深基坑錨注微型鋼管樁聯(lián)合支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)用研究

韓 冰

（中鐵二十二局集團(tuán)第一工程有限公司，黑龍江 哈爾濱 150000）

0 引言

深基坑工程施工現(xiàn)場(chǎng)的地質(zhì)、水文條件特殊，施工空間有限，不利于大型機(jī)械設(shè)備進(jìn)場(chǎng)作業(yè)，甚至無法提供充足的空間用于支護(hù)排樁的施工，施工面臨安全隱患多、質(zhì)量缺陷發(fā)生率高等問題。為了在安全的前提下有效完成深基坑施工作業(yè)，需探尋更具適用性的方法，有效突破深基坑施工條件的束縛，可充分發(fā)揮錨注微型鋼管樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)。微型鋼管樁配套機(jī)械設(shè)備的占用空間較小，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，可適應(yīng)深基坑的施工環(huán)境，建成的支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可靠。本文對(duì)深基坑錨注微型鋼管樁聯(lián)合支護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)用進(jìn)行研究探討。

1 微型鋼管樁聯(lián)合支護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)用

1.1 結(jié)構(gòu)構(gòu)造

以下部自鉆式微型鋼管樁錨和上部框架預(yù)應(yīng)力錨桿為核心，組成支護(hù)結(jié)構(gòu)體系，如圖1所示。框架錨桿包含立柱、橫梁、錨桿，協(xié)同擋土板承受土壓力，維持土體的穩(wěn)定性。在聯(lián)合支護(hù)結(jié)構(gòu)中，自鉆式微型鋼管錨樁屬于關(guān)鍵組成部分，包含微型鋼管樁、冠梁和錨桿，根據(jù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的要求，將自鉆鋼管嵌固至土體，壓力注漿以便借助漿液的固結(jié)作用達(dá)到加固的效果，用冠梁連接微型鋼管樁頂部，錨桿錨固至冠梁上。自鉆鋼管的組成包含鋼管（帶出漿孔）、鉆桿、螺旋鉆頭和限位螺栓，螺旋鉆頭表面有螺旋葉片和出漿孔，鋼管兩端分別與螺旋鉆頭、限位螺栓進(jìn)行連接。鉆桿的布設(shè)方式是一端穿過鋼管固定在限位螺栓上，另一端插入螺旋鉆頭的內(nèi)六角接頭處。框架錨桿的立柱插至冠梁內(nèi)，自鉆式微型鋼管樁在冠梁的作用下錨固至一體。

圖1 框架預(yù)應(yīng)力錨桿微型鋼管樁聯(lián)合支護(hù)結(jié)構(gòu)立面圖

1.2 應(yīng)用機(jī)制

（1）框架預(yù)應(yīng)力錨桿的錨固機(jī)制。由錨桿組成主動(dòng)受力擋土結(jié)構(gòu)，建立土壓力與穩(wěn)定土層錨固力的作用關(guān)系，維持受力的穩(wěn)定性。錨桿的內(nèi)端錨固至穩(wěn)定土層，外端錨固至框架梁柱的交叉部位，布設(shè)到位的錨桿將源自于框架的坡體土壓力傳遞至鋼拉桿，再通過粘結(jié)作用和摩擦作用傳遞至穩(wěn)定土體，土壓力或水壓力可在穩(wěn)定土層錨固力的作用下消除，進(jìn)而維持基坑土體和邊坡的穩(wěn)定性。并且，框架結(jié)構(gòu)在錨桿預(yù)應(yīng)力的作用下可對(duì)土體產(chǎn)生反壓力，其作用在于增強(qiáng)滑體與穩(wěn)定土體間的摩擦力，進(jìn)一步保證土體的穩(wěn)定性。

（2）自鉆微型鋼管樁的作用機(jī)理。通過自鉆技術(shù)、壓力注漿、微型樁支護(hù)技術(shù)的聯(lián)合應(yīng)用，建成具有支護(hù)作用的自鉆微型鋼管樁，可保證土體的完整性與穩(wěn)定性，以免出現(xiàn)土體失穩(wěn)現(xiàn)象。自鉆和注漿是自鉆微型鋼管樁加固的核心，也是取得良好加固效果的關(guān)鍵所在。

