微型鋼管樁-錨支護受力特性現場試驗

摘要： 為了研究微型鋼管樁-錨支護在土巖結合地層中的受力特性，以及鋼管樁在不同開挖深度和錨索、錨桿施工完畢后的內力變化，在青島地鐵某車站進行現場試驗，采用3階微型鋼管樁結合錨索、錨桿的方式對基坑進行加固，并對基坑第1階內排兩根測試樁進行內力測試。結果表明：開挖面附近與樁頂處彎矩較大，測得彎矩最大值超過15 kN·m；錨索鎖定能有效抑制彎矩發展，樁身內力變化規律與土巖地質條件相關性明顯，土巖邊界易出現彎矩極值，正彎矩最大值為32.43 kN·m。

關鍵詞：微型鋼管樁；土巖結合地層；受力特性；基坑；內力；彎矩

doi：10.13278/j.cnki.jjuese.20240109 中圖分類號：TU473 文獻標志碼：A

收稿日期： 2024-05-17

作者簡介： 葛玉寧（1979-），男，高級工程師，主要從事樁基礎方面的研究，E-mail：479119821@qq.com

通信作者： 王永洪（1984-），男，副教授，博士，主要從事土力學及樁基礎方面的研究，E-mail： hong7986@163.com

基金項目： 山東省自然科學基金面上項目（ZR2022ME143）

Supported by the National Natural Science Foundation of Shandong （ZR2022ME143）

Field Test on Mechanical Performance of Micro-Steel Pipe Piles-Anchor Support in Combined Stratum

Ge Yuning1，Wang Yonghong2，Jiang Lingfa3，Yang Kun4，Zhang Yulei5，Zhang Dong6，Sun Junliang4，Zhang Qijun7， Huang Yongfeng2，Zhang Shuo2，Wang Donglei8，9

Abstract： In order to study the stress characteristics of micro-steel pipe pile-anchor support in soil-rock-bound stratum， as well as the internal force changes of steel tubular pile at different excavation depths and after the completion of anchor cable and anchor rod construction， a field test was carried out in a subway station in Qingdao. The foundation pit was strengthened by using the third-order micro-steel pipe pile combined with anchor cable and anchor rod， and the internal force test was carried out on two test piles in the first order of the foundation pit. The steel pipe piles in different excavation depth， anchor and anchor cable construction after the completion of the internal force of change. The results show that the bending moment near the excavation surface and the top of the pile is large， the measured bending moment value is up to more than 15 kN·m. The anchor cable lock can effectively suppress the development of bending moment. The law of the internal force changes in the pile body is obviously related to the earth rock geological conditions， and the maximum positive bending moment is 32.43 kN·m.

Key words： micro-steel pipe pile；soil-rock-bound strata；mechanical characteristic；foundation pit；internal force；bending moment

0 引言

微型鋼管樁為樁徑小于300 mm的一種鋼樁，是在微型樁和鋼管樁技術的基礎上發展起來的一種新的加固方法，在工程施工及地基加固中有著廣泛的應用。早期微型鋼管樁多用于舊房改造、建（構）筑物加固、古建筑加固糾偏、邊坡防治等方面，隨著科學技術的進步與發展，基坑開挖深度越來越深，微型鋼管樁因其材料強度高、穿透能力強、擠土效應小、壓樁設備或鉆孔設備輕便、連接方便等優點，在邊坡加固、基坑支護等方面得到廣泛應用[1-2]。

目前很多學者對巖土體基坑支護工程中微型鋼管樁的受力特性進行了研究。白晨光等[3]、李白等[4]發現微型鋼管樁在土質基坑支護工程中主要起抗彎作用；劉紅軍等[5]發現在巖土層基坑支護工程中，將微型鋼管樁結合噴錨結構作為支護手段，能大幅度提高巖石基坑支護結構的安全性；黃雪峰等[6]對深基坑樁錨支護結構樁身內力進行監測，發現實測彎矩與理論計算彎矩在分布規律和變化趨勢上存在一定的差異；向波等[7]對土層中微型鋼管排樁進行堆載試驗，發現各排樁樁身彎矩分布具有一定的差異性；駱祖江等[8]、余莉等[9]對土質地層基坑中的樁錨支護體系進行內力監測，發現彎矩最大值位于開挖面附近，且反彎點數目與開挖深度有關。

