1、探讨微型钢管桩在基坑支护设计中的应用摘要:沿海及内陆的冲击平原区的软土地基如果处理不当，常常会造成地基失稳，影响整个工程质量。微型钢管桩强度高，耐锤击性能好，穿透力强，贯入性好,承载力高,施工速度快,挤土小,因此这种情况多选用钢管桩。微型桩由于施工方便、快速在基坑工程中得到了广泛应用。本文介绍了微型钢管桩在基坑支护设计中的应用，并以天青商业楼 2 号汽车坡道基坑工程为例阐述了微型钢管桩在基坑支护设计中的应用优势。关键词:微型钢管桩;基坑支护设计;技术要点，工程施工 中图分类号：TU74 文献标识码：A 微型桩在土质基坑支护工程中的作用机制，根据其应用型式不同主要分为两种：一种是将微型桩作为主要
2、受力构件，起抗弯作用；另一种是将微型桩与土钉支护相结合，微型桩作为柔性构件，主要改善土体应力场，限制基坑变形，增加基坑的整体稳定性。 一、微型钢管桩 微型钢管桩的材料,一般用普通碳素钢,其材质应符合现行有关规定。微型钢管桩按加工工艺区分,有螺旋缝钢管和直缝钢管两种,螺旋缝钢管刚度大,在工程上使用较多。为了便于运输和受桩架高度所限,微型钢管桩常分别由一根上节桩,一根下节桩和若干根中节桩组成,每节的长度不宜超过 12-15 m。钢管桩上、中、下节常常用同一壁厚。有时,为使桩能承受巨大的锤击应力,可把上节桩的壁厚适当增大,或在钢管上端部外圈加焊一条宽 200300 mm,厚 612 mm 的扁钢加强
3、箍。管桩下端部外圈也常焊加强箍,以防止桩端变形损坏。 二、施工设备 微型钢管桩内切割机和拔管设备。若不采用送桩,打桩能量损失小,效率高,但在土方开挖前,应采用微型钢管桩内切割机将多余的上部钢管桩割去,以便土方开挖。所用切割设备有等离子切桩机、手把式氧乙炔切桩机、半自动氧乙炔切桩机、悬吊式全回转氧乙炔自动切割机等。工作时,将切割设备吊送入钢管桩内的预定深度,依靠风动顶针装置固定在钢管桩的内壁,割嘴按预先调整好的间隙进行回转切割短桩头,然后将切割下的桩管拔出,拔出的短桩管经焊接接长后可再用。 三、施工工序 打钢管桩与挖土的先后次序有两种:先挖土后打桩;先打桩后挖土。在冲击平原地区的软土地区,表层土
4、承载力尚可,而深部地基承载力则很差,且地下水位较高,排干较难。为避免基坑大面积长时间暴露被扰动,同时也便于施工作业,一般采用先打桩后挖土的施工方法。先打中间后打外围或先打中间后打两侧。基础标高不一的桩,宜先深后浅;对不同规格的桩,宜先大后小,先长后短,可使土层挤密均匀,以防止位移或偏斜。如有钢管桩和混凝土桩两种类型,为了有利于减少挤土和满足设计对打桩入土深度的要求,采取先打微型钢管桩后打混凝土桩。 四、施工要点 微型钢管桩可由平板车运至现场存放,存放场地要平坦,大型车辆能直达。微型钢管桩必须妥善堆放,避免因堆放不当产生锈蚀、弯折。堆桩四周排水顺畅,搁置点设置应不使桩变形,堆叠层数一般为 3 层
