深基坑中型鋼結合水泥土攪拌樁作為立柱樁的應用

孔祥冰

（上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092）

0 引言

隨著我國近年來高層建筑及地鐵隧道等工程的修建，城市地下空間被不斷開發利用，由此深基坑的圍護結構設計及施工工藝也隨之不斷發展。上海等軟土地區的深基坑工程多采用排樁結合內支撐的圍護型式。工程實際中，圍護結構支撐體系一般成水平的封閉體系，以提高支護結構的整體剛度。深基坑工程自身穩定性是在圍護結構、水平支撐體系和豎向立柱三大系統的共同作用下才能得以保證的，具有“點風險性”，即任何一個系統的失事均能引起整個基坑失穩甚至破壞，帶來惡劣的經濟和社會后果[1]。

目前對軟土地區深基坑的整體穩定性、圍護墻體的水平變形、支撐平面內變形等課題均有很深入的研究，而對于立柱樁的研究少有涉及。本文從實際出發，通過工程實例，簡要說明了基坑工程中，用型鋼結合水泥土攪拌樁作為立柱樁的應用情況，以期為軟土地區深基坑工程中立柱樁問題提供有益的借鑒。

1 基坑支護中的立柱樁

基坑的平面支撐體系，通常由圍檁、水平支撐和立柱三部分組成，立柱設置在縱橫向支撐的交點處或桁架式支撐的節點處，同時需避開主體結構混凝土墻、柱、梁等位置。立柱主要承受支撐結構自重以及施工荷載。通常，基坑開挖面以上的立柱采用型鋼格構柱，基坑開挖面以下采用鉆孔灌注樁。基坑支護體系內，格構柱內插于立柱樁中，二者共同構成基坑三維支護體系的豎向承力系統，其功能是提高支撐結構的承載力和穩定性。基坑支護體系外，圍護結構、內支撐、豎向立柱組成一個三維空間結構共同承受側向水土壓力與施工荷載。

立柱樁的功能與一般的工程樁不完全相同，它在基坑開挖時就先于工程樁承受荷載，開挖結束后部分立柱樁亦可轉為工程樁再承受上部結構荷載。立柱樁的樁徑一般比工程樁大、樁長更長且樁頂承受的荷載較大。對于軟土地區深基坑工程，立柱樁在基坑開挖面以下的埋深要滿足支撐結構對其承載力及變形的要求，并大于基坑開挖深度的2倍，且最好穿過淤泥質土層，位于力學性質較好的土層內；立柱的間距也是根據支撐構件的穩定和豎向荷載的大小確定的，一般不大于15 m。如此多的限制條件，對于具有內支撐系統的深基坑，無疑要有大量的立柱樁來滿足工程需要，因此立柱在造價方面也倍受建設單位的重視[2]。

型鋼水泥土攪拌墻（SMW工法樁）是一種在連續套接的三軸水泥土攪拌樁內插入型鋼所形成的復合擋土隔水結構。型鋼水泥土攪拌墻將受力結構與隔水帷幕合一，圍護體占用空間小；圍護體施工對周邊環境影響小，墻體防滲性能好；施工過程無需回收處理泥漿，且型鋼可回收，環保節能，經濟性好；適用土層范圍廣，結合輔助措施可用于較硬質地層；成樁速度快，圍護體施工工期短。因此，該圍護形式近年來得到了越來越廣泛的應用。

當采用SMW工法樁圍護，水平向支撐僅有一道時，支撐上部荷載不是很大，相比常規的格構柱+鉆孔灌注樁做法，型鋼結合水泥土攪拌樁作為立柱樁可以利用現有的工法設備，節約鉆孔灌注樁樁機的進場費用，并大量節約施工工期和基坑圍護造價。但到目前為止，型鋼結合水泥土攪拌樁在深基坑工程中作為立柱樁使用還不多見，針對這一問題的研究也比較少。本文列舉了一個工程實例，該實例成功利用了型鋼結合水泥土攪拌樁作為深基坑工程中的立柱樁。型鋼立柱樁應用在SMW工法樁圍護中，可利用現有圍護設備施工，更能凸顯其經濟實用性[3-5]。

