徐接武

(福州市一建建设股份有限公司 福建福州 350011)

0 引言

近年来基坑工程体量越来越大，根据滨海饱和软土地质条件及基坑形态，结合基坑竖向支护体系，选用内撑形式，对基坑安全及经济影响重大。以往基坑设计常采用钢筋混凝土或型钢水平撑、撑于底板结构的型钢斜撑等形式，这些类型支护内撑形式均具有工序多、工期长、投入大等缺点。许多专家学者、工程技术人员深入研究了新型斜桩组合排桩基坑支护[1-3]，提出了力学计算模型。张福海等[4]基于二维模型,模拟斜桩、排桩以及土体共同作用，研究其受力特性；郑刚等[5]基于三维小应变硬化模型(HSS)，模拟卸荷条件下基坑支护变形及坑外围土体变形。本文结合具体工程实践，探讨钢管内斜桩+排桩组合基坑支护体系在滨海饱和软土地质工程中的应用。

1 工程背景

工程项目位于福建滨海饱和软土地区，地下室一层建筑面积3万多平米，基坑呈长条形，南北长约262 m，东西宽约91m，如图1所示，其中基坑东侧边线距周边已有建筑物1.35 m～11.0 m，南侧边线紧临市政道路路沿，西南角紧临已建售楼部，北侧为规划路(现为空地)，西侧为规划路(现为空地)，基坑开挖深度为5.80 m～6.65 m。基坑东侧地下室与周边关系，如图2所示。依据水文地质条件、开挖深度及对周边环境的影响，南侧、东侧、西南角基坑安全等级为一级，北侧及西侧基坑安全等级为二级。

1.1 工程地质与水文地质条件

场地原始地貌为山前冲洪积平原地貌，基坑支护影响范围内的岩土层有：杂填土、淤泥、淤泥质土、碎卵石、全风化花岗岩等5层，基坑开挖作业主要为淤泥层，各土层特性及其主要物理力学性能参数指标如表1所示。上层滞水主要为赋存于杂填土中的孔隙潜水，水量不大，主要接受大气降水补给；孔隙承压水主要储存于碎卵石层的孔隙中，主要接受地下水的侧向径流或大气降水等补给。

图1 支护结构平面及周边环境示意图(单位:mm)

图2 场地东侧基坑支护剖面图(单位:mm)

表1 基坑影响范围主要地层参数表

2 基坑支护方案

2.1 基坑支护方案的选择分析

综合考虑本地块水文地质条件、开挖深度、周边环境，在满足安全的前提下，兼顾经济性，可区分基坑安全等级分类进行支护设计。安全等级为二级的基坑西侧及北侧采用放坡+木桩支护，安全等级为一级的基坑东侧及南侧支护，进行以下比选后选用。

2.1.1 锚索或锚杆+排桩支护方案

该方案是基坑支护的常见支护形式，工艺成熟；缺点是饱和软土层中锚索或锚杆抗拔承载力效果差，可能导致支护变形超设计与规范要求，且占用红线外土地。

2.1.2 水平内支撑+排桩方案

该方案支护系统施工难度不大，水平内支撑可及时设置，基坑变形小，对周边建筑及环境影响小；缺点是若全面采用该方案，须将基坑西侧安全等级为二级放坡支护更改为排桩支护，水平内支撑需全坑满堂布置，坑内设置立柱及立柱桩，投入多、成本高，且安装及拆除水平内支撑占用关键路线工期。

2.1.3 钢管内斜桩+排桩支护方案

该方案钢管内斜桩设于基坑内侧，不占用红线外土地，钢管内斜桩与支护排桩可穿插施打，施工及拆除不占用关键路线工期，不需预留反压土、无结构底板二次施工，可根据需要分期拆除斜桩。且基坑东侧、西侧可根据不同安全等级，独立设计基坑支护系统，工期与造价节约明显。采用这一方案主要需解决钢管斜桩沉桩质量控制难题。

通过以上分析比对，本基坑东侧及西南角(横向)采用钢管内斜桩+排桩支护、南侧及西南角(竖向)采用型钢水平内撑+排桩支护，西侧及北侧采用放坡+木桩支护。

2.2 钢管内斜桩基坑支护方案详细参数

本工程东侧及西南角(横向)基坑支护采用型钢钢板排桩+钢管内斜桩+被动区加固+放坡方式，如图2～图3所示。其中排桩采用型钢桩(HM488×300，间距850 mm，长12 m～15 m)与钢板(750 mm宽，12 mm厚，间距850 mm，长度为6 m～8 m)；钢管内斜桩(φ406×10，间距4.25 m～5.1 m，长15 m～22 m)，持力层为进入碎卵石不少于3.0m或全风化花岗岩不少于4.0 m，内斜桩轴向承载力特征值1060 kN，极限值1600 kN。

2.3 钢管内斜桩支护体系结构计算分析

计算依据选用《建筑基坑支护技术规程》(JGJ 120-2012)[6]，内力计算方法为增量法。主要对基坑组合支护体系抗倾覆、内力、变形及钢管内斜桩的承载力进行计算。

(1)计算参数的选取

钢管桩进入进入淤泥层6.6 m、进入淤泥质土层4.8 m、碎卵石3 m，各岩土层参数如表1所示。

(2)计算工况的设定

计算工况如表2及图3所示。

表2 工况信息

图3 支护结构工况简图(单位:m)

(3)支护结构计算结果分析

①结构计算

弯矩折减系数取0.85，剪力折减系数取1.00，荷载分项系数取1.25，土压力计算对比弹性法土压力及经典法土压力取值。本文选最不利工况3(土方开挖至底板垫层底)进行结构计算,结果如图4所示。