自鉆：鋼管植入過程中對(duì)土體產(chǎn)生預(yù)壓力，此部分力的作用促使周邊相對(duì)松散的土體轉(zhuǎn)變?yōu)槊軐?shí)狀態(tài)，使土體具有完整性與密實(shí)性。

注漿：注漿材料選用水泥漿液，在壓力的推動(dòng)作用下注入周圍土體中，經(jīng)過填充后提高土體的密實(shí)性，改善土體的力學(xué)性能，且連同樁周土共同參與工作，建成的樁土復(fù)合體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可靠，可有效承受坡體土壓力。同時(shí)，注漿過程中滑體與穩(wěn)定土體的摩阻力由于漿液的滲透作用而增加，坡體具有突出的抗滑特性[1]。

（3）卸荷機(jī)制?？蚣茴A(yù)應(yīng)力錨桿微型樁的兩級(jí)支護(hù)體系共同配合，可減小微型樁的長(zhǎng)徑比和框架預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)放坡量，建設(shè)成型的微型樁支護(hù)結(jié)構(gòu)具有穩(wěn)定性。支護(hù)部分放坡卸荷，微型鋼管樁受到的坡體作用力減弱，框架預(yù)應(yīng)力錨桿與微型鋼管樁在樁頂冠梁的作用下組成完整結(jié)構(gòu)，建立起坡體土壓力的兩條傳遞路徑，一是經(jīng)由樁體傳遞至基坑底部的穩(wěn)定土層；二是經(jīng)由錨桿傳遞至錨固體周邊的穩(wěn)定土層，受力條件得到優(yōu)化，受力的穩(wěn)定性有所保障，可提升基坑支護(hù)的有效性。

2 框架預(yù)應(yīng)力錨桿微型鋼管樁聯(lián)合支護(hù)結(jié)構(gòu)的適用性分析

（1）對(duì)周邊環(huán)境的適用性。施工空間狹窄、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差、成孔難度高、現(xiàn)場(chǎng)存在不良土質(zhì)同時(shí)改良難度較大時(shí)，可以采用框架預(yù)應(yīng)力錨桿微型鋼管樁聯(lián)合支護(hù)結(jié)構(gòu)，例如場(chǎng)地狹窄區(qū)域、土質(zhì)松散區(qū)域、存在回填未固結(jié)土區(qū)域等處。

（2）對(duì)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件的適用性。錨桿錨固段經(jīng)過壓力注漿后產(chǎn)生較強(qiáng)的錨固力時(shí)，適宜采用框架預(yù)應(yīng)力錨桿微型鋼管樁聯(lián)合支護(hù)結(jié)構(gòu)。

（3）對(duì)水文條件的適用性。以注漿滲透的方法改善土體失穩(wěn)的問題，但若施工中存在地下水的干擾，注漿效果將大打折扣，為保證支護(hù)結(jié)構(gòu)的有效性，宜應(yīng)用于地下水位較低的區(qū)域。

3 微型鋼管樁聯(lián)合支護(hù)結(jié)構(gòu)土體參數(shù)研究

深基坑設(shè)計(jì)與施工的進(jìn)行需以安全為前提，支護(hù)結(jié)構(gòu)在構(gòu)筑施工安全環(huán)境方面具有重要作用，需確保支護(hù)結(jié)構(gòu)組成形式合理且受力穩(wěn)定可靠。支護(hù)結(jié)構(gòu)受到較強(qiáng)的土體水平抗力，在力的作用下結(jié)構(gòu)的內(nèi)力及穩(wěn)定狀態(tài)可能發(fā)生變化。其中，土體粘聚力c、土體內(nèi)摩擦角φ以及土體彈性模量E三項(xiàng)指標(biāo)對(duì)土體變形及土壓力有顯著的影響，是基坑設(shè)計(jì)中需重點(diǎn)考慮的內(nèi)容。土體取樣方法、試驗(yàn)誤差等均會(huì)對(duì)樁后土體壓力及變形的計(jì)算效果帶來影響，因此需要做全面的分析，保證土體參數(shù)的合理性，在此前提下設(shè)計(jì)優(yōu)質(zhì)的微型鋼管樁聯(lián)合支護(hù)方案。