2 工程案例

2.1 基坑概況

本工程場地位于上海市浦東新區，工程類型為市政工程半地下式固廢轉運站，場址占地面積約為5 267 m2，主要功能為生活垃圾的分流轉運。基坑長約73 m，寬約52 m，基坑占地面積約3 340 m2，圍護結構總周長約252 m。地下室一層層高為6.0 m，底板厚度0.8 m，基坑開挖深度為6.90 m（包括0.20 m墊層）。

基坑圍護結構采用三頭φ850SMW工法樁，樁間距為600 mm，樁內插入H700×300×13×24型鋼，插一跳一。樁長為16.2 m，插入比為1∶1.45。樁頂部設置1 350 mm×800 mm鋼筋混凝土頂圈梁。為了減少基坑周邊變形，基坑采用裙邊加固，用格柵式水泥土深度攪拌樁進行加固。格柵式水泥土攪拌樁加固深度為基坑底面以下5.0 m，寬度5.2 m。支撐體系采用鋼筋混凝土支撐，平面上布置為正交對撐形式。混凝土支撐平面間距8.7～9.6 m，立面上支撐中心線距立柱樁頂為5.30 m。

圍護布置平面圖見圖1。

圖1 圍護布置平面圖

2.2 立柱及立柱樁的計算

2.2.1 型鋼立柱計算

立柱應按偏心受壓構件進行承載力計算和穩定性驗算，計算時應充分考慮基坑開挖與拆撐過程中的各不利工況，偏心距應根據立柱垂直度并按雙向偏心進行計算。立柱受壓計算長度宜取豎向相鄰水平支撐或水平結構的中心距，最下一跨應取最后一道支撐中心線至立柱樁頂的距離。

型鋼型號為 H400×400×13×21，材料為Q235B鋼，立柱受壓計算長度取為5.3 m。立柱承受恒載標準值為440 kN，活載標準值為88 kN。型鋼立柱穩定及強度驗算采用荷載基本組合。

繞x軸最不利位置穩定應力按《鋼結構設計規范》（GB 50017—2003）中公式（5.2.5-1）計算：

式中：N為計算構件段范圍內的軸心壓力；A為計算構件的截面面積；rx為截面塑性發展系數；N＇Ex為參數為彎矩作用平面內的軸心受壓構件穩定系數；φby為均勻彎曲的受彎構件整體穩定性系數；Mx、My為計算構件段范圍內對強軸和弱軸的最大彎矩；η為截面影響系數；Wx、Wy為按受壓纖維確定的對x軸、y軸梁毛截面模量；βmx為等效彎矩系數。

繞y軸最不利位置穩定應力按《鋼結構設計規范》（GB 50017—2003）中公式(5.2.5-2)計算：

式中：N＇Ey為參數，N＇Ey=π2EA（/1.1λ2y）；φy為對 y-y軸的軸心受壓構件穩定系數；βmy為等效彎矩系數。

最不利位置強度應力按《鋼結構設計規范》（GB 50017—2003）中公式(5.2.1)計算：

式中：An為凈截面面積；Wnx、Wny為凈截面模量；rx、ry為截面塑性發展系數。

根據上述計算結果，構件安全狀態為：穩定滿足要求，強度滿足要求。

2.2.2 立柱樁計算

立柱樁荷載計算采用標準組合，在立柱所承受荷載的基礎上還需加上立柱及立柱樁的自重（考慮為44 kN），合計為572 kN。型鋼立柱下設φ850三軸水泥土攪拌樁，水泥土摻量為20%，樁長為24.5 m。型鋼插入水泥土攪拌樁20 m，符合規范要求的2倍開挖深度以下，且已穿過淤泥層。立柱樁承載力驗算需驗算兩部分內容，首先是型鋼在水泥土攪拌樁中的承載力，其次要驗算型鋼與水泥土攪拌樁形成的立柱樁整體在自然土體中的承載力。

（1）型鋼在水泥土攪拌樁中的承載力驗算

型鋼與水泥土的極限側阻力標準值按工程經驗取35 kPa，不考慮樁的端阻力（偏安全）。立柱樁豎向承載力驗算按《建筑樁基技術規范》（JGJ 94—2008）中公式(5.3.3-1)計算：

