深基坑锚注微型钢管桩联合支护结构应用研究

韩 冰

（中铁二十二局集团第一工程有限公司，黑龙江 哈尔滨 150000）

0 引言

深基坑工程施工现场的地质、水文条件特殊，施工空间有限，不利于大型机械设备进场作业，甚至无法提供充足的空间用于支护排桩的施工，施工面临安全隐患多、质量缺陷发生率高等问题。为了在安全的前提下有效完成深基坑施工作业，需探寻更具适用性的方法，有效突破深基坑施工条件的束缚，可充分发挥锚注微型钢管桩支护结构的优势。微型钢管桩配套机械设备的占用空间较小，运行稳定可靠，可适应深基坑的施工环境，建成的支护结构稳定可靠。本文对深基坑锚注微型钢管桩联合支护结构的应用进行研究探讨。

1 微型钢管桩联合支护结构的应用

1.1 结构构造

以下部自钻式微型钢管桩锚和上部框架预应力锚杆为核心，组成支护结构体系，如图1所示。框架锚杆包含立柱、横梁、锚杆，协同挡土板承受土压力，维持土体的稳定性。在联合支护结构中，自钻式微型钢管锚桩属于关键组成部分，包含微型钢管桩、冠梁和锚杆，根据结构稳定性的要求，将自钻钢管嵌固至土体，压力注浆以便借助浆液的固结作用达到加固的效果，用冠梁连接微型钢管桩顶部，锚杆锚固至冠梁上。自钻钢管的组成包含钢管（带出浆孔）、钻杆、螺旋钻头和限位螺栓，螺旋钻头表面有螺旋叶片和出浆孔，钢管两端分别与螺旋钻头、限位螺栓进行连接。钻杆的布设方式是一端穿过钢管固定在限位螺栓上，另一端插入螺旋钻头的内六角接头处。框架锚杆的立柱插至冠梁内，自钻式微型钢管桩在冠梁的作用下锚固至一体。

图1 框架预应力锚杆微型钢管桩联合支护结构立面图

1.2 应用机制

（1）框架预应力锚杆的锚固机制。由锚杆组成主动受力挡土结构，建立土压力与稳定土层锚固力的作用关系，维持受力的稳定性。锚杆的内端锚固至稳定土层，外端锚固至框架梁柱的交叉部位，布设到位的锚杆将源自于框架的坡体土压力传递至钢拉杆，再通过粘结作用和摩擦作用传递至稳定土体，土压力或水压力可在稳定土层锚固力的作用下消除，进而维持基坑土体和边坡的稳定性。并且，框架结构在锚杆预应力的作用下可对土体产生反压力，其作用在于增强滑体与稳定土体间的摩擦力，进一步保证土体的稳定性。

（2）自钻微型钢管桩的作用机理。通过自钻技术、压力注浆、微型桩支护技术的联合应用，建成具有支护作用的自钻微型钢管桩，可保证土体的完整性与稳定性，以免出现土体失稳现象。自钻和注浆是自钻微型钢管桩加固的核心，也是取得良好加固效果的关键所在。

自钻：钢管植入过程中对土体产生预压力，此部分力的作用促使周边相对松散的土体转变为密实状态，使土体具有完整性与密实性。

注浆：注浆材料选用水泥浆液，在压力的推动作用下注入周围土体中，经过填充后提高土体的密实性，改善土体的力学性能，且连同桩周土共同参与工作，建成的桩土复合体结构稳定可靠，可有效承受坡体土压力。同时，注浆过程中滑体与稳定土体的摩阻力由于浆液的渗透作用而增加，坡体具有突出的抗滑特性[1]。

（3）卸荷机制。框架预应力锚杆微型桩的两级支护体系共同配合，可减小微型桩的长径比和框架预应力锚杆支护放坡量，建设成型的微型桩支护结构具有稳定性。支护部分放坡卸荷，微型钢管桩受到的坡体作用力减弱，框架预应力锚杆与微型钢管桩在桩顶冠梁的作用下组成完整结构，建立起坡体土压力的两条传递路径，一是经由桩体传递至基坑底部的稳定土层；二是经由锚杆传递至锚固体周边的稳定土层，受力条件得到优化，受力的稳定性有所保障，可提升基坑支护的有效性。