5、(高 2 m 以内),支点用枕木垫起,在枕木两侧用木楔塞紧,以防止桩管滚动。打桩现场微型钢管桩堆放,应尽量在桩机旁并在桩机起吊范围内;桩顶朝向桩机,便于一点起吊,并按打桩先后顺序及桩的配套要求进行堆放。微型钢管桩在吊起时,必须要对节桩做相应的检查,要对桩的长度、质量作出相应的评估,一旦发现问题,要及时地处理,防止影响地基的支撑作用,同时也要观察微型钢管的形状,看微型钢管是否是圆形的,还有直径是否在一定的误差范围内。一端吊起后,要注意微型钢管的平衡,不能让端托在地上,不然很容易折断微型钢管。这样的钢管端面比较复杂,焊接有一定的难度,很难恢复到原来的状态。对于存在质量的微型钢桩要进行一定的维修或者
6、采用一定的补救措施,要节约微型钢桩的材料,变废为宝,废物再利用。桩机移动时一定要注意位置的摆放,不能偏离微型钢桩的作业范围,不然很容易造成资源的浪费。桩机要移动至微型钢桩的位置,吊起的装置要用在桩的正前方,要对准桩的位置,不出现偏移,偏离会造成受力的不均匀,很容易造成微型钢桩的断裂。现场指挥员要时刻注意桩机的运行情况以及作业情况,要做好记录,指挥好吊起的微型钢桩的形态,进行安装时,下面不能有人,防止出现作业事故。 五、施工纪录 施工纪录是打桩全过程的真实写照,也是一项重要的技术档案,必须专人认真记录。记录的内容有每根桩的操作时间,每沉入 1 m 的锤击次数,落垂高度,桩的入土深度,土芯高度,最
7、后于击的贯入度,回弹量,桩的平面位移和倾斜,打桩过程中发生的异常情况。岩土工程勘察报告是基坑设计施工的依据,但是,基坑的设计施工也不能过分地依赖于勘察报告。勘探点均按照一定的间距布置,不可能把基坑影响范围内的土层特性、地下水情况全部反映清楚;有时勘察点的布置受现场条件所限,不能完全布置在基坑工程的关键部位;此外,勘察报告的准确性和真实性有时也较差等。因此,在基坑工程设计施工过程中,尤其在老城区或建筑物密集地段的基坑工程,设计、施工必须密切配合,对以下一些情况,加以重视。基坑涉及范围内的土层是否曾经受过扰动。基坑设计时,对其扰动历史不容忽略,需进行调查收集资料,必要时,进行有针对性的专项勘察。基
8、坑开挖后揭露的地层性状、地下水情况是否与勘察报告相符。若二者有差别,需根据实际情况及时进行必要的验算、设计调整及施工措施调整。 六、微型钢管桩施工安全技术 起吊和搬运吊索应系于设计吊点,起吊时应平稳,以免撞击和震动。堆放时,应堆置在平整坚实的地面上,支点设于吊点处,各层垫木应在同一垂直线上,堆放高度不超过四层。清除妨碍施工的高空和地下障碍物。整平打桩范围的场地,压实打桩机行走的道路。对临近建筑物或构筑物,以及地下管线等要认真查清情况,并研究适当的隔振、减振措施,以免振坏原有设施而发生伤亡事故。打桩过程中遇有地面隆起或下陷,应随时垫平地面或调直打桩机。司机应思想集中,服从指挥,经常检查打桩机运转
9、情况,发现异常应立即停止打桩,纠正后方可继续进行。打桩时,严禁用手拨正桩头垫料,严禁桩锤未打到桩顶即起锤或刹车,以免损坏设备。送桩入土后应及时添灌桩孔,打完后应及时加盖临时桩帽。冲抓锥或冲孔锤作业时,严禁任何人进人落锤区以防砸伤。对爆扩桩,在雷、雨时不要包扎药包,已包扎好的药包要打开。检查雷管和已包好的药包时应作好安全防护。爆扩桩引爆时要划定安全区(一般不小于 20 m),并派专人警戒。在施工图会审和桩孔挖掘前,要认真研究钻探资料,分析地质情况,对可能出现的流沙、管涌、涌水以及有害气体等情况应制定有针对性的安全防护措施。 施工现场所有设备、设施、安全装置、工具、配件以及个人劳保用品等必须经常进
