微型鋼管樁用于巖石基坑支護的作用機制分析

劉小麗，李 白

（1. 中國海洋大學 環(huán)境科學與工程學院，山東 青島 266100；2. 中國海洋大學 海洋環(huán)境與生態(tài)教育部重點實驗室，山東 青島 266100）

1 引 言

微型樁一般指樁徑在70～300 mm之間、長徑比較大、內(nèi)部有加強體（鋼筋、鋼管和H型鋼等）且采用鉆孔注漿工藝施工的灌注樁。為了增加微型樁的剛度，樁內(nèi)常采用鋼管和 H型鋼等勁性加強體，微型鋼管樁即指采用鋼管作為加強體的一類微型樁。微型樁由于其施工方便靈活等優(yōu)點，近年來在滑坡治理與基坑支護工程中得到了廣泛應(yīng)用，基坑工程中多用微型鋼管樁與土釘或預(yù)應(yīng)力錨桿（錨索）等形成的復(fù)合結(jié)構(gòu)進行支護[1－3]。

微型樁在土質(zhì)基坑支護工程中的作用機制，根據(jù)其應(yīng)用型式不同主要分為兩種：一種是將微型樁作為主要受力構(gòu)件，起抗彎作用[3－4]；另一種是將微型樁與土釘支護相結(jié)合，微型樁作為柔性構(gòu)件，主要改善土體應(yīng)力場，限制基坑變形，增加基坑的整體穩(wěn)定性[1,4]。

在巖石基坑（這里指沿基坑開挖深度方向有2/3及以上深度的地層為巖層的基坑，下同）支護工程實踐中，常采用微型鋼管樁與噴錨結(jié)構(gòu)（預(yù)應(yīng)力錨索等）相結(jié)合的支護方案[5－6]。在相應(yīng)的巖石基坑支護結(jié)構(gòu)設(shè)計時，一般不考慮微型鋼管樁的有利影響，而僅將其作為一種安全儲備。事實上，無論設(shè)計中是否考慮微型鋼管樁的影響，微型鋼管樁在基坑開挖過程中都會產(chǎn)生一定的積極作用[7]，但微型鋼管樁在巖石基坑支護中究竟能起到多大的作用，設(shè)計中是否有必要考慮這種作用以及如何考慮這種作用，目前還沒有明確的結(jié)論。鑒于此，本文以青島市某典型巖石基坑工程為例，利用巖土工程有限元分析軟件PLAXIS2D，對微型鋼管樁與噴錨結(jié)構(gòu)聯(lián)合支護的巖石基坑的開挖過程進行數(shù)值模擬，分析微型鋼管樁在巖石基坑支護中的作用機制，為相應(yīng)巖石基坑支護工程的設(shè)計計算提供參考。

2 巖石基坑工程實例

2.1 工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件

場區(qū)地形整體較為平緩，地貌類型屬于剝蝕斜坡，表層后經(jīng)人工改造。根據(jù)地質(zhì)勘察報告，場區(qū)地層由第四系和基巖組成，場區(qū)第四系厚度較小，為全新統(tǒng)人工填土層。場區(qū)基巖面埋深較淺，整體自東北向西南緩傾，主要為燕山晚期花崗巖和花崗閃長巖，穿插分布著后期侵入的煌斑巖巖脈和細粒花崗巖巖脈，局部巖體受構(gòu)造作用擠壓破碎形成擠壓破碎帶。

人工填土廣泛分布于場區(qū)，以回填黏性土、磚塊、碎石為主，粒徑為2～15 cm。場區(qū)花崗巖強風化帶揭露厚0.7～6.3 m，自上而下有強度逐漸增高的趨勢，褐黃色，粗粒結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，以長石、石英為主要礦物成分，礦物蝕變強烈，風化裂隙密集發(fā)育，巖芯松散，手搓成砂土～粗砂狀。花崗巖中等風化帶揭露厚3.0～10.5 m，肉紅～灰白色，礦物蝕變中等，沿節(jié)理面有明顯變色，受構(gòu)造影響，節(jié)理、裂隙發(fā)育。花崗巖微風化帶揭露厚 2.5～14.7 m，肉紅色，礦物蝕變輕微，巖質(zhì)新鮮堅硬，錘擊聲脆不易碎，巖芯呈塊狀～柱狀，該層為較完整的較硬巖。場區(qū)內(nèi)花崗閃長巖區(qū)分為強風化帶、中風化帶和微風化帶，性質(zhì)類同相應(yīng)的花崗巖。

