舒 睿 杨钦富

（贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司，贵州 贵阳550081）

在建筑行业现行规范《建筑边坡工程技术规范》（GB50330-2013）和《建筑基坑支护技术规范》（JGJ120-2012）中，除削方减载和放坡外，常用的边坡和基坑支护手段总结起来可以统称为“挡墙式支挡”，即桩板式挡墙（抗滑桩）、锚杆（索）挡墙、土钉墙、重力式挡墙、悬臂式和扶壁式挡墙等，不同的支挡结构所需要的应用条件不同，提供的抗力也有较大差距，常用的钢筋混凝土桩及连续墙又具有投入大、成本高、施工复杂及对环境的较大污染、破坏性等特点，故支挡结构的选型应结合边坡（基坑）周边环境，高度、工程地质及水文地质等条件并综合考虑结构的空间效应和受力特点来选择合适的支护结构型式。

自20 世纪50 年代中期以来，钢管桩开始作为一种支护结构在国内有了一定程度的应用，然而由于当时钢管材料抗腐蚀能力较差，存在承载力容易下降、使用寿命低的特点，钢管桩的相应使用一直未大规模推广。直至如今随着材料研究方面的突飞猛进，钢管桩的应用随之增加。钢管桩首先是作为一种新型抗压桩型得到重视，由于近年来建筑市场的异常繁荣发展，在多高层建筑日渐增多的情况下，对基础工程质量要求更高，要求基础具有更多更强的承载力以保证建筑结构的稳定与安全。与传统桩基础相比，钢管桩除具有承载力高、挤土效应低、土层扰动小等优势,其被引进建筑基础工程并得到广泛应用。但考虑钢管桩的抗弯性能，在边坡和基坑支护应用领域，钢管桩仍被当作为一种新型支挡结构，目前规范里面较少涉及钢管桩相关应用与计算。但笔者通过对钢管桩在基坑、边坡设计中多年的实际应用，发现钢管桩适应性极强、见效快、施工时间短,对周围岩土体扰动小，并且钢管桩采用空压机机械成孔，施工方便、施工时间短，尤其是在施工场地条件狭小,工程条件复杂困难的情况下,钢管桩能作为一种微型抗滑桩的作用起到十分良好的效果。

本文以中国电信云计算贵州信息园水池GE 段基坑边坡为研究对象，对其工程特性进行了分析，结合其基坑边坡稳定性分析采用钢管桩进行支护设计。在钢管桩设计过程中采用了工程类比法，通过采用刚度等效原则，将钢管桩等效作为混凝土桩，通过理正岩土软件进行后续计算。该设计对钢管桩的应用及计算进行研究，为钢管桩在类似基坑、边坡治理工程中的使用提供参考及借鉴。

1 工程概况

拟建工程为中国电信云计算贵州信息园1.3 期土建工程新建地下水池基坑边坡，边坡总长36m，其中GE 段坡向为45°，最大坡高5.9m，±0.0 标高为1273.5，坑底设计标高为1267.35m。该边坡整体为岩土组合边坡，上覆土层为素填土和红黏土，其中素填土呈稍密状，厚度约2.1m，下部为红黏土，可塑状，厚约1.3m，下伏基岩为强风化和中风化白云岩，基坑坡顶临近电力管线，且无法迁改，建议垂直开挖。

GE 段基坑边坡坡向为38°，垂直开挖，岩层层面产状为325°∠16°，主要发育两组节理，节理J1:100°∠78°，节理J2:170°∠85°。结合赤平极射投影综合分析，GE 段边坡的破坏模式为：沿土层内部的圆弧滑动破坏以及由于岩体破碎受随机结构面切割，在雨水、坡顶荷载、施工扰动等外力作用下的碎落、掉块、松石滚落等。根据定性的基坑边坡稳定性分析，对边坡体安全系数下的剩余下滑力和侧向岩土压力进行计算得到5.9m，高基坑边坡上部圆弧滑动剩余下滑力达80kN/m，侧向岩土压力达139kN/m。根据边坡定性稳定性分析和定量计算，设计对地下水池坑底边界预留1.5m肥槽空间，对该基坑进行垂直开挖，并采用“钢管桩+冠梁”的支护设计对基坑边坡进行支护，设计冠梁截面尺寸为0.5×1.2m，采用C30 混凝土浇筑，钢管桩长10.5m，设置三排，横竖间距为0.4m×0.4m，梅花型布置。同时钢管桩之间喷射10cm厚C20 混凝土对基坑边坡进行封面处理，防止空气和雨水对坡体的直接接触。