3.1 土體粘聚力c的影響

本基坑素填土層、粉質(zhì)黏土層的厚度分別約為2.7m、35m，不同土層的厚度差異較大，在土體參數(shù)的分析中將占比較大的粉質(zhì)黏土作為重點(diǎn)考慮對(duì)象，此類土體的彈性模量E=8.0MPa、粘聚力c=21.2kPa，內(nèi)摩擦角φ=18.8°，假定E和φ兩項(xiàng)參數(shù)均保持不變，在此前提下取四組不同的粘聚力數(shù)據(jù)展開分析[2]。粘聚力的取值，如表1所示。

表1 不同粘聚力取值

微型鋼管樁聯(lián)合支護(hù)結(jié)構(gòu)在不同粘聚力強(qiáng)度條件下的水平變形程度如圖2所示。數(shù)值分析中難以明確判斷粘聚力對(duì)土體水平抗力的影響，為此著重考慮支護(hù)結(jié)構(gòu)的水平變形程度，從此項(xiàng)指標(biāo)著手加以分析。

圖2 坑底隆起對(duì)比圖

不同粘聚力下的樁身位移情況如圖3所示，分析發(fā)現(xiàn)，樁水平位移隨著粘聚力c的增加而減小。粘聚力從15.0kPa增至18.0kPa、從18.0kPa增至21.2kPa兩個(gè)階段，對(duì)應(yīng)的水平位移均呈減小的變化，且減小幅度相當(dāng)，約為20%；此后減小幅度出現(xiàn)轉(zhuǎn)變，即從21.2kPa增至24.0kPa時(shí)，雖然仍存在水平位移減小的規(guī)律但減幅僅為5%。因此，支護(hù)結(jié)構(gòu)水平變形將隨著粘聚力的增加而呈階段性的變化，前期大幅減小，后續(xù)減小幅度縮小，但水平位移總體上呈減小的變化趨勢(shì)。

圖3 不同粘聚力下樁身位移

樁身內(nèi)力受粘聚力的影響見圖4，根據(jù)圖4（a）可知，無論粘聚力如何發(fā)生變化，樁頂及樁底的彎矩并不會(huì)因此而變化，但以開挖面周邊頗為特殊，粘聚力的增加迫使該處樁身彎矩減小，且減小變化依然具有階段性的特征，例如粘聚力C從15.0kPa增至18.0kPa、從18.0kPa增至21.2kPa時(shí)彎矩均呈減小的變化同時(shí)幅度基本一致，但從21.2kPa開始發(fā)生轉(zhuǎn)折，至24.0kPa的區(qū)間內(nèi)彎矩雖減小但無大幅度變化。對(duì)于開挖面以下的部位，粘聚力的增加將帶來樁身正彎矩的加大。

樁身剪力在不同粘聚力的表現(xiàn)如圖4(b)所示，可以看出，樁身剪力并不會(huì)由于粘聚力的改變而出現(xiàn)大幅度的變化，甚至幾乎不存在影響關(guān)系。

圖4 不同粘聚力對(duì)應(yīng)的樁身內(nèi)力

3.2 土體內(nèi)摩擦角φ的影響分析

其它土體參數(shù)不變，土體內(nèi)摩擦角φ的取值為四種，如表2所示，探討微型鋼管樁支護(hù)結(jié)構(gòu)在不同內(nèi)摩擦角時(shí)的變化特征。不同內(nèi)摩擦角時(shí)的樁身變形如圖5所示。

表2 不同內(nèi)摩擦角取值

圖5 不同內(nèi)摩擦角下樁身變形

分析發(fā)現(xiàn)，土壓力由于土體內(nèi)摩擦角的增加而減小，每次增加約6°時(shí)，相應(yīng)的樁身水平變形減小幅度達(dá)到50%左右；樁身在開挖面以上的部分將在內(nèi)摩擦角達(dá)到30.0°時(shí)呈現(xiàn)出向基坑外側(cè)位移的變化趨勢(shì)，究其原因，在內(nèi)摩擦角偏大的條件下，樁后的主動(dòng)土壓力減小，但整個(gè)過程中并不會(huì)帶來樁身錨索預(yù)應(yīng)力的改變，因此錨索對(duì)樁向基坑外側(cè)的作用力維持恒定的狀態(tài)，但樁后土壓力減小，此受力條件下顯現(xiàn)出樁向基坑外移動(dòng)的變化規(guī)律?；油鈧?cè)土體由于樁的位移而受到擠壓，樁后土體沿著上、下兩個(gè)方向發(fā)生移動(dòng)，嵌固段主動(dòng)土壓力較之于原始狀態(tài)有所增加，此段的樁身向基坑內(nèi)側(cè)移動(dòng)。由此可見，即便粘聚力和內(nèi)摩擦角均是影響微型鋼管樁變形的因素，但影響程度存在差異，以內(nèi)摩擦角的影響更為顯著[3]。