場區(qū)地下水類型主要為基巖裂隙水，測得場區(qū)鉆孔內(nèi)穩(wěn)定水位埋深5.5～10.0 m，地下水主要接受大氣降水補給，受季節(jié)影響年變幅約1～2 m。

2.2 典型基坑支護結(jié)構(gòu)剖面

選取該巖石基坑工程中的兩個代表性剖面（分別命名為剖面 1、2），對其支護結(jié)構(gòu)設(shè)計及相應(yīng)的地層條件進行介紹，兩個基坑剖面如圖1所示。

剖面1基坑開挖深度為18.7 m，采用鋼管樁結(jié)合噴錨支護，土層中高壓旋噴樁止水。上部鋼管長為13.8 m，下部鋼管長7.9 m，上下鋼管在強風化花崗巖與中風化花崗巖交界處交叉 1.5 m。微型鋼管樁采用Ⅰ級鋼，直徑為146 mm，壁厚5 mm，鉆孔直徑為 220 mm，采用純水泥漿注漿，鋼管間距為1 m，嵌固深度1.5 m。沿剖面深度有8道預(yù)應(yīng)力錨索，均采用直徑為15.2 mm的鋼絞線，水平間距為2 m，孔徑為130 mm，面層為100 mm厚C20噴射混凝土。

圖1 巖石基坑典型設(shè)計剖面示意圖（單位：m）Fig.1 Sketch of typical design of cross section of rock foundation pit (unit: m)

剖面 2基坑開挖深度為22 m，上部放坡并用噴錨結(jié)構(gòu)進行支護，坡率 3∶1，坡上 5道橫梁及錨索。下部采用微型鋼管樁與噴錨結(jié)合的支護方案，微型鋼管樁長 14.4 m，樁間距為 1 m，嵌固深度1.5 m。微型鋼管樁采用Ⅰ級鋼，直徑為146 mm，壁厚5 mm，鉆孔直徑為220 mm，采用純水泥漿注漿。錨索采用直徑為15.2 mm的鋼絞線，水平間距為2 m，孔徑為130 mm，面層為100 mm厚C20噴射混凝土。

3 數(shù)值計算模型與計算方案

3.1 基本數(shù)值計算模型

利用PLAXIS2D有限元分析軟件，對剖面1、2支護條件下的基坑開挖進行數(shù)值模擬，基坑剖面 1的數(shù)值計算模型如圖2所示。

圖2 基坑剖面1有限元模型Fig.2 Finite element model for section 1

采用平面應(yīng)變模型，由于基坑對稱，取1/2考慮。剖面1中距基坑邊4 m位置處有一2層建筑物，基底壓力按20 kPa的均布荷載考慮，荷載寬度為20 m，作用于距地表3.5 m深度處。剖面2中距基坑邊5 m處考慮道路交通荷載30 kPa。

在數(shù)值模型中，微型鋼管樁通過抗彎剛度等效為地下連續(xù)墻，利用板單元來模擬，采用線彈性模型。預(yù)應(yīng)力錨索的錨固段用土工格柵單元模擬，自由段用點對點錨桿單元模擬。巖土體采用摩爾-庫侖模型，用15節(jié)點三角形單元進行網(wǎng)格剖分，在模型中不考慮地下水影響。

微型鋼管樁彈性模量210 GPa，注漿體彈性模量為25.5 GPa，巖土體參數(shù)見表1，旋噴樁加固部分的土體參數(shù)與中風化巖層相同。

表1 巖土層參數(shù)Table1 Parameters of soil and rocks

3.2 開挖爆破的模擬

爆破振動影響下巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性分析是一個十分復(fù)雜的問題，目前的分析主要基于極限平衡理論和應(yīng)力與變形分析。用擬靜力法模擬爆破荷載時，對爆破荷載的處理通常按照極端情況，即認為不同高程處的潛在滑塊同時達到爆破峰值加速度，以爆破振動的瞬間加速度極值作為擬靜力進行計算，盡管有一定誤差，但擬靜力法簡單實用，因此在考慮振動效應(yīng)的邊坡穩(wěn)定性分析中得到了廣泛應(yīng)用[8]。