图1 新建地下水GE 段基坑钢管桩设计图

2 钢管桩设计计算分析

前文提及现行建筑行业规范里无钢管桩相关内容，因此本次支护设计时，采用了工程类比法，即应用等效刚度的思想，对钢管桩设计等效为常规的钢筋混凝土抗滑桩进行计算。根据边坡稳定性计算，选取新建地下水池GE 段基坑边坡进行边坡支护设计计算。边坡高度为5.9m，侧向岩土为139kN/m。

本次设计钢管桩采用φ159×6.0mm 结构用无缝钢管，桩长10.5m，所受土压力为10.5kN/m；钢管桩按0.4×0.4m 梅花形布置，共设置三排。

设计计算根据刚度等效原则，将钢管桩等效作为混凝土桩，通过理正岩土软件进行计算，为保证钢管桩变形及稳定满足要求，计算过程中不考虑土体部分提供刚度。现对钢管桩抗弯刚度进行计算如下：

选用钢管外径为159mm，壁厚6mm，则钢管内径为147mm，单根钢管自身面积：

钢管惯性矩：

钢管自身抗弯刚度：

ESI1=174kN·m2

水泥砂浆填充钻孔直径为174mm，则水泥砂浆面积：

水泥砂浆惯性矩：

水泥砂浆自身抗弯刚度：

EmI2=804kN·m2

则单根钢管桩自身抗弯刚度：

EI0=ESI1+EmI2=2545kN·m2

计算以1m 宽作为单桩考虑，每根桩含4 根钢管桩，单桩总抗弯刚度根据公式EI=EI0+ΣEiAidi2计算得到：

单桩总抗弯刚度：

EI=2500000kN·m2

以抗弯刚度相等为原则，将钢管桩等效代换为混凝土方桩进行考虑，代换过程中保证桩高1m不变，则代换后桩宽：

钢管桩等效后按宽度1.0m 的抗滑桩计算，完成后续设计内容。

3 钢管桩设计计算中的问题探讨

钢管桩作为一种新型的支挡结构，规范里尚未有其明确的计算及设计方法，每个应用者在使用过程中都是根据自己的经验和理解参照既有规范对其进行解释，在应用的过程中难免遇到一些问题，本次也从以下几个常见问题对钢管桩的设计进行了探讨。

3.1 钢管桩计算采用的模型合理性问题

本次钢管桩设计计算时主要根据了刚度等效原则：即将多排钢管桩等效作为混凝土桩，以抗弯刚度相等为原则，将钢管桩等效代换为混凝土方桩进行考虑。代换过程中保证桩高1m不变，通过计算代换后的桩宽达到等效混凝土桩计算的目的。

3.2 钢管之间的连接有效性问题

设计中钢管桩之间通过顶部的混凝土冠梁形成联系成为整体，具体联系如下：钢管桩顶部设置钢筋混凝土冠梁，钢管桩和冠梁的主筋采用焊接连接，钢筋绑扎、模板支设完成后，浇筑砼，钢管间即通过冠梁形成一个受力整体。

3.3 钢管桩与混凝土冠梁之间连接的可靠性问题

钢管桩和顶部冠梁的主筋采用焊接连接，钢管内插的钢筋接长与冠梁的钢筋进行绑扎，于模板支设完成后，冠梁再浇筑砼，以使钢管桩与混凝土冠梁之间形成可靠连接，成为受力共同体。

3.4 钢管内混凝土与钢管共同受力问题

通过钢管桩注入的水泥浆渗入到钻孔周围的土体中，水泥浆充满岩土体的孔隙，并与岩土体发生充分的混合，同时，钢管桩内填的混凝土有效地增强了钢管壁的稳定性，同时钢管对内填混凝土形成约束，共同受力，共同变形。

4 结论

本文以中国电信云计算贵州信息园水池GE 段基坑边坡为研究对象，介绍了其岩土组成特征及潜在破坏模式，进行引出钢管桩在基坑边坡支护设计中的等效计算过程，并对现阶段钢管桩应用过程中连接可靠性的常见问题进行探讨。在岩土设计工作的应用实践中，多个基坑边坡的安全稳定已经证明了钢管桩设计的可靠性，得出主要结论有：

4.1 常规类型的抗滑桩规格较大，如方桩短边通常不小于1.2m，圆桩桩径不小于0.8m，钢管桩作为一种新型的支挡结构可看做一种微型桩，作为近垂直条件下支护类型的补充。

4.2 根据工程类比法，应用等效刚度的原则可将钢管桩等效为常规混凝土桩进行设计分析计算。

4.3 为保证钢管桩之间的有效连接与整体性，钢管桩内注水泥浆既能与周边岩土体进行充分混合，又能对钢管进行填充，有效增强钢管壁的稳定性。