10、行检查,确保完好和安全使用。孔口操作平台应自成稳定体系,防止在孔口下沉时被拉垮。施工场地内的一切电源、电路的安装和拆除必须由持证电工操作,电器必须严格接地、接零和使用漏电保护器。各孔用电必须分开,严禁一闸多用。孔上用电缆必须架空 2.0 m 以上,严禁拖地和埋压土中,孔内电缆电线必须有防湿、防潮、防断等保护措施。暂停施工的桩孔,应加盖板封闭孔口,并加 0.81 m 高的围栏。现场应设专职安全检查员,在施工前和施工中进行认真检查;发现问题及时处理,待消除隐患后再行作业;专职安全员对违章作业有权制止。 七、工程实例 当基坑深度较大、基坑周边环境复杂时，一般采用钢筋混凝土灌注桩结合预应力锚杆的支护形
11、式。这种支护形式计算模型明确，应用普遍，只要设计计算时参数选取合理，施工严格按图实施，均可保证基坑安全开挖。但是当受基坑周边环境和地质条件所限，灌注桩难以实施时，微型钢管桩是一种很好的替代形式。本文以某基坑土程为例，详细介绍了微型钢管桩支护结构的设计与应用。 1 工程概况 天青商业楼位于北京市朝阳区青年路 88 号，本工程基坑北侧开挖深度从堤顶至坑底深度为 9.0m。基坑北侧岩土层自上而下主要为: 填土:稍密，稍湿，由混凝土块、水泥夹砖头、抛石、花岗岩块等建筑垃圾回填而成，微透水，平均层厚约 7.40m，渗透性等级为中等透水。淤泥质土:饱和，流塑，局部夹薄层粉砂。平均厚度为 4.30m，微透水
12、。 粉砂:饱和，松散一稍密，局部含淤泥，平均层厚约为 6.lOm，中等透水。 以下为全风化泥岩、强风化泥岩:棕红色，风化强烈，岩芯呈半岩半土状。 2 方案选择 最初设计方案拟采用灌注桩+预应力锚索支护，密扣旋喷桩作止水帷幕。由于本工程场地其下存在着高水位和松散的填土层和细砂层，有专家对预应力锚索施工的可行性和可靠性提出质疑，最后否定了此种支护方案而改用双排灌注桩+桩顶联系梁支护方案。灌注桩直径为 1.0m，前排桩间距为 1.2m，后排桩间距为 3.0m，前后排桩排距为 3.0m，前后排桩桩顶通过钢筋混凝土联系梁和板连接成平面刚架结构。桩间双管旋喷桩作止水帷幕。此方案在施工中发现，本基坑北侧距离
13、原有建筑物只有 4 米，大型设备无法进行施工。故双排灌注桩方案在本土程中也不可行。 鉴于本土程基坑北侧的实际情况，对其重新进行评估并提出了双道双管旋喷桩且在旋喷桩桩身内插微型钢管的支护方案。在基坑侧先施土2 排双管旋喷桩， 旋喷桩直径为 600 mm 间距为 450mm x 450mm，桩长约为 19.0m，穿透粉砂层并进入全风化泥岩 1.0m。另在基坑外侧间隔约 4.5 m 位置处施土 1 排双管旋喷桩，桩径为 600mm，间距为 450mm，桩长为 13. 0m。为增加旋喷桩支护结构的抗弯、抗剪刚度，采用旋喷桩内置入钢管进行加强，钢管的长度为 13.0m，直径为 114mm，壁厚为 5mm
