（环境工程专业论文）微型钢管桩在岩石基坑支护工程中的应用研究.pdf

微型钢管桩在岩石基坑支护工程中的应用研究 摘要 微型桩，一般指直径在7 0 3 0 0 m m 内的桩，主要形式有微型钢管桩、钻孔灌 注桩等，桩体主要由压力注浆体，并配以加筋材组成，由于能穿透各种类型岩土 层且施工便利等优点，被广泛应用于滑坡治理，基坑、边坡支挡防护等工程。 微型钢管桩结合喷锚支护，是以青岛地区为代表的岩石地区基坑工程的一种 特有的支护方式。该种支护结构形式弥补了纯喷锚支护的安全性不足的缺陷，又 弥补了大直径桩在中风化岩层以下施工困难且造价较高的不足，是一种安全经济 的支护方式。但是目前，在具体的微型钢管桩喷锚支护结构设计计算时，均没 有考虑微型钢管桩的作用，仅将其作为安全储备。 鉴于此，论文从以下方面开展了研究工作。( 1 ) 查阅了关于微型桩在基坑工 程中应用的文献，指出了目前存在的问题；( 2 ) 以青岛市某岩石基坑工程为例， 选取典型剖面，运用岩土工程有限元数值模拟软件p l a x i s 2 d ，对微型桩喷锚 支护的基坑工程进行了数值模拟计算；( 3 ) 探讨了微型桩直径、间距、嵌固深度 和岩土体性质对微型桩内力变形的影响；( 4 ) 探讨了微型桩喷锚支护结构的设计 计算方法。 论文的主要结论如下所述。( 1 ) 爆破对于基坑支护结构的受力、基坑的变形 等有非常大的不利影响，施工过程中应严格按照相应爆破施工规范规程等进行施 工；( 2 ) 微型桩主要在素填土和强风化岩层较厚的剖面起作用，该处微型桩能够 较好得限制基坑侧向位移，同时由于该处微型桩会承担较大的轴力和弯矩，可以 合理地调配锚杆的内力分配；主要位于中风化及微风化岩层的微型桩，基本上不 起作用；( 3 ) 计算表明强风化岩层与中风化岩层交界面容易引起应力集中，因此 应重视该部位的设计。同时，在实际施工中要注意对该处锁脚锚杆施加足够的预 应力、对预留岩肩进行合理保护，以避免危险的发生；( 4 ) 对于同一截面而言， 素填土和强风化岩层较厚的上部岩土层，宜设计为微型桩喷锚支护，建议采用 桩锚模型计算，下部中风化及微风化岩层，宜设计为岩石喷锚支护，采用岩质边 坡稳定模型计算。 关键词：岩石基坑；微型钢管桩；喷锚支护；设计计算；p l a x 工s 2 d a p p l i c a t i o no fm i c r o s t e e lp i p ep i l e si nr o c kf o u n d a t i o np i t a b s t r a c t m i c r o p i l er e f e r st ot h ep i l ew h i c hd i 锄e t e ri sb e t w e e n7 0a n d3 0 0 m m w i t ht h e f o r m so fm i c r o - s t e e lp i l e s ，b o r e dp i l e s ，e t c i t 、v a si n v e n t e db yl i z z ii n19 5 0 s a tf l r s t ， i tw a sa p p l i e di nu 1 1 d e 印i 1 1 i l i n gr e i n f - 0 r c e m e n t ，b e c a u s eo fi t su n i q u ea d v a n t a g e s ，s u c h a st h es m a l lb o r e dd i a m e t e r ，t h ec o n v e l l i e n tc o n s t m c t i o n t h e ni tw a s w i d e l ya p p l i e d i ns l o p et r e a t m e n ta n df b u n d a t i o np i ts u p p o r t e n g i n e e 渤g m i c r o - s t e e lp i p e p i l e ， c o m b i n e dw i t hs h o t c r e t ea n dr o c kb o l t ， i sau n i q u e e x c a v a t i o ns u p p o i r t i n gm e t h o d ，i nr o c ks t r a t a ，s u c ha sq i n g d