此處利用擬靜力法考慮爆破振動作用下最不利狀況的巖石基坑受力變形特征，即對基坑計算范圍內(nèi)的巖土體考慮0.1g（g為重力加速度）的水平向加速度，用來考慮該巖石基坑爆破開挖的不利影響。

3.3 計算方案

為了分析微型鋼管樁在巖石基坑支護工程中的作用機制，對不同的基坑支護方案及開挖方式進行數(shù)值模擬計算，共有4種計算方案，包括：（1）微型鋼管樁-噴錨結(jié)構(gòu)聯(lián)合支護，不考慮爆破影響；（2）噴錨支護，不考慮爆破影響；（3）微型鋼管樁-噴錨結(jié)構(gòu)聯(lián)合支護，考慮爆破影響；（4）噴錨支護，考慮爆破影響。

以上計算方案中，微型鋼管樁-噴錨結(jié)構(gòu)聯(lián)合支護，即指剖面 1、2中原設(shè)計的支護方案，如前所述；噴錨支護即指在原設(shè)計支護方案中去除微型鋼管樁，只保留相應(yīng)噴錨結(jié)構(gòu)的支護方案。

4 微型鋼管樁的作用機制

基于數(shù)值模擬計算結(jié)果，從以下幾個方面對微型鋼管樁在巖石基坑支護工程中的作用機制進行分析。

4.1 微型鋼管樁對基坑水平位移的影響

圖3為不同計算方案下基坑剖面1與剖面2開挖到基坑底面時的基坑水平位移圖。對于基坑剖面1，當有微型鋼管樁支護時，此位移為微型鋼管樁的水平位移（包含剖面上部和下部的微型鋼管樁）；當無微型鋼管樁支護時，此位移為微型鋼管樁所在位置相應(yīng)巖土體的水平位移。對于基坑剖面 2，無論是否有微型鋼管樁支護，該水平位移均為自臨開挖側(cè)的坡頂邊緣點垂直向下的剖面上的巖土體水平位移。從圖 3(a)中可以看出，對于基坑剖面 1，微型鋼管樁支護對減小基坑的水平位移具有非常明顯的效果，不考慮爆破影響時，有鋼管樁支護時的最大水平位移為 3 mm，無鋼管樁支護時的最大水平位移為13 mm；考慮爆破影響時，基坑的最大水平位移均發(fā)生在樁頂，有鋼管樁時的最大水平位移為10 mm，無鋼管樁時的最大水平位移為 23 mm。微型鋼管樁支護在素填土層和強風化等性質(zhì)較差巖層中（距地表13 m深度范圍內(nèi)）的積極作用較為明顯，但在中風化和微風化等性質(zhì)較好的巖層中的作用不顯著。由圖同時可以看出，對于基坑剖面 1，爆破對基坑水平位移有明顯增大作用，位移增大明顯的區(qū)域也主要位于素填土層和強風化巖層中。

圖3 不同計算方案基坑水平位移Fig.3 Horizontal displacements of the foundation pit for different situations

從圖 3(b)中可以看出，對于基坑剖面 2，不考慮爆破作用時，有微型鋼管樁支護和無微型鋼管樁支護的向基坑開挖側(cè)的最大水平位移均為0.7 mm；考慮爆破作用時，有微型樁支護和無微型樁支護的基坑最大水平位移均為2.1 mm。由上述可知，無論是否考慮爆破作用，微型鋼管樁均未有效地減小基坑的水平位移，是由于微型鋼管樁設(shè)置在中風化和微風化巖層中，基坑在相應(yīng)巖層中的變形很小，另一個原因是該剖面以性質(zhì)較好的中風化和微風化巖層為主，素填土層和強風化等性質(zhì)較差的巖層不起主要的控制作用。剖面2爆破對基坑水平位移有一定的增大作用，但增加數(shù)值較小，且主要發(fā)生在強風化巖層和素填土層中。

對比剖面1和剖面2的基坑水平位移可知，設(shè)置在性質(zhì)較好的中風化和微風化巖層中的微型鋼管樁，基本不會對基坑的水平位移產(chǎn)生明顯作用，而設(shè)置在強風化等性質(zhì)較差的巖層中的微型鋼管樁，對減小基坑的水平位移效果明顯，爆破對強風化巖層具有較大的不利影響。