總結發現，微型鋼管樁現場試驗大多以基坑變形為主，土層選擇上大多以黏性土、砂土為主，而對土巖復合地層研究較少，且基坑開挖深度均未超過30 m。本文以青島某土巖結合地形的40 m深基坑工程為依托，采用雙排微型鋼管樁支護體系，通過在鋼管樁樁身表面安裝應變片的方法對不同工況及開挖深度下的樁身應變、受力特點及其變化規律進行監測分析，以期為土巖地層微型鋼管樁的設計和相關設計規范的制定提供參考依據。

1 試驗設計

1.1 試驗概況

本試驗為青島地鐵4號線某車站工程，該車站地下為4層結構，沿東西向布置。車站采用明挖順筑法施工，基坑深度為31.1～37.8 m，頂板覆土厚度為5.4～6.6 m，場區上部為第四系全新統素填土，下部地層以強風化煌斑巖為主，煌斑巖、花崗斑巖等淺成相巖脈穿插其中，與花崗巖巖基組成復合巖體，基巖面隨地形、地貌略有起伏。經勘探及室內試驗所得巖土層物理力學性質如表1所示。

1.2 試驗器材

本試驗采用免焊型應變片，為消除溫度影響，每次采集數據時將儀器最外側一排接入與鋼管樁同材質的鋼片。應變測試儀橋路方式選擇外補償方式，通過DH3816靜、動態應變采集儀測試樁身應變，彎矩通過采集到的微應變換算得到。

試驗前，先在施工場地確定測試樁的安裝部位，采用潛孔成孔。然后將安裝好傳感器的微型鋼管樁放入鉆好的孔內，慢慢送達至樁底設計標高。試驗所用的微型鋼管樁為直徑168 mm、壁厚8 mm的無縫鋼管，上階與下階鋼管樁搭接2 m。因基坑上部存在第四系素填土，故第一階設計為雙排微型鋼管樁，樁長12.30 m，樁頂標高為19.40 m，水平間距為1.00 m，1#、4#對稱布設在內排，5#、6#對稱布設在外排。此次試驗主要對內排兩根測試樁受力特性以及同一根測試樁對不同開挖階段下的受力特性進行對比分析。

施工中的微型鋼管樁和應變片傳感器的安裝如圖1所示。

1.3 微型鋼管樁復合錨桿（索）超前支護設計方案

綜合考慮工程場地結合結構埋深、周邊環境條件、地下水位、地質條件等因素，基坑采用明挖順筑法施工、鋼管樁（φ168 mm@1000）+錨索/錨桿的支護體系，基坑圍護結構設計剖面如圖2所示。圍護結構采用三階鋼管樁+錨索/錨桿的圍護結構形式：第一階測試樁采用雙排鋼管樁，鉆孔直徑200 mm，鋼管樁外徑168 mm，壁厚8 mm，鋼管樁水平間距1.00 m，鋼管樁入巖1.5 m；第二及第三階測試樁采用單排鋼管樁，兩階鋼管樁分界處設錯臺，臺寬1.0 m。

第一階測試樁采用6道預應力錨索（MS），編號為MS1—MS6，其預應力鎖定值分別為240、270、380、360、298、 235 kN，水平間距為2.00 m，錨桿豎向間距為2.15 m，傾角為15°，預應力鋼絞線采用φ15.2 mm的鋼絞線，強度設計值為1 320 MPa，截面積為139 mm2，松弛率為2.5%，巖層中使用的錨桿采用HRB400級鋼筋。第二階測試樁采用4道錨桿（MG），編號分別為MG1—MG4，其中，MG1和MG2錨桿承載能力設計值均為280 kN，MG3和MG4設計值均為247 kN。第三階測試樁采用5道錨桿，編號為MG5—MG9，其承載能力設計值分別為217、217、203、204、190 kN，第二及第三階測試樁的錨桿間距為2.50 m。