a oe t c i ti sak i n do fs a f e a n d e c o n o m i c a l s u p p o r t i n g m e t h o d ， m a k i n g u p t h e d i s a d v a n t a g e s o f 1 a 唱e - d i 锄e t e r p i l ea n ds o i ln a i l i n gw a l l h o w e v e r ，t h ed e s i g nm e t h o do ft h i sk i n do f s u p p o n i n gs t r u c t u r e ，i g n o r e st h ee 虢c to fm i c r o p i l e s b a s e do nt h i s ，t h ea u t h o rd e m o n s t r a t e s 矗o mt h e f o l l o w i n ga s p e c t s ( 1 ) r e v i e w t h el i t e r a t u r e so f m i c r o p i l e s ，e s p e c i a l l yo fm i c r o p i l e sa p p l i e di ne x c a v a t i o ns u p p o r ti n f o u n d a t i o n p i t ( 2 ) c h o o s et w os p e c i f i cs e c t i o n so fat y p i c a lf o u n d a t i o n p i t e n g i n e e r i n gf o rs t u d yc a s e ，t h e nu s et h ef i i l i t ee l e m e n ts o r w a r ep l a x i s 2 d ，t o s i m u l a t et h et w os e c t i o n s u s ep s e u d o - s t a t i cm e t h o d ，t os i m u l a t et h ee f f e c to f b l a s t i n g ( 3 ) d i s c u s sw h e nt h ep i l ed i 锄e t e r s ，t h ep i l es p a c i n g s ，t h ee m b e d d e dd e p t ha n dt h e s o i l 。r o c kp r o p e n i e sc h a n g e ，t h ec h a n g e so ft h ef o r c e sa n d d i s p l a c e m e n t so fm i c r o p i l e s ( 4 ) p r o p o s ear e a s o n a b l ed e s i g nm e m o d t h ec o n c l u s i o n sa r ea sf o l l o w s ( 1 ) b 1 a s t i n gh a sa 伊e a ta d v e r s ee f r e c to nt h e f o r c e sa n dd i s p l a c e m e n t so fs u p p o i r t i n gs t m c t u r e t h eb l a s t i n gv o l 啪s h o u l db e c o n t r o l l e ds t r i c t l yi nc o n s t m c t i o np r o c e s s ( 2 ) m i c m p i l e sp l a ya ni m p o r t a n tr o l e ，h e n s e t t i n gi np l a i nf i u a n d s t r o n g 、 ，e a t l l e r e dr o c kl a y e r ，a n dm e yc a nr e d u c et h e h o r i z o n t a ld i s p l a c e m e n t sa n da l l o c a t et h ef o r c eo fa n c