不同內(nèi)摩擦角的樁身內(nèi)力變化特征如圖6所示。

圖6 不同內(nèi)摩擦角的樁身內(nèi)力

根據(jù)圖6，對(duì)樁身彎矩和樁身剪力兩個(gè)方面分析如下：

圖6（a）：支護(hù)樁樁頂及樁底的彎矩不會(huì)由于內(nèi)摩擦角的變化而出現(xiàn)大幅度的波動(dòng)，開挖面周邊的樁身負(fù)彎矩易受到內(nèi)摩擦角φ的影響，呈現(xiàn)出φ增加則負(fù)彎矩減小的特點(diǎn)；待φ增至30.0°、36.0°時(shí)，樁身存在正彎矩，對(duì)應(yīng)至支護(hù)樁的變化特征中，則顯現(xiàn)出向基坑外側(cè)移動(dòng)的趨勢(shì)，對(duì)于開挖面以下的嵌固段，φ的增加將帶來樁身正彎矩的加大，該分析結(jié)果與前述一致。由于樁身向基坑內(nèi)側(cè)移動(dòng)，正彎矩隨之加大。

圖6（b）：支護(hù)樁的剪力雖然受到內(nèi)摩擦角的影響但程度有限，在錨索設(shè)置區(qū)域的剪力略有變化，支護(hù)樁嵌固段彎矩變化最大處的剪力存在顯著的變化?？傮w上，隨著內(nèi)摩擦角φ的改變，最易受到影響的是支護(hù)樁的水平位移，而對(duì)支護(hù)樁剪力雖然產(chǎn)生影響但程度有限。

3.3 土體彈性模量E的影響分析

支護(hù)結(jié)構(gòu)變形及內(nèi)力主要受土體彈性模量E的影響，在土體其它參數(shù)均維持不變的前提下，選取四組土體彈性模量E，具體如表3所示，根據(jù)不同彈性模量的影響情況做對(duì)比分析。

表3 不同彈性模量取值

不同彈性模量對(duì)應(yīng)的支護(hù)樁內(nèi)力不盡相同，具體如圖7所示。分析發(fā)現(xiàn)，即便土體彈性模量的變化會(huì)影響支護(hù)樁內(nèi)力，但程度有限，并非支護(hù)樁內(nèi)力的主要影響因素。

圖7 不同彈性模量對(duì)應(yīng)的樁身內(nèi)力

對(duì)樁身彎矩和樁身剪力兩個(gè)方面分析如下：

圖7（a）：無論彈性模量如何變化，均不會(huì)對(duì)支護(hù)樁樁頂、樁底及開挖面周邊產(chǎn)生過多的影響；隨著彈性模量的增加，支護(hù)樁嵌固段部分的主動(dòng)土壓力增加，有正彎矩加大的變化趨勢(shì)。

圖7（b）：嵌固段部位的樁身剪力有所增加。

經(jīng)對(duì)比分析得知，彎矩曲線與剪力曲線的走勢(shì)基本相同，雖然彈性模量屬于影響因素但并不能造成大范圍的影響，由于影響程度有限，在支護(hù)結(jié)構(gòu)的數(shù)值分析中可暫不考慮彈性模量的影響。

4 結(jié)束語

深基坑開挖的施工空間有限，難度大，微型鋼管樁可有效適應(yīng)特殊的施工環(huán)境，起到支護(hù)的作用；相比普通混凝土灌注排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)，在同等條件下微型鋼管樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性更為突出，變形量、內(nèi)力各方面均更?。晃⑿弯摴軜兜乃轿灰破毡檩^小，其中開挖面周邊屬于內(nèi)力最大的區(qū)域?？傮w上，微型鋼管樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)用效果明顯優(yōu)于普通灌注樁，起到保障施工安全、節(jié)省施工空間、提高施工效率、降低施工成本等效果，具有推廣價(jià)值。