4.2 微型鋼管樁對錨桿內(nèi)力的影響

表2為考慮爆破影響下剖面1中開挖到基坑底面后，無微型樁時各道錨索的軸向拉力A，有微型樁支護時各道錨索的軸向拉力B，錨索的設(shè)計承載力 C以及相應(yīng)錨索的軸向拉力占設(shè)計承載力的比例，其中錨索內(nèi)力占設(shè)計承載力的比例數(shù)值表明該道錨索承載力的發(fā)揮程度。從表中可以看出，位于素填土層和強風化巖層中的錨索，無微型樁支護時，其承載力發(fā)揮程度為48%～65%；有微型樁支護時，相應(yīng)位置各道錨索承載力的發(fā)揮程度為54%～61%。上述現(xiàn)象表明，微型鋼管樁支護能夠有效地調(diào)配各錨索的內(nèi)力，使各錨索的承載力發(fā)揮程度更加均勻，錨索內(nèi)力分配更加合理。位于中風化和微風化巖層中的錨索，在有微型樁和無微型樁支護時其承載力發(fā)揮程度基本相同，表明微型鋼管樁對性質(zhì)較好的巖層的支護意義不大。剖面2中各道錨索的內(nèi)力基本不受微型鋼管樁的影響，其原因同相應(yīng)基坑水平位移分析中所述。

表2 考慮爆破時基坑剖面1中各錨索拉力Table2 Tension of rock bolts for section 1 under explosion

4.3 微型鋼管樁的內(nèi)力及應(yīng)力

圖4為基坑剖面1開挖到基坑底面時微型鋼管樁的內(nèi)力圖，包含上部鋼管樁和下部鋼管樁的內(nèi)力。

圖4 剖面1中微型鋼管樁內(nèi)力圖Fig.4 Internal force diagram of micro-steel-pipe piles in section 1

從圖4可以看出，微型鋼管樁不僅承受彎矩和剪力，而且承受了較大的軸向壓力。與不考慮爆破作用相比，考慮爆破作用時，剖面1中上部微型樁和下部微型樁的軸向壓力都有較明顯增加，最大軸向壓力相對增加96 kN。對于微型鋼管樁，考慮爆破作用時相對最大剪力增量和彎矩增量均發(fā)生在下部微型樁上，其值分別為29 kN和7 kN?m，但剪力最大值和彎矩最大值均位于上部微型鋼管樁上。

圖5為基坑剖面1開挖到基坑底面后微型樁內(nèi)鋼管在基坑開挖側(cè)和未開挖側(cè)的拉壓應(yīng)力圖。

圖5 剖面1中鋼管拉壓應(yīng)力圖Fig.5 Tension stress and compression stress of the micro-steel-pipe in section 1

應(yīng)力計算時未考慮注漿體受力，即在計算鋼管的拉壓應(yīng)力時假定鋼管承受全部的軸向壓力和彎矩。按鋼管的屈服強度為235 MPa計算，經(jīng)分析可知，在現(xiàn)有數(shù)值模型的單元和節(jié)點劃分基礎(chǔ)上，不考慮爆破時，有2個截面的鋼管應(yīng)力超過了屈服強度；考慮爆破影響時，有6個截面的應(yīng)力超過了屈服強度，表明鋼管會在某些位置出現(xiàn)屈服甚至破壞。剪力作用下鋼管的剪應(yīng)力較小，不會達到剪切屈服強度。

軸向壓力使鋼管產(chǎn)生壓應(yīng)力，而彎矩則使鋼管一側(cè)產(chǎn)生拉應(yīng)力，另一側(cè)產(chǎn)生壓應(yīng)力。對屈服位置處鋼管拉壓應(yīng)力的組成進行分析可知，不考慮爆破影響時，軸向應(yīng)力對該截面最大鋼管應(yīng)力的貢獻可達30%，考慮爆破影響時，軸向應(yīng)力可達該截面最大鋼管應(yīng)力的44%。因此，對于巖石基坑工程中的微型鋼管樁-噴錨支護結(jié)構(gòu)，微型鋼管樁的計算不僅要考慮彎矩作用，還要考慮軸向壓力的作用。

