鋼管樁在基坑邊坡支護工程中的應用及計算分析

舒 睿 楊欽富

（貴州省交通規劃勘察設計研究院股份有限公司，貴州 貴陽550081）

在建筑行業現行規范《建筑邊坡工程技術規范》（GB50330-2013）和《建筑基坑支護技術規范》（JGJ120-2012）中，除削方減載和放坡外，常用的邊坡和基坑支護手段總結起來可以統稱為“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，不同的支擋結構所需要的應用條件不同，提供的抗力也有較大差距，常用的鋼筋混凝土樁及連續墻又具有投入大、成本高、施工復雜及對環境的較大污染、破壞性等特點，故支擋結構的選型應結合邊坡（基坑）周邊環境，高度、工程地質及水文地質等條件并綜合考慮結構的空間效應和受力特點來選擇合適的支護結構型式。

自20 世紀50 年代中期以來，鋼管樁開始作為一種支護結構在國內有了一定程度的應用，然而由于當時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，鋼管樁的相應使用一直未大規模推廣。直至如今隨著材料研究方面的突飛猛進，鋼管樁的應用隨之增加。鋼管樁首先是作為一種新型抗壓樁型得到重視，由于近年來建筑市場的異常繁榮發展，在多高層建筑日漸增多的情況下，對基礎工程質量要求更高，要求基礎具有更多更強的承載力以保證建筑結構的穩定與安全。與傳統樁基礎相比，鋼管樁除具有承載力高、擠土效應低、土層擾動小等優勢,其被引進建筑基礎工程并得到廣泛應用。但考慮鋼管樁的抗彎性能，在邊坡和基坑支護應用領域，鋼管樁仍被當作為一種新型支擋結構，目前規范里面較少涉及鋼管樁相關應用與計算。但筆者通過對鋼管樁在基坑、邊坡設計中多年的實際應用，發現鋼管樁適應性極強、見效快、施工時間短,對周圍巖土體擾動小，并且鋼管樁采用空壓機機械成孔，施工方便、施工時間短，尤其是在施工場地條件狹小,工程條件復雜困難的情況下,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。

本文以中國電信云計算貴州信息園水池GE 段基坑邊坡為研究對象，對其工程特性進行了分析，結合其基坑邊坡穩定性分析采用鋼管樁進行支護設計。在鋼管樁設計過程中采用了工程類比法，通過采用剛度等效原則，將鋼管樁等效作為混凝土樁，通過理正巖土軟件進行后續計算。該設計對鋼管樁的應用及計算進行研究，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

擬建工程為中國電信云計算貴州信息園1.3 期土建工程新建地下水池基坑邊坡，邊坡總長36m，其中GE 段坡向為45°，最大坡高5.9m，±0.0 標高為1273.5，坑底設計標高為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，下伏基巖為強風化和中風化白云巖，基坑坡頂臨近電力管線，且無法遷改，建議垂直開挖。

GE 段基坑邊坡坡向為38°，垂直開挖，巖層層面產狀為325°∠16°，主要發育兩組節理，節理J1:100°∠78°，節理J2:170°∠85°。結合赤平極射投影綜合分析，GE 段邊坡的破壞模式為：沿土層內部的圓弧滑動破壞以及由于巖體破碎受隨機結構面切割，在雨水、坡頂荷載、施工擾動等外力作用下的碎落、掉塊、松石滾落等。根據定性的基坑邊坡穩定性分析，對邊坡體安全系數下的剩余下滑力和側向巖土壓力進行計算得到5.9m，高基坑邊坡上部圓弧滑動剩余下滑力達80kN/m，側向巖土壓力達139kN/m。根據邊坡定性穩定性分析和定量計算，設計對地下水池坑底邊界預留1.5m肥槽空間，對該基坑進行垂直開挖，并采用“鋼管樁+冠梁”的支護設計對基坑邊坡進行支護，設計冠梁截面尺寸為0.5×1.2m，采用C30 混凝土澆筑，鋼管樁長10.5m，設置三排，橫豎間距為0.4m×0.4m，梅花型布置。同時鋼管樁之間噴射10cm厚C20 混凝土對基坑邊坡進行封面處理，防止空氣和雨水對坡體的直接接觸。

