鋼管內斜樁+排樁組合支護體系在濱海飽和軟土地質基坑工程中的應用研究

徐接武

(福州市一建建設股份有限公司 福建福州 350011)

0 引言

近年來基坑工程體量越來越大，根據(jù)濱海飽和軟土地質條件及基坑形態(tài)，結合基坑豎向支護體系，選用內撐形式，對基坑安全及經濟影響重大。以往基坑設計常采用鋼筋混凝土或型鋼水平撐、撐于底板結構的型鋼斜撐等形式，這些類型支護內撐形式均具有工序多、工期長、投入大等缺點。許多專家學者、工程技術人員深入研究了新型斜樁組合排樁基坑支護[1-3]，提出了力學計算模型。張福海等[4]基于二維模型,模擬斜樁、排樁以及土體共同作用，研究其受力特性；鄭剛等[5]基于三維小應變硬化模型(HSS)，模擬卸荷條件下基坑支護變形及坑外圍土體變形。本文結合具體工程實踐，探討鋼管內斜樁+排樁組合基坑支護體系在濱海飽和軟土地質工程中的應用。

1 工程背景

工程項目位于福建濱海飽和軟土地區(qū)，地下室一層建筑面積3萬多平米，基坑呈長條形，南北長約262 m，東西寬約91m，如圖1所示，其中基坑東側邊線距周邊已有建筑物1.35 m～11.0 m，南側邊線緊臨市政道路路沿，西南角緊臨已建售樓部，北側為規(guī)劃路(現(xiàn)為空地)，西側為規(guī)劃路(現(xiàn)為空地)，基坑開挖深度為5.80 m～6.65 m。基坑東側地下室與周邊關系，如圖2所示。依據(jù)水文地質條件、開挖深度及對周邊環(huán)境的影響，南側、東側、西南角基坑安全等級為一級，北側及西側基坑安全等級為二級。

1.1 工程地質與水文地質條件

場地原始地貌為山前沖洪積平原地貌，基坑支護影響范圍內的巖土層有：雜填土、淤泥、淤泥質土、碎卵石、全風化花崗巖等5層，基坑開挖作業(yè)主要為淤泥層，各土層特性及其主要物理力學性能參數(shù)指標如表1所示。上層滯水主要為賦存于雜填土中的孔隙潛水，水量不大，主要接受大氣降水補給；孔隙承壓水主要儲存于碎卵石層的孔隙中，主要接受地下水的側向徑流或大氣降水等補給。

圖1 支護結構平面及周邊環(huán)境示意圖(單位:mm)

圖2 場地東側基坑支護剖面圖(單位:mm)

表1 基坑影響范圍主要地層參數(shù)表

2 基坑支護方案

2.1 基坑支護方案的選擇分析

綜合考慮本地塊水文地質條件、開挖深度、周邊環(huán)境，在滿足安全的前提下，兼顧經濟性，可區(qū)分基坑安全等級分類進行支護設計。安全等級為二級的基坑西側及北側采用放坡+木樁支護，安全等級為一級的基坑東側及南側支護，進行以下比選后選用。

2.1.1 錨索或錨桿+排樁支護方案

該方案是基坑支護的常見支護形式，工藝成熟；缺點是飽和軟土層中錨索或錨桿抗拔承載力效果差，可能導致支護變形超設計與規(guī)范要求，且占用紅線外土地。

2.1.2 水平內支撐+排樁方案

該方案支護系統(tǒng)施工難度不大，水平內支撐可及時設置，基坑變形小，對周邊建筑及環(huán)境影響小；缺點是若全面采用該方案，須將基坑西側安全等級為二級放坡支護更改為排樁支護，水平內支撐需全坑滿堂布置，坑內設置立柱及立柱樁，投入多、成本高，且安裝及拆除水平內支撐占用關鍵路線工期。

2.1.3 鋼管內斜樁+排樁支護方案

該方案鋼管內斜樁設于基坑內側，不占用紅線外土地，鋼管內斜樁與支護排樁可穿插施打，施工及拆除不占用關鍵路線工期，不需預留反壓土、無結構底板二次施工，可根據(jù)需要分期拆除斜樁。且基坑東側、西側可根據(jù)不同安全等級，獨立設計基坑支護系統(tǒng)，工期與造價節(jié)約明顯。采用這一方案主要需解決鋼管斜樁沉樁質量控制難題。