2 框架预应力锚杆微型钢管桩联合支护结构的适用性分析

（1）对周边环境的适用性。施工空间狭窄、结构稳定性差、成孔难度高、现场存在不良土质同时改良难度较大时，可以采用框架预应力锚杆微型钢管桩联合支护结构，例如场地狭窄区域、土质松散区域、存在回填未固结土区域等处。

（2）对现场地质条件的适用性。锚杆锚固段经过压力注浆后产生较强的锚固力时，适宜采用框架预应力锚杆微型钢管桩联合支护结构。

（3）对水文条件的适用性。以注浆渗透的方法改善土体失稳的问题，但若施工中存在地下水的干扰，注浆效果将大打折扣，为保证支护结构的有效性，宜应用于地下水位较低的区域。

3 微型钢管桩联合支护结构土体参数研究

深基坑设计与施工的进行需以安全为前提，支护结构在构筑施工安全环境方面具有重要作用，需确保支护结构组成形式合理且受力稳定可靠。支护结构受到较强的土体水平抗力，在力的作用下结构的内力及稳定状态可能发生变化。其中，土体粘聚力c、土体内摩擦角φ以及土体弹性模量E三项指标对土体变形及土压力有显著的影响，是基坑设计中需重点考虑的内容。土体取样方法、试验误差等均会对桩后土体压力及变形的计算效果带来影响，因此需要做全面的分析，保证土体参数的合理性，在此前提下设计优质的微型钢管桩联合支护方案。

3.1 土体粘聚力c的影响

本基坑素填土层、粉质黏土层的厚度分别约为2.7m、35m，不同土层的厚度差异较大，在土体参数的分析中将占比较大的粉质黏土作为重点考虑对象，此类土体的弹性模量E=8.0MPa、粘聚力c=21.2kPa，内摩擦角φ=18.8°，假定E和φ两项参数均保持不变，在此前提下取四组不同的粘聚力数据展开分析[2]。粘聚力的取值，如表1所示。

表1 不同粘聚力取值

微型钢管桩联合支护结构在不同粘聚力强度条件下的水平变形程度如图2所示。数值分析中难以明确判断粘聚力对土体水平抗力的影响，为此着重考虑支护结构的水平变形程度，从此项指标着手加以分析。

图2 坑底隆起对比图

不同粘聚力下的桩身位移情况如图3所示，分析发现，桩水平位移随着粘聚力c的增加而减小。粘聚力从15.0kPa增至18.0kPa、从18.0kPa增至21.2kPa两个阶段，对应的水平位移均呈减小的变化，且减小幅度相当，约为20%；此后减小幅度出现转变，即从21.2kPa增至24.0kPa时，虽然仍存在水平位移减小的规律但减幅仅为5%。因此，支护结构水平变形将随着粘聚力的增加而呈阶段性的变化，前期大幅减小，后续减小幅度缩小，但水平位移总体上呈减小的变化趋势。

图3 不同粘聚力下桩身位移

桩身内力受粘聚力的影响见图4，根据图4（a）可知，无论粘聚力如何发生变化，桩顶及桩底的弯矩并不会因此而变化，但以开挖面周边颇为特殊，粘聚力的增加迫使该处桩身弯矩减小，且减小变化依然具有阶段性的特征，例如粘聚力C从15.0kPa增至18.0kPa、从18.0kPa增至21.2kPa时弯矩均呈减小的变化同时幅度基本一致，但从21.2kPa开始发生转折，至24.0kPa的区间内弯矩虽减小但无大幅度变化。对于开挖面以下的部位，粘聚力的增加将带来桩身正弯矩的加大。