14、.钢管下段三分之二长度范围内每隔 0.5 m 钻孔径为 5 一 8mm 的出浆孔，钢管前端做成约 300 的尖头。旋喷桩主要起锚固微型钢管和止水帷幕的作用。支护典型剖面如图 1 所示。 由于填土层存在大量抛石，旋喷桩施土前先用地质钻机在设计桩位预钻孔径为 150mm 的孔用来施土旋喷桩，孔深等于旋喷桩长度。待旋喷桩施土结束后立即插入微型钢管。考虑到填土层中旋喷桩成桩困难，在两道支护体系间采用压密注浆改善填土层土性，并在基坑侧壁采用挂网喷射混凝土，另外在钢管桩顶通长焊接 24 槽钢拉结并浇筑 200mm 厚 C25钢筋混凝土 板连接前后两道钢管桩等工程措施来加强基坑侧壁和支护结构的整体性和稳定性
15、。 3 设计计算 3. 1 岩土层参数取值 根据地质报告并结合地区经验各岩土层取值如表 1 所示。 3. 2 内力计算 采用理正深基坑支护软件对双排钢管桩支护结构进行设计计算。支护结构内力计算采用规范法00，先计算出各个土况下的弯矩和剪力值，再根据不同土况下的最大值形成内力包络图，桩身弯矩及剪力计算结果见图 2 所示。 根据钢管桩桩身受到的最大弯矩和剪力，对钢管进行抗弯强度(主要为单向受弯)和抗剪强度验算。经计算均满足要求。 3. 3 变形计算 支护结构变形计算采用有限元弹性支点法，桩身水平位移及竖向沉降计算结果分别见图 2 和图 3 所示。计算结果基本满足规范要求。 3. 4 整体稳定和抗倾
16、覆稳定性计算 整体稳定采用瑞典条分法和总应力法，计算整体稳定安全系数为 1. 648，满足规范 1. 3 的要求。把双排钢管桩作为整体考虑，即两排桩包含其间的土体作为重力式挡墙，按照规程，其抗倾覆验算公式为 式中K、为抗倾覆安全系数;W 为挡土结构自重;b 为挡土结构宽度。计算结果为 1. 46，满足规程要求。 3. 5 嵌固深度计算 双排桩嵌固深度计算参考规范圆弧滑动简单条分法:当滑弧圆心为(-3. 434 ,8. 190 )，半径=14. 599m，对应的安全系数 K, =1.421,1.300;计算得到嵌固深度值为 6. 0m，嵌固深度设计值取为 1. 1 x6.0=6.6m。嵌固深度采
17、用值为 7. 0m o 结束语 本工程基坑于 2012 年 3 月开始施工，到 5 月初已完成 2 号汽车坡道底板结构施工，根据对基坑进行监测的资料，基坑侧壁地表无明显变形或裂缝，最大位移变形量出现在北北部，总位移量为 22mm，满足规范和设计要求，未发生险情。 通过本工程实践，说明在基坑常规钢筋混凝土灌注桩无法实施的情况下，微型钢管桩是一种理想的替代结构。双排微型钢管桩能有效地限制基坑水平位移。基坑支护的成与败，在很大程度上与水有关，在本方案中，采用双管旋喷桩止水，效果显著，施土中未出现漏水、渗水情况，同时一很好地加固了基坑侧壁土体保证了侧壁稳定。本文相关成果可为类似工程提供参考。 参考文献: 1杨敏.微型钢管桩施加预应力加固沉降基础的试验研究J.建筑技术,2008,39(6):465 -466. 2薛丽影,胡立强.微型钢管桩垂直复合土钉墙在某深基坑工程中的应用J.建筑科学,2011,27(7):99 -101. 3张艳芬,莫海军,叶晓红,等.微型钢管桩加 H 型钢支护在某深基坑工程中的应用J.施工技术,2011,40(7):24-26. 4江晓峰.深基坑微型钢管桩与喷锚网联合支护技术应用研究J.铁道科学与工程学报,2009,6(3):70 -74. 5赵庆亮.微型钢管桩在基坑支护中的应用J.城市建设理论研究(电子版),2012(7).
