微型钢管桩在滨海地区某深基坑中的应用

董 波 兹远涛 杨永文 王艳舫

(山东岩土勘测设计研究院有限公司，山东 烟台 264001)

随着城市大规模的发展，在高层建筑及重要市政工程中，深、大基坑工程逐渐增多。烟台位于胶东半岛滨海地带，区域内土岩组合地层及硬黏土地层分布较广泛，本地区垂直支护常用支护桩型式为灌注桩和钢管桩。钢管桩相较于灌注桩，具有设备灵活、工程造价低、工期短及适用范围广等特点，故在地层较好的垂直支护工程中应用广泛。

1 工程概况

拟建工程场区位于烟台市莱山区观海路旁，场地地势西高东低。基坑周长约660 m，开挖深度8.5 m～10.0 m。

场地周边环境如下：基坑北侧为小区道路，道路下有高压电缆管沟，圆形管沟距离地下室边线3.5 m，埋深1.5 m；西侧地下室边线距离已建围挡4.0 m；南侧及东侧场地比较空旷。

2 场区水文地质条件

2.1 工程地质条件

场地表层为素填土，其下依次为第四系粉质黏土、角砾、全风化云母片岩、强风化云母片岩。

2.2 水文地质条件

场区地下水属第四系孔隙潜水，主要含水层为角砾层，实测地下水稳定水位埋深2.00 m～3.00 m，地下水位变化幅度1.50 m～2.00 m。

2.3 地层地基土参数

基坑开挖支护参数见表1。

3 基坑支护结构方案

3.1 设计方案

根据场地周边环境、基坑自身条件及水文地质条件，综合比较支护结构的优缺点，在场地空间有限的西侧、北侧，采用钢管桩+锚索支护，其余两侧采用土钉墙支护，整个场区地下水控制采用管井降水。西侧及北侧支护剖面见图1，图2。

3.2 支护结构设计

钢管桩采用直径108 mm，壁厚8 mm的无缝圆钢管，成孔直径200 mm，钢管桩水平间距0.5 m，桩长及嵌固深度见图1，图2。锚索锚固体采用强度等级为M30水泥浆，锚索成孔直径150 mm，入射角为20°，采用2束1*7标准型φs15.2的钢绞线，三桩一锚，锚索水平间距为1.5 m，腰梁选用2根20a的槽钢，桩间挂直径8 mm钢筋网，水平竖向间距200 mm×200 mm，坡顶选用长度500 mm直径16 mm的钢筋固定钢筋网，钢筋的水平间距为2.0 m，坡面喷射强度等级C20细石混凝土，厚度60 mm。

3.3 降水设计

基坑降水井间距15 m；井深11 m～13 m；基坑内布设疏干井(井底确保进入基底以下2.5 m～3 m)；降水井直径600 mm，井管为内径300 mm的水泥管，在井管外围填入中砂，基坑周边布设波纹管直径300的排水管道，沿着排水管30 m～50 m布设沉淀池，长宽高为1.0 m×1.0 m×1.2 m。排水管路经三级沉淀后接入附近的市政管道。

对于基坑侧壁的渗水，在基坑坡面设置泄水孔，泄水管采用直径50 mm塑料管，长度0.5 m，外露0.2 m，下倾角度为5°，端部用滤网包扎，水平、纵向均为间距3.0 m。

4 有限元数值模拟

4.1 几何模型

针对西侧及北侧支护段采用有限元数值分析。场区地层以填土、粉质黏土、角砾及风化岩为主，采用Hardening-Soil本构模型，模型参数见表2。

表2 模型参数表

4.2 单元类型

网格基本单元类型为15节点三角形单元，网格划分见图3，图4。

4.3 计算结果及分析

图5中，西侧钢管桩在第一层土开挖后，变形曲线为悬臂桩变形特点，位移最大处位于桩顶，锚索施工后，变形曲线呈现出“两头小，中间大”的特点，且随开挖深度不断增加，最大侧向位移不断向下移动，位移最大值为18 mm，约为开挖深度的0.18%。图6中，北侧钢管桩位移最大处位于桩顶位置，位移最大值为80 mm，约为开挖深度的1.05%。北侧开挖深度比西侧小，但位移变形较大，原因为上部悬臂过大，导致总体变形较大。

对比图5，图6的变形曲线，图6中位移变形均呈现悬臂桩变形特点，原因为考虑到保护管线，第一道锚索标高位于管线标高以下，上部钢管桩悬臂2.5 m，由此可见，对于微型管桩支护，由于钢管桩自身抗弯性能差，悬臂超过一定高度后，变形增加明显，应尽量将第一道锚索设置在桩身上部，减少悬臂长度。

根据图7，图8弯矩变化曲线，钢管桩的弯矩变化与土压力变化不是同步，是双向调整的过程，钢管桩的受力以发生突变和随时间不断进行调整的方式变化，逐渐趋向于自身的受力平衡的状态的方向调整。每次开挖都会引起钢管桩弯矩明显的变化，影响深度向下延伸，然后随时间进行重新调整。整个过程是不断变化的过程，弯矩的最大值逐渐增大，位置不断变化，锚索施加后对弯矩控制比较明显。整个开挖过程中钢管桩的正面以受拉为主，随着开挖呈增大趋势，稳定后最大值发生在中下部。开挖上部土体对钢管桩的弯矩变化影响比较大。

图9,图10分别为基坑开挖过程中西侧与北侧支护桩后地表的竖向沉降曲线。由图中看出，地表沉降曲线大致相同，变形呈凹形，随着基坑开挖深度的增大，地表沉降逐渐增加，西侧最大地表沉降达到25 mm，北侧最大地表沉降达到85 mm，北侧位移变形大的原因同桩身侧向变形特点一样，由于钢管桩第一道锚索标高下降后，悬臂过长，致使变形过大。由沉降曲线可知，墙后地表沉降影响范围约为4倍的开挖深度，这与Ou和Heish(1998)提出的观点一致。

图11为基坑北侧管沟模拟结果图，开挖至基底后，水平位移为53 mm，竖向位移63 mm，最大轴力28.6 kN，弯矩最大值为3.14 kNm/m，管沟水平竖向位移较大，数值分析结果表明，钢管桩对保护周边建(构)筑物有一定的局限性。

5 结语

通过有限元数值模拟，对钢管桩桩体以及桩后土体在开挖过程中的变形性状进行分析，得到以下结论：

1)钢管桩上部悬臂高度对变形曲线有较大影响，悬臂高度较大情况下，侧向变形明显增大。同时，钢管桩变形受锚索预加力影响较大。实际工程中，微型钢管桩支护在硬黏土层或岩层中应用效果较好。钢管桩悬臂过大导致侧向变形会超出设计要求，致使后期施加锚索预加力后，悬臂部分侧向变形也得不到有效控制。2)钢管桩弯矩最大值随开挖深度增加而不断下移，锚索预应力施加对弯矩控制比较明显。整个开挖过程中钢管桩的正面以受拉为主，随着开挖呈增大趋势，稳定后最大值发生在中下部。开挖上部土体对钢管桩的弯矩变化影响比较大。3)西侧与北侧地表沉降分布大致相同。由于北侧钢管桩上部悬臂较大，导致桩后地表沉降大于西侧。与北侧相比，西侧桩后地表沉降最大值位置距坑壁更远，墙后地表沉降影响范围约为4倍的开挖深度。4)有限元数值模拟分析结果表明，采用微型钢管桩+锚索支护在中软土层对控制基坑周边建(构)筑物变形效果不理想。