桩身剪力在不同粘聚力的表现如图4(b)所示，可以看出，桩身剪力并不会由于粘聚力的改变而出现大幅度的变化，甚至几乎不存在影响关系。

图4 不同粘聚力对应的桩身内力

3.2 土体内摩擦角φ的影响分析

其它土体参数不变，土体内摩擦角φ的取值为四种，如表2所示，探讨微型钢管桩支护结构在不同内摩擦角时的变化特征。不同内摩擦角时的桩身变形如图5所示。

表2 不同内摩擦角取值

图5 不同内摩擦角下桩身变形

分析发现，土压力由于土体内摩擦角的增加而减小，每次增加约6°时，相应的桩身水平变形减小幅度达到50%左右；桩身在开挖面以上的部分将在内摩擦角达到30.0°时呈现出向基坑外侧位移的变化趋势，究其原因，在内摩擦角偏大的条件下，桩后的主动土压力减小，但整个过程中并不会带来桩身锚索预应力的改变，因此锚索对桩向基坑外侧的作用力维持恒定的状态，但桩后土压力减小，此受力条件下显现出桩向基坑外移动的变化规律。基坑外侧土体由于桩的位移而受到挤压，桩后土体沿着上、下两个方向发生移动，嵌固段主动土压力较之于原始状态有所增加，此段的桩身向基坑内侧移动。由此可见，即便粘聚力和内摩擦角均是影响微型钢管桩变形的因素，但影响程度存在差异，以内摩擦角的影响更为显著[3]。

不同内摩擦角的桩身内力变化特征如图6所示。

图6 不同内摩擦角的桩身内力

根据图6，对桩身弯矩和桩身剪力两个方面分析如下：

图6（a）：支护桩桩顶及桩底的弯矩不会由于内摩擦角的变化而出现大幅度的波动，开挖面周边的桩身负弯矩易受到内摩擦角φ的影响，呈现出φ增加则负弯矩减小的特点；待φ增至30.0°、36.0°时，桩身存在正弯矩，对应至支护桩的变化特征中，则显现出向基坑外侧移动的趋势，对于开挖面以下的嵌固段，φ的增加将带来桩身正弯矩的加大，该分析结果与前述一致。由于桩身向基坑内侧移动，正弯矩随之加大。

图6（b）：支护桩的剪力虽然受到内摩擦角的影响但程度有限，在锚索设置区域的剪力略有变化，支护桩嵌固段弯矩变化最大处的剪力存在显著的变化。总体上，随着内摩擦角φ的改变，最易受到影响的是支护桩的水平位移，而对支护桩剪力虽然产生影响但程度有限。

3.3 土体弹性模量E的影响分析

支护结构变形及内力主要受土体弹性模量E的影响，在土体其它参数均维持不变的前提下，选取四组土体弹性模量E，具体如表3所示，根据不同弹性模量的影响情况做对比分析。

表3 不同弹性模量取值

不同弹性模量对应的支护桩内力不尽相同，具体如图7所示。分析发现，即便土体弹性模量的变化会影响支护桩内力，但程度有限，并非支护桩内力的主要影响因素。

图7 不同弹性模量对应的桩身内力

对桩身弯矩和桩身剪力两个方面分析如下：

图7（a）：无论弹性模量如何变化，均不会对支护桩桩顶、桩底及开挖面周边产生过多的影响；随着弹性模量的增加，支护桩嵌固段部分的主动土压力增加，有正弯矩加大的变化趋势。

图7（b）：嵌固段部位的桩身剪力有所增加。

经对比分析得知，弯矩曲线与剪力曲线的走势基本相同，虽然弹性模量属于影响因素但并不能造成大范围的影响，由于影响程度有限，在支护结构的数值分析中可暂不考虑弹性模量的影响。

4 结束语

深基坑开挖的施工空间有限，难度大，微型钢管桩可有效适应特殊的施工环境，起到支护的作用；相比普通混凝土灌注排桩支护结构，在同等条件下微型钢管桩支护结构的稳定性更为突出，变形量、内力各方面均更小；微型钢管桩的水平位移普遍较小，其中开挖面周边属于内力最大的区域。总体上，微型钢管桩支护结构的应用效果明显优于普通灌注桩，起到保障施工安全、节省施工空间、提高施工效率、降低施工成本等效果，具有推广价值。