h o r se 丘e c t i v e l y ，e s p c i a l l yw h e n m eb l a s t i n ge n e c ti sc o n s i d e r d w h e nt h e ya r es e ti ni n t e m e d i a r ) ，w e a t h e r e dr o c k 1 a y e ra n ds i l k yw e a t h e r e dr o c kl a y e r ，t h em i c r o p i l e sd o n tp l a ym u c he f r e c t ( 3 ) w h e n c o n c e m i n ga b o u tb l a s t i n g ，m em i c r o p i l e sa r ey i e l di nt h ed e p t ho fl2 m ，a tt h e i m e r f a c eo fs t r o n gw e a t h e r e dr o c kl a y e ra n di n t e m e d i a r yr o c kl a y e r ( 4 ) 1 1 1 ed e s 咖 i i m e t h o do ft h es t r u c t u r ec a nb ep i l e r o wm o d e l ( i ns o i ll a y e ra n ds t r o n gw e a t h e r e dr o c k l a y e r ) ，t h ec o m p o u n ds o i l - n a i lw a um o d e l ( i ni n t e m e d i a r ) ，w e a t h e r e dr o c k1 a y e ra n d s i l k yw e a t h e r e dr o c kl a y e r ) k e yw o r d s ：r o c kf o 吼d a t i o np i t ；m i c r o - s t e e lp i p ep i l e s ；s h o t c r e t ea 1 1 dr o c kb 0 1 t ； d e s i g nm e t h o d ；p l a x i s 2 d i i i 微型钢管桩在岩石基坑支护工程中的应用研究 1 绪论 1 1 问题研究背景、目的及意义 1 1 1 问题研究背景 随着城市发展，在密集建筑群与管线纵横交错的复杂的环境中进行地铁、人 防、高层建筑地下室等地下工程施工的情形越来越普遍。然而目前已有的工程实 践表明，单一的土钉或喷锚支护方式已经不能满足工程需要，而且在很多时候单 一的土钉或喷锚支护方式会使基坑边坡产生失稳破坏，不仅会造成经济财产损 失，而且很可能使人民生命财产安全受到威胁。但是当该基坑或该基坑的某一单 元没有施工大直径钻孔灌注桩的条件时，微型桩复合土钉支护和微型桩复合喷锚 支护结构应运而生。由于微型桩具有加固补强作用，可以增大基坑的安全性。 微型桩( m i c r o p i l e s ，d f i & f h w a ) ，又称迷你桩( m i n i p i l e s ) 或小口径钻孔 组合桩( s m a l ld i a m e t e rg r o u t e dp i l e s ) ，直径小于3 0 0 m m ，但其下限不同文献规 定不一，有的为7 0 m m ，有的为1 0 0 i i u l l ，一般常用微型桩直径为1 5 0 m m 至2 5 0 m m 之间。微型桩长径比较大( 一般大于3 0 ) ，桩体主要由压力灌注之水泥( 砂) 浆 或细石混凝土与加筋材所组成。依据其受力需求，加筋材可为钢筋、钢棒、钢管 或型钢等。微型桩常采用的形式有3 种，钻孔灌注桩、微型钢管桩、密排木桩或 竹桩【l j ，可以是垂直或倾斜，或排或交叉网状配置，交叉网状配置之微型桩由于 其桩群形如树根状，故亦被称为树根桩( r o o tp i l e ) 或网状树根桩( r e t i c u l a t e d r o o t sp i l e ) 。由于微型桩孔径较小，钢筋较多，施工工艺和锚杆类似，因此在工 程上也常被称为大锚杆。