帽型H型钢嵌合型组合桩在软土基坑中的应用

2024-02-23金小荣莫立成

地基处理 2024年1期

关键词：工法型钢钢板

金小荣，郭永，秦康，莫立成，孙樵

（1.浙江大学建筑设计研究院有限公司，浙江杭州 310028；2.浙江华蕴基础工程有限公司，浙江湖州 313211；3.日铁咨询（北京）有限公司上海分公司，上海 200040）

0 引言

在市政建筑、边坡治理、地下空间开发等领域，基坑支护得到了广泛应用。目前，国内的基坑支护结构形式有TRD工法桩、灌注桩、PC工法组合钢管桩、HC工法桩及钢板桩等[1-4]。

深基坑工程中的常用结构为灌注桩和SMW工法桩，但时常出现渗漏现象。PC工法桩质量可靠，但其成功应用需专业设备。钢板桩具有绿色可循环、工期短、可有效止水等特点，因此受到了广泛关注，但是目前国内市场上流通的钢板桩无法直接应用在深大基坑中。

H型钢惯性矩大，截面的分配合理，截面力学性能好，具有抗弯刚度大、工期短、绿色可回收、钢材用量省等特点[5-11]。帽型钢板桩与普通钢板桩相比具有轻量化、止水性好等特点。单位长度900 mm宽帽型钢板桩比400 mm宽普通钢板桩用钢量减少约15%，且单位长度900 mm宽帽型钢板桩锁口数约为400 mm宽普通钢板桩锁口数的44%。

帽型H型钢嵌合型组合桩是将世界上单桩幅宽最大（900 mm）的热轧帽型钢板桩（日本制铁株式会社产品）和H型钢通过简易嵌合装置相互固定形成的组合桩。帽型H型钢嵌合型组合桩目前已在杭州三里亭36班九年一贯制学校项目（开挖深度6.2 m、1层地下室、粉砂土基坑）和杭政工出[2021]11号地块（开挖深度9.2 m、2层地下室、黏土基坑）等工程中成功应用。帽型H型钢嵌合型组合桩在基坑工程中的应用日益广泛，具有较高的研究价值，而H型钢与帽型钢板桩的连接是该组合桩的关键，因此本文重点研究了帽型H型钢嵌合型组合桩的连接方式。

1 帽型H型钢嵌合型组合桩施工工艺

帽型H型钢组合桩根据连接方式分为焊接型[12]和嵌合型[13]（见图1）。传统的焊接型帽型组合桩，需要用角焊的方式将H型钢和帽型钢板桩连接，进而使组合桩共同发挥作用，而工程完成后回收组合桩，又需将组合桩拆分，造成了材料和人员的浪费。区别于传统的焊接型方式，嵌合型组合桩是通过简易嵌合装置组合了H型钢和腹板厚度薄、惯性矩大的热轧宽幅帽型钢板桩（见图1和图2）。帽型H型钢施工方便，可采用振动打桩锤进行打拔。帽型H型钢嵌合型组合桩的嵌合装置见图3，打桩前预先在帽型钢板桩翼缘内侧通长焊接一定宽度的板条；打桩过程中将H型钢一端翼缘嵌入帽型钢板桩腹板与加设板条之间而使两者结合为整体。在组合桩处于工作状态时，该嵌合装置的存在能确保帽型钢板桩与H型钢相互间不发生脱离；工程完成后回收组合桩，只需将H型钢与帽型钢板桩抽离，便于拆分及再次使用。

图1 帽型H型钢组合桩连接方式Fig.1 Connection of H+Hat shaped combined steel sheet pile

图2 帽型H型钢嵌合型组合桩工程现场Fig.2 Photo of H+Hat shaped embedded steel sheet pile

图3 帽型H型钢嵌合型组合桩的嵌合装置Fig.3 Insertion device of H+Hat shaped embedded steel sheet pile

帽型H型钢嵌合型组合桩的止水功能由制造精度高、锁口止水性能好的帽型钢板桩承担。出于安全性考虑，可不考虑帽型钢板桩的刚度贡献，完全由与之组合的H型钢承担。

帽型H型钢嵌合型组合桩的主要特征如下：

（1）刚度大、规格多样

嵌合型组合桩完全是由H型钢来抵抗侧向土压。由于H型钢与U型钢板桩相比刚度更大，因此其控制基坑变形的能力更强。

与国产窄幅H型钢常用最大规格（H-900×300×16×28）组合后，其截面模量可达9 989 cm3/m，力矩可达3 446 kN/m（钢板桩屈服强度295 N/mm2，H型钢屈服强度345 N/mm2）。考虑到H型钢的市场流通性，通常情况下，帽型钢板桩会与常用规格的H型钢（H-700×300×13×24）进行组合设计。

（2）优异的止水性能

本组合桩的连接方式无论是焊接型或是嵌合型，其止水功能都由帽型钢板桩承担。帽型钢板桩由于锁口热轧成型制作精度高，因此止水效果好。图4为本组合桩在武汉市某基坑支护工程中的应用实例。方案采用了帽型H型钢嵌合型组合桩和钻孔灌注桩结合三轴水泥搅拌桩的支护结构，并比较了两种围护的止水性。图5中帽型H型钢嵌合型组合桩止水效果好，未发生漏水现象；而钻孔灌注桩漏水严重，需要在外围另外施工止水帷幕。