1.4 試驗方案

第一階測試樁布設兩排，內排測試樁（靠近基坑內側）編號分別為1#、4#，外排測試樁編號分別為5#、6#。內排單根測試樁從樁頂至冠梁2處分別以間隔1.10、1.05 m的方式布設應變片，每一側布設11個應變片，左右對稱設置，共22個，迎土面與背土面應變片布設方式與位置均相同。第二、三階為單排鋼管樁，其中第三階為對接焊鋼管。測試樁傳感器布設如圖2所示。1#、4#測試樁一側應變片自上而下分別編號為A1—A11、E1—E11（深度距冠梁底分別為1.10，2.20，3.30，…，12.10 m），另一側自樁頂至樁端分別編號為A1′—A11′、E1′—E11′（深度距冠梁底分別為1.05，2.10，3.15，…，11.55 m）。測試儀器選用DH3816應變監測儀，自開挖階段每周監測一次，持久未挖階段間隔15 d監測一次。

在前人[5-8]研究基礎之上，持續動態監測了第一階基坑內側鋼管樁在基坑開挖過程樁錨支護結構樁身實際受力狀態，對比分析了不同開挖工況下內排測試樁間內力變化的差異性，從第1天（2018-11-16）試驗樁沉樁完畢到第232天（2019-07-05）MG7與MG8施工完畢的各具體工況見表2。重點分析了第一階基坑開挖7種工況下、第二階6種工況下，以及第三階8種工況下微型鋼管樁受力特點、變化規律、內力極值位置以及樁-土共同作用下樁身反彎點位置。

2 試驗結果及分析

試驗采集第一、二、三階微型鋼管樁開挖時內排1#、4#測試樁在不同開挖工況下不同樁身位置的應變數值，并據此計算出樁身應力和彎矩。

2.1 第一階開挖時內排1#測試樁樁身彎矩

從第1天試驗樁沉樁結束到第一階鋼管樁沉樁之前，對第一階鋼管樁樁身應變進行監測，1#測試樁應變片自上而下分別編號為A1—A11、A1′—A11′。通過樁身應變片的微應變變化量可得到土巖基坑內排1#測試樁各工況下彎矩隨深度的變化規律，進而全面分析樁身實際受力狀態，據此整理得到1#測試樁彎矩隨樁身深度的變化曲線[10]，如圖3所示。

從圖3可以看出：隨著基坑的開挖，同一截面（樁身深度）處樁身彎矩隨開挖深度逐漸增大，在樁身4.30～8.60 m深度段彎矩變化最為顯著，樁頂A1—A1′截面位置處出現較大的負彎矩；在基坑開挖至10.75 m（工況Ⅰ-7）時，1#應變片A1—A1′截面位置處測得負彎矩最大值超過15 kN·m。分析認為：樁頂位置承受樁周土體側向推力作用，開挖過程一直起到懸臂擋土樁作用，故彎矩逐漸增大，同時基坑在開挖過程中，頂部位置鋼管樁最先發揮作用，承受較大樁頂及樁周荷載；隨著開挖深度的增加，背土面處的彎矩出現較大值，未挖到的樁身位置彎矩出現波動現象，數值很小，且彎矩略微向下移動，數值較為穩定[10]。因測試樁MS1鎖定，使得A2—A2′截面彎矩由負值向正彎矩方向發展，大體趨于0[11-12]。