通過以上分析比對，本基坑東側及西南角(橫向)采用鋼管內斜樁+排樁支護、南側及西南角(豎向)采用型鋼水平內撐+排樁支護，西側及北側采用放坡+木樁支護。

2.2 鋼管內斜樁基坑支護方案詳細參數(shù)

本工程東側及西南角(橫向)基坑支護采用型鋼鋼板排樁+鋼管內斜樁+被動區(qū)加固+放坡方式，如圖2～圖3所示。其中排樁采用型鋼樁(HM488×300，間距850 mm，長12 m～15 m)與鋼板(750 mm寬，12 mm厚，間距850 mm，長度為6 m～8 m)；鋼管內斜樁(φ406×10，間距4.25 m～5.1 m，長15 m～22 m)，持力層為進入碎卵石不少于3.0m或全風化花崗巖不少于4.0 m，內斜樁軸向承載力特征值1060 kN，極限值1600 kN。

2.3 鋼管內斜樁支護體系結構計算分析

計算依據(jù)選用《建筑基坑支護技術規(guī)程》(JGJ 120-2012)[6]，內力計算方法為增量法。主要對基坑組合支護體系抗傾覆、內力、變形及鋼管內斜樁的承載力進行計算。

(1)計算參數(shù)的選取

鋼管樁進入進入淤泥層6.6 m、進入淤泥質土層4.8 m、碎卵石3 m，各巖土層參數(shù)如表1所示。

(2)計算工況的設定

計算工況如表2及圖3所示。

表2 工況信息

圖3 支護結構工況簡圖(單位:m)

(3)支護結構計算結果分析

①結構計算

彎矩折減系數(shù)取0.85，剪力折減系數(shù)取1.00，荷載分項系數(shù)取1.25，土壓力計算對比彈性法土壓力及經典法土壓力取值。本文選最不利工況3(土方開挖至底板墊層底)進行結構計算,結果如圖4所示。

圖4 結構計算結果

②鋼管斜樁承載力計算

a.鋼管軸力為N0=159.96×5.1×1.414=1154 kN

鋼管支撐按軸心受壓構件近似計算,長細比λ=L0/i=107.2，查表得穩(wěn)定系數(shù)φ=0.583；

式中：L0—— 受壓計算長度取15 000 mm；

i——構件的截面慣性矩取140 mm；

鋼管穩(wěn)定承載力N=φAσ=1486 kN>N0=1154 kN，滿足要求。

式中：A——鋼管截面面積；

σ——鋼材抗壓強度設計值。

b.鋼管進入坑底深度及承載力的驗算(鋼管按進入碎卵石3.0 m計算)

單樁軸向極限承載力標準值：

Quk=uΣqsik·li+λpqpk·Ap=1789 kN>N0=1154 kN，滿足要求。

單樁軸向承載力特征值：

Ra=Quk/K=1193>N0=1154 kN，滿足要求。

式中：K—— 安全系數(shù),取K=1.5。

③抗傾覆計算

式中：Mp——被動土壓力及支點力對樁底的抗傾覆彎矩,對于內支撐支點力由內支撐抗壓力決定。

Ma——主動土壓力對樁底的傾覆彎矩。

3 鋼管內斜樁施工技術及組織措施

3.1 工藝原理

通過按預定角度定向引孔后，順導向孔采用振動法，將鋼管內斜樁插入基坑底部設計持力層中，對基坑圍護樁起到內支撐作用。

3.2 工藝流程

場地平整→測量定位→鋼管樁制作→引導向孔→鋼管內斜樁施打→沉樁質量檢測→土方開挖到冠梁底及冠梁或圍檁施工→基坑土方開挖→焊接止水環(huán)→底板結構及傳力帶施工→切除部分鋼管斜樁及穿底板封堵→地下室側墻結構施工及基坑周邊土方回填→切除剩余鋼管斜樁→收口處理。