图4 武汉市某基坑支护工程实例Fig.4 Example of a foundation pit support project in Wuhan

图5 挡土墙止水性比较Fig.5 Comparison of water-proof performance of retaining walls

（3）施工形式丰富、设备规模小

本组合桩的施工既可采用冲击锤、液压锤和振动锤等施工机械，也可采用静压静拔设备施工。嵌合型组合桩的施打是对帽型钢板桩和H型钢分别进行的，因此与焊接型组合桩相比，所需的打桩设备规模相对较小。

（4）循环利用、经济降造、绿色环保

不同于钻孔灌注桩和SMW工法桩在基坑施工完成后无法回收，本组合桩可绿色循环利用，通过回收利用围护桩不仅可以减少对环境的影响，也可以降低工程造价。该组合桩施工结束后不会在土层中形成永久障碍物，因此该工法更加绿色环保。

（5）提高使用灵活性、可节约成本

帽型钢板桩与H型钢通过简易嵌合装置连接的灵活性，使两者既可成为嵌合型组合桩运用于深基坑支护工程中，又可单独将帽型钢板桩运用于浅基坑支护工程中。与此同时，H型钢作为常规型材，也可单独灵活运用于基坑支护围檩部分及水平支撑等场合。这样就能针对不同深度基坑灵活选取相对应的围护结构体系，更有助于提升帽型钢板桩与H型钢的使用效率。

2 工程应用实例

2.1 工程概况

杭州拱墅区某软土基坑新建小学及社会停车库工程，由3栋地上5层的教学楼、1栋地上4层的行政楼、1栋地上5层的食堂及1个地下1层的地下室组成。基坑四周东西南北面均为拟建主要道路。最大开挖深度约7.1 m，坑底落于淤泥质黏土层中。基坑周边环境见图6。

图6 基坑周边环境图Fig.6 Surrounding environment of the foundation pit

2.2 工程地质条件

工程场地位于冲海积平原区，地形开阔平坦。地基呈水平分布，地面沉降等比较稳定。表层以下20 m主要由杂填土、淤泥质黏土构成。表层约2 m为回填土的堆积，其下层为粉质黏土、淤泥质黏土。地下水位约在地表以下0.7 m。地基土层主要物理力学指标见表1。

表1 地基土层主要物理力学指标Table 1 Physical and mechanical parameters of soil

2.3 帽型H型钢嵌合型组合桩的设计方案

（1）总体设计方案

本基坑四周均为拟建主要道路，规划区域范围内周边无已建建筑物。在基坑西侧部位，由于其地质条件本身相对较差，且需要设置工地出入口，考虑到重型施工机械的影响，采用了刚度很大的PC工法桩结合局部被动区进行加固处理。基坑西南部位及北侧部分区域，由于侧向支护刚度的需要，采用了刚度较大的帽型H型钢嵌合型组合桩支护形式。其他基坑区域内采用了常规拉森钢板桩支护。

（2）帽型H型钢嵌合型组合桩的设计方案

经分析计算，帽型H型钢嵌合型组合桩采用长度9 m、型号NS-SP-10H的帽型钢板桩以及长度为12 m和14 m、型号700×300×13×24的国产H型钢。该支护墙延长约为300 m，共由340根帽型钢板桩与224根H型钢构成。帽型钢板桩作为止水帷幕，H型钢作为承担侧向水平力的构件。从经济性角度出发，首先帽型钢板桩的设计长度短于H型钢；与此同时，H型钢插二跳一的组合方式也能够降低每延米用钢量，提高经济性。帽型H型钢嵌合型组合桩支护剖面图和截面图分别见图7和图8。

图7 帽型H型钢嵌合型组合桩支护剖面图Fig.7 Supporting profile of H+Hat shaped embedded steel sheet pile

图8 帽型H型钢嵌合型组合桩截面图（插二跳一）Fig.8 Section of H+Hat shaped embedded steel sheet pile(every two jumping one)

帽型H型钢嵌合型组合桩的力学性能指标详见表2。

表2 帽型H型钢嵌合型组合桩力学性能指标Table 2 Mechanical parameters of H+Hat shaped embedded steel sheet pile

帽型H型钢嵌合型组合桩由于帽型钢板桩与H型钢的可分离性，在二次运输（进场及出场）过程中能节约存放空间，从而大大提高运输效率。与此同时，无论是仓库的保存或现场的临时堆放，两种材料可分开叠放保管，因此可大量节约场地占用空间。其次，为确保焊接质量及现场施工的顺利进行，嵌合装置在帽型钢板桩翼缘两侧的焊接固定作业已在工厂完成，大大提升了施工效率。

2.4 帽型H型钢嵌合型组合桩的施工

帽型H型钢嵌合型组合桩采用了专用机械（臂长16.5 m、激振力35 kW）对其分别进行打入，通过现场分析，前期帽型钢板桩与H型钢的平均植桩时间分别为2分钟/根与1分钟/根。后期每天可完成植桩50套（1套标准组合桩由1根帽型钢板桩与1根H型钢组成，施工延长约45 m），故可在短时期内形成钢质连续墙。现场打桩情况如图9和图10所示，基坑围护结构完成后场景如图11所示。