微型桩在2 0 世纪5 0 年代由意大利人l i z z i 发明并投入 使用，早先主要用于承受竖向荷载的建筑基础加固托换等方面应用，而后由于微 型桩在解决复杂地基和边( 滑) 坡稳定等问题方面的优势，以及生产建设的需要， 微型桩在滑坡治理( 微型抗滑桩) 、挡土结构、基坑支护等工程中取得了较好的 效果，国内外对微型支护桩、微型抗滑桩、微型桩的抗震等的研究也日见增多。 但是目前国内外的研究者对应用于基坑工程中的微型桩支护结构的研究大 多集中在对某个具体基坑设计实例的报道，其设计方法大多也仅仅是根据经验进 行设计，而没有形成完善系统的理论，这就造成了理论大大滞后于实践的结果。 因此急需完善相关理论，进而指导工程实践。 微型钢管桩在岩石基坑支护工程中的应用研究 1 1 2 研究目的及意义 通过研究，明确在基坑工程中，微型桩支护结构中微型桩的支护机理及受力 特性，力求通过课题的研究建立应用于基坑工程中的微型桩支护结构的设计计算 模式。 研究的理论意义在于，可以帮助我们更加明确微型桩在基坑工程中的作用机 理及受力特性，建立的基坑工程中微型桩的设计计算模式，能够对现有的微型桩 和基坑工程的理论进行丰富和完善。 该课题的实际应用价值在于，目前微型桩支护结构在基坑工程已经得到了广 泛的应用。研究得出的结论可以用以指导工程实践，从而优化基坑工程中微型桩 的设计，更好得为基坑工程实践服务，具有较大的实际应用价值。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 微型桩在基坑工程中的应用形式 根据基坑工程实践，目前微型桩在基坑工程中的应用形式大致有以下6 类， 即微型桩与土钉( 预应力锚杆) 技术相结合，微型桩与水泥土搅拌桩技术相结合， 微型桩与内支撑相结合，微型桩与钻孔灌注桩和压密注浆技术相结合，运用微型 桩对基坑周边敏感建筑物基础进行托换以及微型群桩的应用等。以下分别对微型 桩在基坑工程中的各种应用形式进行简述。 ( 1 ) 微型桩与土钉( 预应力锚杆) 技术相结合 该类应用一般指微型桩与土钉或预应力锚杆( 预应力锚索) 技术相结合，此时 水泥土搅拌桩或高压旋喷桩等止水帷幕位于微型桩的外侧( 相对于开挖基坑) 。 微型桩在该类支护结构中具有超前支护的功能，同时与土钉和预应力锚杆共同作 用，以抵抗侧向的水土压力。 微型桩与复合土钉墙技术相结合的应用实例较多。毕孝全等【2 1 、杨志银等【3 1 、 高凤怀4 1 、同平武【5 1 均对采用微型桩复合土钉墙支护的基坑工程实例进行了介绍。 m i c h a e l 【6 】介绍了c o l o r a d o 的一个开挖工程，该工程利用微型桩与土钉相结合的 新型支护结构，在该工程中，微型桩也对基坑周边的建筑物基础起到了托换加固 的作用。 微型桩与预应力锚杆结合，形成桩锚支护体系。由于微型桩直径小、能穿透 各种障碍物，因而特别适用于狭窄的没有施工传统灌注桩条件以及土质较差的特 2 微型钢管桩在岩石基坑支护工程中的应用研究 殊地段。白晨光等【7 j 介绍了2 个运用微型桩+ 预应力锚杆支护的基坑工程实例。 李夕兵等瞵j 介绍了采用预应力锚索和微型桩联合处理深基坑失稳事故的实例。 m a c k l i n 等例介绍了c o l o r a d o 交通部开挖工程，该工程由于采用了微型桩与锚杆 相结合的支护结构，从而加快了工程进度。s t e v e n 等【1 0 】介绍了某道路加宽开挖 工程实例，该工程的开挖支护设计为微型桩配合喷锚的挡土墙。其中微型桩主要 用作承担混凝土面层的轴向荷载，锚杆主要用作承担水平向的土压力荷载。 其典型应用形式如图卜1 中所示。 图1 1 微型桩与土钉或预应力锚杆联合支护示意图 ( 2 ) 微型桩与水泥土搅拌桩结合 由于传统的水泥土搅拌桩不能承受弯矩和较大的剪力，因此在水泥土搅拌桩 内部增加微型钢管桩( 或其他加筋体) 来增强其抗弯和抗剪能力，其典型应用形 式如图1 2 中所示。与应用形式1 中不同，此处是在水泥土搅拌桩内部加入微型 桩。彭典华和胡励耘1 1 1 介绍了某基坑采用微型桩与水泥土搅拌桩相结合进行支护 的工程应用实例。 ， ， 预应力锚杆 7么 一 乡 微型桩 斛 图1 2 微型桩与水泥土搅拌桩相结合的应用示意图 ( 3 ) 微型桩与内支撑相结合 微型钢管桩在岩石基坑支护工程中的应用研究 黎铁波介绍了广州市番禺区钟村镇的排水渠整治工程实例，该工程采用 了微型注浆钢管结合一道钢支撑的支护方案。该种支护形式中，由于微型桩的抗 弯刚度小，因此该种支护形式一般用于开挖深度不大的基坑。 其典型的应用形式如图1 3 所示。 