm，則水泥砂漿面積：

水泥砂漿慣性矩：

水泥砂漿自身抗彎剛度：

EmI2=804kN·m2

則單根鋼管樁自身抗彎剛度：

EI0=ESI1+EmI2=2545kN·m2

計(jì)算以1m 寬作為單樁考慮，每根樁含4 根鋼管樁，單樁總抗彎剛度根據(jù)公式EI=EI0+ΣEiAidi2計(jì)算得到：

單樁總抗彎剛度：

EI=2500000kN·m2

以抗彎剛度相等為原則，將鋼管樁等效代換為混凝土方樁進(jìn)行考慮，代換過(guò)程中保證樁高1m不變，則代換后樁寬：

鋼管樁等效后按寬度1.0m 的抗滑樁計(jì)算，完成后續(xù)設(shè)計(jì)內(nèi)容。

3 鋼管樁設(shè)計(jì)計(jì)算中的問(wèn)題探討

鋼管樁作為一種新型的支擋結(jié)構(gòu)，規(guī)范里尚未有其明確的計(jì)算及設(shè)計(jì)方法，每個(gè)應(yīng)用者在使用過(guò)程中都是根據(jù)自己的經(jīng)驗(yàn)和理解參照既有規(guī)范對(duì)其進(jìn)行解釋，在應(yīng)用的過(guò)程中難免遇到一些問(wèn)題，本次也從以下幾個(gè)常見(jiàn)問(wèn)題對(duì)鋼管樁的設(shè)計(jì)進(jìn)行了探討。

3.1 鋼管樁計(jì)算采用的模型合理性問(wèn)題

本次鋼管樁設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)主要根據(jù)了剛度等效原則：即將多排鋼管樁等效作為混凝土樁，以抗彎剛度相等為原則，將鋼管樁等效代換為混凝土方樁進(jìn)行考慮。代換過(guò)程中保證樁高1m不變，通過(guò)計(jì)算代換后的樁寬達(dá)到等效混凝土樁計(jì)算的目的。

3.2 鋼管之間的連接有效性問(wèn)題

設(shè)計(jì)中鋼管樁之間通過(guò)頂部的混凝土冠梁形成聯(lián)系成為整體，具體聯(lián)系如下：鋼管樁頂部設(shè)置鋼筋混凝土冠梁，鋼管樁和冠梁的主筋采用焊接連接，鋼筋綁扎、模板支設(shè)完成后，澆筑砼，鋼管間即通過(guò)冠梁形成一個(gè)受力整體。

3.3 鋼管樁與混凝土冠梁之間連接的可靠性問(wèn)題

鋼管樁和頂部冠梁的主筋采用焊接連接，鋼管內(nèi)插的鋼筋接長(zhǎng)與冠梁的鋼筋進(jìn)行綁扎，于模板支設(shè)完成后，冠梁再澆筑砼，以使鋼管樁與混凝土冠梁之間形成可靠連接，成為受力共同體。

3.4 鋼管內(nèi)混凝土與鋼管共同受力問(wèn)題

通過(guò)鋼管樁注入的水泥漿滲入到鉆孔周圍的土體中，水泥漿充滿巖土體的孔隙，并與巖土體發(fā)生充分的混合，同時(shí)，鋼管樁內(nèi)填的混凝土有效地增強(qiáng)了鋼管壁的穩(wěn)定性，同時(shí)鋼管對(duì)內(nèi)填混凝土形成約束，共同受力，共同變形。

4 結(jié)論

本文以中國(guó)電信云計(jì)算貴州信息園水池GE 段基坑邊坡為研究對(duì)象，介紹了其巖土組成特征及潛在破壞模式，進(jìn)行引出鋼管樁在基坑邊坡支護(hù)設(shè)計(jì)中的等效計(jì)算過(guò)程，并對(duì)現(xiàn)階段鋼管樁應(yīng)用過(guò)程中連接可靠性的常見(jiàn)問(wèn)題進(jìn)行探討。在巖土設(shè)計(jì)工作的應(yīng)用實(shí)踐中，多個(gè)基坑邊坡的安全穩(wěn)定已經(jīng)證明了鋼管樁設(shè)計(jì)的可靠性，得出主要結(jié)論有：

4.1 常規(guī)類型的抗滑樁規(guī)格較大，如方樁短邊通常不小于1.2m，圓樁樁徑不小于0.8m，鋼管樁作為一種新型的支擋結(jié)構(gòu)可看做一種微型樁，作為近垂直條件下支護(hù)類型的補(bǔ)充。

4.2 根據(jù)工程類比法，應(yīng)用等效剛度的原則可將鋼管樁等效為常規(guī)混凝土樁進(jìn)行設(shè)計(jì)分析計(jì)算。

4.3 為保證鋼管樁之間的有效連接與整體性，鋼管樁內(nèi)注水泥漿既能與周邊巖土體進(jìn)行充分混合，又能對(duì)鋼管進(jìn)行填充，有效增強(qiáng)鋼管壁的穩(wěn)定性。