對于剖面 2，微型鋼管樁的內(nèi)力和應(yīng)力均較小，對鋼管進行應(yīng)力分析表明，無論是否考慮爆破作用，當鋼管承受全部的軸向壓力和彎矩時，鋼管應(yīng)力不會達到屈服強度。

5 結(jié) 論

（1）當基坑地層存在較厚的強風化巖層或性質(zhì)較差的巖層時，設(shè)置在其中的微型鋼管樁能有效的限制基坑水平位移，并調(diào)整預(yù)應(yīng)力錨索的內(nèi)力使其分布更加合理。設(shè)置在性質(zhì)較好的中風化和微風化巖層（未考慮其軟弱破碎帶影響）中的微型鋼管樁，對基坑變形和錨索內(nèi)力基本無影響。

（2）對于強風化巖層相對較厚的巖石基坑，設(shè)計計算時宜設(shè)置并考慮微型鋼管樁的有利作用；對于基坑中性質(zhì)較好的中風化巖層和微風化巖層（不含貫通的軟弱破碎帶），可不設(shè)置微型鋼管樁支護。

（3）設(shè)計巖石基坑微型鋼管樁-噴錨支護結(jié)構(gòu)時，微型鋼管樁的計算不僅要考慮微型樁彎矩的影響，還應(yīng)考慮其軸向壓力的作用，驗算兩者聯(lián)合作用下微型鋼管樁的受力是否安全。

[1]畢孝全,喻良明,趙明倫. 超前鋼管樁在深基坑支護中的應(yīng)用[J]. 巖土工程學報,2006,28(增刊): 1756－1759.BI Xiao-quan,YU Liang-ming,ZHAO Ming-lun.Application of front steel tube stakes in supporting deep pits[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering,2006,28(Supp. ): 1756－1759.

[2]楊志銀,張俊,王凱旭. 復(fù)合土釘墻技術(shù)的研究及應(yīng)用[J]. 巖土工程學報,2005,27(2): 153－156.YANG Zhi-yin,ZHANG Jun,WANG Kai-xu.Development of composite soil nailing walls[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering,2005,27(2): 153－156.

[3]白晨光,賈立宏,馬金普,等. 抗彎功能微型樁在基坑支護中的應(yīng)用[J]. 巖土工程學報,2006,28(增刊):1656－1658.BAI Chen-guang,JIA Li-hong,MA Jin-pu,et al.Application of micropiles with anti-bending function to retaining and protection of foundation excavation[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering,2006,28(Supp. ): 1656－1658.

[4]李白,劉小麗,黃敏. 微型樁在基坑工程中的應(yīng)用與思考[J]. 工程地質(zhì)學報,2011,19(增刊): 492－497.LI Bai,LIU Xiao-li,HUANG Min. Application of micropiles to foundation pit excavation[J]. Journal of Engineering Geology,2011,19(Supp.): 492－497.

[5]劉紅軍,張庚成,劉濤. 土巖組合地層基坑工程變形監(jiān)測分析[J]. 巖土工程學報,2010,32(增刊2): 550－553.LIU Hong-jun,ZHANG Geng-cheng,LIU Tao.Monitoring and analysis of deformation of foundation pits in strata with rock-soil combination[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering,2010,32(Supp. 2): 550－553.

[6]張有祥,楊光華,姚捷. 二元地質(zhì)條件下內(nèi)支撐與土釘墻支護設(shè)計問題[J]. 重慶建筑大學學報,2008,30(3):63－68.ZHANG You-xiang,YANG Guang-hua,YAO Jie. Design problems of internal bracing and composite soil nailing wall in foundation pits under binary geological conditions[J]. Journal of Chongqing Jianzhu University,2008,30(3): 63－68.

[7]李維光,張繼春. 爆破振動作用下順層巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析[J]. 爆炸與沖擊,2007,27(5): 426－430.LI Wei-guang,ZHANG Ji-chun. Study on rock mass bedding slope stability under blast vibration[J].Explosion and Shock Waves,2007,27(5): 426－430.

[8]郝峰,張云峰,劉秀芹. 微型鋼管樁復(fù)合土釘墻有限元分析[J]. 工程勘察,2010,37(3): 15－19.HAO Feng,ZHANG Yun-feng,LIU Xiu-qin. Finite element analysis of the compound wall with soil nails and micro steel pipe piles[J]. Geotechnical Investigation &Surveying,2010,37(3): 15－19.