基坑剛開挖且錨桿未鎖定時，上部土壓力主要依靠下部嵌固段被動土壓力平衡，彎矩曲線呈“上部大下部小”的形式，開挖面以下彎矩波動較??；各錨索位置處，隨著預應力作用的依次施加，該處彎矩減小[11]，MS2張拉鎖定后，截面A4—A4′處彎矩從6.82 kN·m減小至2.73 kN·m（工況Ⅰ-7）；MS3張拉鎖定后，樁身A6—A6′截面彎矩從7.73 kN·m降至1.80 kN·m（工況Ⅰ-6）。分析認為：錨索預應力的施加相當于為微型鋼管排樁增加了彈簧支撐，對微型鋼管樁的變形起到很大的約束作用，限制了鋼管樁變形，故彎矩減小。樁身下部1/3范圍（8.60～12.00 m）內彎矩數很小，基本控制在±3 kN·m以內；但基坑挖至10.75 m（工況Ⅰ-7）時，因MS4、MS5錨索未及時施加預應力使得下部彎矩增幅明顯。分析認為：樁身下段微型鋼管樁單獨承受樁側水土側壓作用，錨索錨桿與微型鋼管樁未起到聯合支護作用。與設計值相比，正彎矩理論值是實測值的2.31倍，負彎矩理論值是實測值的1.46倍，說明設計值較保守[13]。本文僅考慮微型鋼管樁本身的抗彎性能，若綜合考慮樁周水泥漿滲透、填充、擠密巖土體作用對整體抗彎性能的影響，實際工程運用中，鋼管樁的抗彎性能遠大于設計值，這一結論亦得到王少杰等[12]的證實。

2.2 第一階開挖時內排4#測試樁樁身彎矩

對于基坑外側土體，開挖之前屬于靜止土壓力狀態，隨著基坑土體逐層開挖，基坑外部土體有逐漸向坑內發生水平位移的趨勢，此時靜止土壓力轉變為主動土壓力，在基坑外側設置雙排鋼管樁起到減小圍護結構體系內力變化情況 。根據第一階開挖時4#測試樁彎矩監測數據，繪制出的基坑開挖過程樁身彎矩隨樁身深度變化曲線。如圖4所示。

從圖4可以看出：樁身彎矩表現出“中間大、樁端小，而樁頂有較大負彎矩”的特性，揭示了土巖基坑鋼管樁的彎矩分布規律；與同排1#測試樁相比，4#測試樁樁頂負彎矩與1#測試樁接近，而樁身4.30 m以上的素填土、粉質黏土、粗砂層在第一階開挖時彎矩變化較大。

由圖4還可以看出：開挖面附近的彎矩較大，

這是由于開挖面附近的應變片測得的微應變較大，換算得到的彎矩也較大；開挖至6.75 m時，E5—E5′截面和E6—E6′截面彎矩均出現極值，分別為-14.06、6.64 kN·m。任一開挖面處因錨索預應力的施加，彎矩會減小，開挖至4.50 m時，因MS1錨索的施加，E2—E2′截面彎矩絕對值由5.24 kN·m減小至2.18 kN·m，減少幅度超過1/2，與同排1#測試樁相比，彎矩絕對值增加1.14 kN·m；MS3錨索的施加使得5.40 m處負彎矩由14.06 kN·m減小至10.79 kN·m，減小幅度約30.30%，與同側的1#測試樁相比，彎矩增加了11.49%。即隨著工況進行，各截面處彎矩逐漸增大，且自上而下逐漸延伸、擴展。彎矩曲線規律明顯，符合微型鋼管樁與錨索聯合支護結構體系的實際受力狀態，數值較為穩定，在樁側土壓力、嵌固段土體反抗力、預應力錨索共同作用下，樁身中部5.00～8.00 m位置彎矩較大，在基坑支護結構設計時，應實時監測取各工況下最不利組合的結果作為設計依據[14]。