圖1 新建地下水GE 段基坑鋼管樁設計圖

2 鋼管樁設計計算分析

前文提及現行建筑行業規范里無鋼管樁相關內容，因此本次支護設計時，采用了工程類比法，即應用等效剛度的思想，對鋼管樁設計等效為常規的鋼筋混凝土抗滑樁進行計算。根據邊坡穩定性計算，選取新建地下水池GE 段基坑邊坡進行邊坡支護設計計算。邊坡高度為5.9m，側向巖土為139kN/m。

本次設計鋼管樁采用φ159×6.0mm 結構用無縫鋼管，樁長10.5m，所受土壓力為10.5kN/m；鋼管樁按0.4×0.4m 梅花形布置，共設置三排。

設計計算根據剛度等效原則，將鋼管樁等效作為混凝土樁，通過理正巖土軟件進行計算，為保證鋼管樁變形及穩定滿足要求，計算過程中不考慮土體部分提供剛度。現對鋼管樁抗彎剛度進行計算如下：

選用鋼管外徑為159mm，壁厚6mm，則鋼管內徑為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公式EI=EI0+ΣEiAidi2計算得到：

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行考慮，代換過程中保證樁高1m不變，則代換后樁寬：

鋼管樁等效后按寬度1.0m 的抗滑樁計算，完成后續設計內容。

3 鋼管樁設計計算中的問題探討

鋼管樁作為一種新型的支擋結構，規范里尚未有其明確的計算及設計方法，每個應用者在使用過程中都是根據自己的經驗和理解參照既有規范對其進行解釋，在應用的過程中難免遇到一些問題，本次也從以下幾個常見問題對鋼管樁的設計進行了探討。

3.1 鋼管樁計算采用的模型合理性問題

本次鋼管樁設計計算時主要根據了剛度等效原則：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行考慮。代換過程中保證樁高1m不變，通過計算代換后的樁寬達到等效混凝土樁計算的目的。

3.2 鋼管之間的連接有效性問題

設計中鋼管樁之間通過頂部的混凝土冠梁形成聯系成為整體，具體聯系如下：鋼管樁頂部設置鋼筋混凝土冠梁，鋼管樁和冠梁的主筋采用焊接連接，鋼筋綁扎、模板支設完成后，澆筑砼，鋼管間即通過冠梁形成一個受力整體。

3.3 鋼管樁與混凝土冠梁之間連接的可靠性問題

鋼管樁和頂部冠梁的主筋采用焊接連接，鋼管內插的鋼筋接長與冠梁的鋼筋進行綁扎，于模板支設完成后，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 鋼管內混凝土與鋼管共同受力問題

通過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，并與巖土體發生充分的混合，同時，鋼管樁內填的混凝土有效地增強了鋼管壁的穩定性，同時鋼管對內填混凝土形成約束，共同受力，共同變形。

4 結論

本文以中國電信云計算貴州信息園水池GE 段基坑邊坡為研究對象，介紹了其巖土組成特征及潛在破壞模式，進行引出鋼管樁在基坑邊坡支護設計中的等效計算過程，并對現階段鋼管樁應用過程中連接可靠性的常見問題進行探討。在巖土設計工作的應用實踐中，多個基坑邊坡的安全穩定已經證明了鋼管樁設計的可靠性，得出主要結論有：

4.1 常規類型的抗滑樁規格較大，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構可看做一種微型樁，作為近垂直條件下支護類型的補充。

4.2 根據工程類比法，應用等效剛度的原則可將鋼管樁等效為常規混凝土樁進行設計分析計算。

4.3 為保證鋼管樁之間的有效連接與整體性，鋼管樁內注水泥漿既能與周邊巖土體進行充分混合，又能對鋼管進行填充，有效增強鋼管壁的穩定性。