3.3 施工重難點控制

(1)鋼管內斜樁施打

①施工前應進行復核，避開支護樁、工程樁及地下室主體結構；

②施工前應進行試樁及試樁靜載，確保沉樁工藝的可靠；

③每根斜樁正式沉樁前應先引導向孔，采用液壓錘順傾斜式定角導向架打入一根6 m～9 m不帶樁尖的空心鋼管，拔除后作為導向孔。

(2)鋼管斜樁宜使用12 m整材，當需要接長時，應采用內套管連接并開孔塞焊，采用φ406×10鋼管樁，內套管為φ377×8鋼管，內套管長度為1000 mm(兩端各搭接500 mm)，外鋼管開間距為150 mm×200 mm的φ15孔與內鋼管焊接。

(3)樁頂與冠梁應設可靠連接，如圖5所示。

圖5 冠梁與斜撐連接節(jié)點大樣圖(單位:mm)

(4)抗壓承載力檢測要求

①鋼管內斜樁抗壓承載力靜載試驗抽檢比例同工程樁標準。

②選定檢測樁坑背側，施打4～5排8 m長型鋼樁，在其內側焊設兩層型鋼，做為檢測千斤頂?shù)暮笈_座，后臺座內側另施工2排8 m長型鋼樁，夾緊后臺座。

③將千斤頂兩端分別與預先焊接于后臺座及鋼管斜樁頂?shù)念A埋鋼板銷栓連接。

④千斤頂分10級逐步施加壓力，并記錄斜樁沉降情況，直至設計抗壓承載力后，分級卸荷，如圖6所示。

圖6 斜樁抗壓承載力檢測

(5)鋼管內斜樁軸力監(jiān)測

鋼管內斜樁軸力監(jiān)測點，隔一根布設一處(優(yōu)先設于最后拆除的斜樁上)，選擇端頭軸力計(反力計)過程動態(tài)測試軸力及變化[7]，軸力計安裝在鋼管內斜樁的端頭，頻率接收儀獲取某工況、時點監(jiān)測頻率，與初始自振頻率對比，計算支撐軸力值。

鋼管內斜樁軸力計算可按下式進行：

N=k(fi2-f02)

式中：N——鋼管內斜樁軸力(kN)；

k——軸力計標定系數(shù)(kN/Hz2)；

fi——軸力計監(jiān)測頻率(Hz)；

f0——軸力計安裝后的初始頻率(Hz)。

4 施工效果

本工程鋼管內斜樁基坑支護應用成效如下：

(1)鋼管內斜樁樁抗壓承載力靜載試驗，極限承載值作用下，樁身累計最大沉降23 mm，符合設計要求。

(2)基坑支護水平位移、豎向位移、斜撐內力、鄰近建(構)筑物變形、沉降效果良好。施工監(jiān)測結論如表3所示。

表3 基坑支護變形監(jiān)測情況表

(3)鋼管內斜樁與排樁組合支護體系，相比傳統(tǒng)內支撐體系，可直接降低支護體系造價10%～22%(內撐占比支護造價約25%～35%)，且顯著減少工期，社會效益更為明顯。各類基坑內撐造價對比如表4所示。

表4 支護方案成本對比分析表(元/延米基坑長度)

5 結論

選擇安全、經濟的基坑支護體系一直是濱海飽和軟土地區(qū)工程疑難問題，特別是針對基坑各側邊安全等級不同的情況，鋼管內斜樁組合排樁基坑支護體系在實踐中取得了一定的效果。

(1)濱海飽和軟土地質特點，鋼管內斜樁可穿越基坑底軟土層，進入持力層，有限樁長即可充分發(fā)揮鋼管承載力大的性能。鋼管內斜樁、排樁、冠梁之間連接可靠，組合的基護支護結構體系剛度大，避免基坑過大變形。

(2)鋼管內斜樁，施打及拆除不占用關鍵路線工期，相比常用的其他內撐型式，工期顯著提前，材料一次性投入小，成本明顯降低。

(3)鋼管內斜樁基坑支護方案，基坑的土方開挖采用大面積盆式開挖方法，不需預留反壓土、無結構底板二次施工，工效高，且可根據(jù)需要分期拆除內斜樁，基坑安全保證度高。

(4)施工關鍵技術及重難點的解決，使鋼管內斜樁施工質量得到保證并提升施工效率。