2.3 第二階開挖時內排1#測試樁樁身彎矩

第二階開挖引起第一階1#測試樁彎矩隨深度變化曲線如圖5所示。

第二階開挖工況下：隨著開挖深度逐漸增大，樁身彎矩也逐漸增大；同一截面彎矩不斷增大，樁身負彎矩極值略微減小，正彎矩逐漸增大；特別是巖石層部分（深度7.60 m），彎矩增大現象尤為明顯。第一階開挖時樁身8.60～12.00 m范圍內彎矩數較小，第二階開挖過程彎矩數穩定在±10.00 kN·m左右；其中最大正彎矩達到7.01 kN·m，最大負彎矩達到－10.33 kN·m，說明樁身嵌巖段逐漸改善樁身受力特性[15]。

此外，彎矩曲線離散性不大，反彎點不止一處且樁身受力特點沒有發生較為明顯的改變，整體“鼓肚”較第一階偏大；與第一階開挖時相比，最大負彎矩位置由樁身5.40 m下移至9.70 m處，特別是第三階微型鋼管樁下樁完畢時，A9—A9′截面彎矩數值達到-10.33 kN·m，較A5—A5′截面處-8.41 kN·m的絕對值高出22.83%。第二階微型鋼管樁施工時，5道預應力錨索全部張拉鎖定，使得錨索位置處彎矩始終較小，說明錨索預應力的施加有效約束了微型鋼管樁變形。5道錨索相互配合、協調工作，從錨索（錨桿）設計上來看，第一階設置5道預應力錨索，承載能力設計值介于145～202 kN之間，第二階雖為單排微型鋼管樁，但4道錨桿承載能力設計值介于210～250 kN之間，錨桿設計值的增加可有效控制住微型鋼管樁內力及變形，使得樁身內力較為協調一致。

2.4 第二階開挖時內排4#測試樁樁身彎矩

第二階開挖時4#測試樁彎矩隨深度變化曲線如圖6所示。

由圖6可知：樁身中部5.40 m深度處最大負彎矩隨開挖深度增加逐漸減小，最大值僅比9.70 m深度處負彎矩波峰高出4.88 kN·m；7.55 m深度處仍存在正彎矩極值，數值上高達26.23 kN·m，特別是基坑開挖深度超過20.95 m（工況Ⅱ-6）時彎矩大幅度增加，增幅達29.62%，正彎矩極值約為負彎矩極值（絕對值）的2～3倍，且開挖深度越大差值越大。樁錨支護鎖定階段，5道預應力錨索的施加相當于彈簧支座，隨著基坑開挖逐漸增大，在較大主動水土壓力、錨桿反力共同作用下，樁身彎矩表現為增大趨勢。在樁身下部1/3范圍內出現較小正負彎矩波峰，與第一階開挖時彎矩基本為0相比，9.70 m位置負彎矩最大值增至－6.95 kN·m，10.75 m位置處正彎矩最大值增至13.39 kN·m，負彎矩值約為正彎矩極值的一半；表明深基坑開挖過程樁身彎矩逐步向下移動，巖土層部分彎矩不容小覷。在2.15、4.13 、6.45 、8.60 m深度位置仍出現零點，表明開挖深度小于20.95 m時柔性支護結構中預應力錨索起到了很好的約束作用[16]。

2.5 第三階開挖時內排1#測試樁樁身彎矩

與前兩階開挖時有很大區別，工況Ⅱ-6之后開挖深度超過30.00 m，利用DH3816采集儀得到第一階1#測試樁微應變數據，繪制出第三階開挖時1#測試樁彎矩沿樁身深度分布曲線，如圖7所示。