立柱樁承載力特征值：

（2）型鋼結合水泥土攪拌樁整體承載力驗算

型鋼結合水泥土攪拌樁的計算參數按地勘報告中的鉆孔灌注樁參數執行，計算時只考慮單根φ850三軸水泥土攪拌樁（偏安全）。按《建筑樁基技術規范》（JGJ 94—2008）中公式(5.3.3-1)計算：

立柱樁承載力特征值：

播前要做好發芽試驗，晴天將種子攤曬2～3d，可滅菌防病、激化種子酶活性，提高種子芽勢：在田地里土壤濕度好的地區，可進行浸種催芽，用55℃左右的溫水浸泡種子68h，自然冷卻，撈起瀝干后在25～30℃下催芽，至種子50%露白時播種；播種前將干種子用專用玉米種子包衣劑進行包衣，或直接選擇包衣種子加水進行悶種，或用藥劑進行拌種，其用量與種子重量之比為1：5，防止病蟲害。

上述式中：Quk為單樁豎向極限承載力標準值；Qua為單樁豎向承載力特征值；Qsk、Qpk為總極限側阻力標準值和總極限端阻力標準值；qsik為第i層土的極限側阻力；psk為極限端阻力標準值；Ap為樁端面積；u為樁周長；α為樁端阻力修正系數。

由上述計算結果可得，立柱樁承載力滿足要求。（3）現場立柱樁做法

現場支撐與立柱連接詳圖見圖2，立柱樁現場拍攝圖見圖3。

3 監測結果及分析

3.1 立柱位移監測

立柱支撐體系監測點平面布置見圖4，立柱豎向位移見圖5。

在基坑隆起與豎向荷載的共同作用下，立柱可能上升，也可能下沉，其變化規律根據施工工況、地質條件、結構條件等呈現十分復雜的現象。由于立柱位移的不確定性，基坑工程開挖時，加強立柱的位移監測是極為有必要的。立柱垂直位移警戒值：累計量±30 mm，速率3 mm/d（連續2 d）。

圖2 支撐與立柱連接詳圖

圖3 立柱樁現場拍攝圖

圖4 立柱支撐體系監測點平面布置圖

3.2 監測數據分析

由于坑底隆起估算與立柱沉降估算的難度，故對現有實踐工程中的測試數據進行分析總結很有必要。由圖5可以看出：基坑開挖前期，由于降水引起土體固結，造成土體沉降而使立柱樁有輕微下沉的趨勢；隨著基坑開挖深度的加大，基坑隆起量逐步增加，由此產生的立柱樁上浮量也逐步加大。立柱隆起最大值約為15 mm。

圖5 立柱豎向位移圖

根據已有工程經驗，立柱樁因基坑隆起而產生上浮屬于正常現象，若在允許范圍內，基坑是安全的。如果立柱下沉則說明立柱與坑底土層的相對位移已超過了土層的隆起量，也就是說立柱與坑底土層的相對位移已經到了比較可觀的地步，當出現這種情況時，立柱的豎向承載力已經嚴重不足，甚至小于豎向載荷，基坑安全處于危險狀態。

4 施工要求

上述工程案例的成功，驗證了型鋼立柱樁作為立柱樁的可行性，不僅解決了設計過程中一系列實際問題，還大量節約了工期和基坑圍護造價。在實際工程中，也要對型鋼立柱樁提出一定的施工要求：

（1）應選擇質量可靠的型鋼施工企業，要求廠家嚴格控制型鋼質量。嚴格控制焊接質量，焊接過程按相應標準進行。

（2）立柱在底板處應有可靠的止水措施。

（3）樁身及型鋼垂直度必須嚴控，不得超過規范允許范圍，以防產生過大偏心距，造成型鋼立柱強度不足。

（4）同圍護樁中的型鋼不同，立柱樁型鋼不考慮回收，不得涂減摩劑。

（5）水泥土攪拌樁應采用三軸攪拌樁設備施工，水泥摻量等相關參數控制按相關規范執行。

（6）加強對基坑立柱位移監測，避免開挖時受到擾動，基坑開挖完成后應盡早實施結構底板。