图4 结构计算结果

②钢管斜桩承载力计算

a.钢管轴力为N0=159.96×5.1×1.414=1154 kN

钢管支撑按轴心受压构件近似计算,长细比λ=L0/i=107.2，查表得稳定系数φ=0.583；

式中：L0—— 受压计算长度取15 000 mm；

i——构件的截面惯性矩取140 mm；

钢管稳定承载力N=φAσ=1486 kN>N0=1154 kN，满足要求。

式中：A——钢管截面面积；

σ——钢材抗压强度设计值。

b.钢管进入坑底深度及承载力的验算(钢管按进入碎卵石3.0 m计算)

单桩轴向极限承载力标准值：

Quk=uΣqsik·li+λpqpk·Ap=1789 kN>N0=1154 kN，满足要求。

单桩轴向承载力特征值：

Ra=Quk/K=1193>N0=1154 kN，满足要求。

式中：K—— 安全系数,取K=1.5。

③抗倾覆计算

式中：Mp——被动土压力及支点力对桩底的抗倾覆弯矩,对于内支撑支点力由内支撑抗压力决定。

Ma——主动土压力对桩底的倾覆弯矩。

3 钢管内斜桩施工技术及组织措施

3.1 工艺原理

通过按预定角度定向引孔后，顺导向孔采用振动法，将钢管内斜桩插入基坑底部设计持力层中，对基坑围护桩起到内支撑作用。

3.2 工艺流程

场地平整→测量定位→钢管桩制作→引导向孔→钢管内斜桩施打→沉桩质量检测→土方开挖到冠梁底及冠梁或围檩施工→基坑土方开挖→焊接止水环→底板结构及传力带施工→切除部分钢管斜桩及穿底板封堵→地下室侧墙结构施工及基坑周边土方回填→切除剩余钢管斜桩→收口处理。

3.3 施工重难点控制

(1)钢管内斜桩施打

①施工前应进行复核，避开支护桩、工程桩及地下室主体结构；

②施工前应进行试桩及试桩静载，确保沉桩工艺的可靠；

③每根斜桩正式沉桩前应先引导向孔，采用液压锤顺倾斜式定角导向架打入一根6 m～9 m不带桩尖的空心钢管，拔除后作为导向孔。

(2)钢管斜桩宜使用12 m整材，当需要接长时，应采用内套管连接并开孔塞焊，采用φ406×10钢管桩，内套管为φ377×8钢管，内套管长度为1000 mm(两端各搭接500 mm)，外钢管开间距为150 mm×200 mm的φ15孔与内钢管焊接。

(3)桩顶与冠梁应设可靠连接，如图5所示。

图5 冠梁与斜撑连接节点大样图(单位:mm)

(4)抗压承载力检测要求

①钢管内斜桩抗压承载力静载试验抽检比例同工程桩标准。

②选定检测桩坑背侧，施打4～5排8 m长型钢桩，在其内侧焊设两层型钢，做为检测千斤顶的后台座，后台座内侧另施工2排8 m长型钢桩，夹紧后台座。

③将千斤顶两端分别与预先焊接于后台座及钢管斜桩顶的预埋钢板销栓连接。

④千斤顶分10级逐步施加压力，并记录斜桩沉降情况，直至设计抗压承载力后，分级卸荷，如图6所示。

图6 斜桩抗压承载力检测

(5)钢管内斜桩轴力监测

钢管内斜桩轴力监测点，隔一根布设一处(优先设于最后拆除的斜桩上)，选择端头轴力计(反力计)过程动态测试轴力及变化[7]，轴力计安装在钢管内斜桩的端头，频率接收仪获取某工况、时点监测频率，与初始自振频率对比，计算支撑轴力值。

钢管内斜桩轴力计算可按下式进行：

N=k(fi2-f02)

式中：N——钢管内斜桩轴力(kN)；

k——轴力计标定系数(kN/Hz2)；

fi——轴力计监测频率(Hz)；

f0——轴力计安装后的初始频率(Hz)。

4 施工效果

本工程钢管内斜桩基坑支护应用成效如下：

(1)钢管内斜桩桩抗压承载力静载试验，极限承载值作用下，桩身累计最大沉降23 mm，符合设计要求。

(2)基坑支护水平位移、竖向位移、斜撑内力、邻近建(构)筑物变形、沉降效果良好。施工监测结论如表3所示。

表3 基坑支护变形监测情况表

(3)钢管内斜桩与排桩组合支护体系，相比传统内支撑体系，可直接降低支护体系造价10%～22%(内撑占比支护造价约25%～35%)，且显著减少工期，社会效益更为明显。各类基坑内撑造价对比如表4所示。

表4 支护方案成本对比分析表(元/延米基坑长度)

5 结论

选择安全、经济的基坑支护体系一直是滨海饱和软土地区工程疑难问题，特别是针对基坑各侧边安全等级不同的情况，钢管内斜桩组合排桩基坑支护体系在实践中取得了一定的效果。

(1)滨海饱和软土地质特点，钢管内斜桩可穿越基坑底软土层，进入持力层，有限桩长即可充分发挥钢管承载力大的性能。钢管内斜桩、排桩、冠梁之间连接可靠，组合的基护支护结构体系刚度大，避免基坑过大变形。

(2)钢管内斜桩，施打及拆除不占用关键路线工期，相比常用的其他内撑型式，工期显著提前，材料一次性投入小，成本明显降低。

(3)钢管内斜桩基坑支护方案，基坑的土方开挖采用大面积盆式开挖方法，不需预留反压土、无结构底板二次施工，工效高，且可根据需要分期拆除内斜桩，基坑安全保证度高。

(4)施工关键技术及重难点的解决，使钢管内斜桩施工质量得到保证并提升施工效率。