由圖7可看出：第三階微型鋼管樁下樁完畢后，樁身彎矩整體超大幅度增加；隨著基坑逐漸向下開挖，樁頂部分負彎矩較第二階開挖時增加一倍。分析認為，隨著基坑逐漸向下開挖，基坑內排測試樁樁頂受到的主動土壓力越大，樁頂位移及變形就越大，樁身上部1/3范圍內的土層受力狀態由迎土面受拉向背土面受拉過渡。其中樁身3.25 m深度處正彎矩波峰較第一階增加18.26 kN·m，較第二階增加12.99 kN·m，后經反彎點在土巖結合分界處出現最大負、正彎矩轉折，負彎矩極值較一、二階增長幅度分別為51.09%、68.38%，正彎矩極值增長幅度僅為16.80%；說明基坑開挖超過13.00 m，土巖結合薄弱層中的4.13～6.15 m土層范圍內樁身受力及變形較大[17]。

2.6 第三階開挖時內排4#測試樁樁身彎矩

根據第三階開挖過程測得4#測試樁應力、彎矩數據，繪制出的彎矩隨開挖深度變化曲線如圖8所示。

由圖8可看出：樁身彎矩隨開挖深度增大逐步累積且逐漸向下傳遞，粗砂和強風化花崗巖下壓帶接觸面上下1.50 m左右仍為正、負彎矩最大值處，正彎矩最大為32.43 kN·m，分別比第一、二階開挖極值高出56.64%、19.12%；樁身5.40 m處最大負彎矩為－20.55 kN·m，絕對值比第一階開挖時高出31.58%，比第二階施工極值高出63.45%?？梢钥闯?，在一定土層深度范圍內隨著開挖深度的增加，彎矩數值先減小后增大，逐漸向下傳遞；同時說明土巖結合分界面容易形成軟弱滑動面，如果采用單一支護形式，很難協調兩者之間的內力和變形，故預應力錨索選擇上MS3、MS4承載能力設計值增至506 kN。

巖石接觸面樁身（9.70～12.00 m）處彎矩出現第二個波峰，9#應變片彎矩增至－17.74 kN·m，分別比一、二階開挖時高出61.39%、60.82%，10#應變片正彎矩達20.46 kN·m，比第一階開挖時極值高出77.03%，比第二階開挖時高出34.56%。第三階與前兩階開挖時內力變化有所不同，沒有明確的反彎點，特別是基坑開挖至32.25 m之后，樁身彎矩整體增大，在各波峰位置增幅達28.56%～51.09%；說明基坑開挖超過30.00 m時應注意定期監測，特別是錨索位置，預應力錨索起到協調區段內力及變形作用，使樁身受力較為均勻，但此時彎矩較一、二階開挖時增長幅度較大[18]。

3 結論與建議

1）第一階微型鋼管樁開挖時，開挖面附近出現較大彎矩數值，而開挖面以下位置測得彎矩數值基本在0左右波動。內排1#、4#測試樁基坑開挖過程樁頂負彎矩在0～10 kN·m范圍內波動。強風化花崗巖、強風化煌斑巖薄弱地段樁身內力出現應力集中現象，存在正、負彎矩極值。

2）錨索鎖定使得該處彎矩明顯減小，MS3鎖定使得內排測試樁預應力錨索位置始終出現反彎點，且樁身反彎點不止一處。隨著基坑開挖深度的逐漸增大，第一階開挖時樁底受力較小，特別是距樁端2.00 m的嵌固段幾乎不受力。

3）基坑開挖至第二階時，第一階內排2根測試樁彎矩曲線離散性不大，整體“鼓肚”較第一階偏大，樁身分別出現兩個負彎矩波峰、兩個正彎矩波峰，土層極值逐漸下移至樁身9.70、10.75 m位置處的巖石地層。

4）第三階基坑開挖深度為8 .00 m，測試樁樁身彎矩超大幅度增加，出現多個較大正、負彎矩波峰；其中，樁頂懸臂部分表現為迎土面受拉；2.15～4.30 m土層范圍內的測試樁表現為迎土面受拉，與一、二階開挖時相比彎矩大幅度增加；土巖邊界位置仍為正負彎矩極值處，負彎矩極值分別比一、二階高出30.00%、60.00%以上，正彎矩極值分別高出40.00%、20.00%左右。

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