图1 3 微型桩内支撑支护体系应用示意图 ( 4 ) 微型桩与钻孔灌注桩、压密注浆技术相结合 微型桩与钻孔灌注桩、压密注浆技术相结合，微型桩、压密注浆和原有的钻 孔灌注桩联合止水，形成既能抵抗水土压力又具有防水功能的基坑围护结构。杨 兰凤和智日进【1 3 】介绍了江苏水利厅基坑采用钻孔灌注桩配合微型桩和压密注浆 联合止水的工程实例。其典型应用形式如图1 4 中所示。 图1 4 微型桩与钻孔灌注桩和压密注浆相结合的应用示意图 ( 5 ) 运用微型桩对基坑开挖周边建筑物进行基础托换和隔离保护 运用微型桩群对开挖区周围“敏感”建筑物进行基础托换、原位加固和隔离 保护，以此减少基坑开挖对相应建筑物的影响。这些周围的建筑物的基础形式由 于采用浅基础，因此基坑开挖对这些建筑物的影响较大，可借助网状微型桩作为 这些建筑物的托换基础，对基础进行加固补强，从而减少土体应力改变对建筑物 的影响，并且维持基坑边坡的稳定。 吴权【m j 介绍了上海兴业大厦基坑采用树根桩隔离措施的工程实例；l i n d q u i 等【l5 j 介绍了在s e 甜l e 某深开挖基坑，采用微型桩对邻近建筑物基础进行托换的 4 微型钢管桩在岩石基坑支护工程中的应用研究 实例；c l a u s & c o n s t a b l e 【1 6 1 介绍了r e n o 铁路运输沟的开挖工程，微型桩对周围 敏感建筑物进行托换加固的实例。 该种条件下微型桩的典型应用形式如图1 5 中所示。 图1 5 微型桩用于基坑周边建筑物基础托换的应用示意图 ( 6 ) 微型群桩的应用 该种应用形式主要是应用多排微型桩进行基坑支护。毕孝全等【2 1 介绍了广州 安信大厦深基坑工程北面采用单排微型桩，南面采用双排微型桩，并结合土钉、 预应力锚杆、锚索联合支护的工程实例；唐传政和舒武堂 1 7 】介绍了基坑边坡滑 移后采用多排微型钢管桩进行基坑加固修复的4 个工程实例；李连祥等介绍 了在济南某基坑采用单排微型桩发生基坑事故后，采用钢架式双排微型钢管支护 结构修复边坡的实例。此外，还有利用网状微型群桩作为基坑围护结构的工程应 用实例【1 9 】。 1 2 2 微型桩的作用机理 微型桩应用于基坑支护工程中时，其作用方式主要可分为两种类型，一种类 型用来作为主要的受力构件，抵抗基坑开挖过程中产生的水土压力；另一种类型 则主要用来作为预支护结构。 第一种类型的微型桩支护作用机理与基坑工程中的普通支护桩的作用机理 相同，即在深基坑周围土压力、地下水压力及深基坑周边附加荷载作用下，深基 坑底面排桩嵌固深度范围内的土体由于受到桩体侧向位移的影响而产生被动土 压力来抵抗桩体承受的部分主动土压力2 0 1 。 第二种类型的微型桩支护作用机理是微型桩作为超前支护结构的作用机理， 目前关于微型桩在此类基坑支护结构中的作用机理主要有以下认识。 林希强【2 1 1 、汪召【2 2 、夏华宗圆将微型桩超前支护在复合土钉墙中的作用机 理归结为以下4 点。 微型钢管桩在岩石基坑支护工程中的应用研究 ( 1 ) 提高土体的强度和面层强度，增强土体自稳能力。( 2 ) 钢管桩在土体 开挖过程中，自身可以承受部分土压力荷载，起到挡土的作用，因此可以起到减 小基坑的水平变形量和地表沉降量的作用。( 3 ) 阻止坑底的隆起、管涌和渗流问 题的出现。( 4 ) 调动并协调土钉锚杆等的支护作用。 微型桩通过在桩内外一定范围进行压力注浆，使得桩体范围内外的土体得以 加固，土体与微型桩、混凝土面层等共同作用成为一个整体来抵抗土压力，而不 再是作为外荷载，因此减小了作用在支护结构上的主动土压力，增加了支护结构 抵抗荷载的能力。 微型桩的预支护作用原理可陈述如下【2 4 j ： ( 1 ) 提高土体的强度指标，改善初始应力场。( 2 ) 降低开挖瞬时土体次生 应力的变化。( 3 ) 减少边坡变形量，从而保证了基坑的安全。 起预支护的微型桩与一般护坡桩在支护的本质上是不同的，原因是： ( 1 ) 预支护微型桩不能直接用于边坡的支护，由于其抗弯截面刚度低，且 屈服应力较小，因此它并不能像普通的护坡桩那样用于直接抵抗弯矩。( 2 ) 预支 护微型桩是通过改善土体性质以及开挖前初始应力状态来改善边坡的稳定性，而 并不是通过直接抵抗土压力来支护边坡。 高凤怀( 2 0 0 6 ) 运用二维有限差分软件f l a c 对厦门银聚祥邸基坑采用微型钢 管桩和预应力锚杆的复合型土钉支护结构进行了分析研究，得出复合土钉支护中 超前桩可维持基坑阶段开挖与支护过程中基坑边坡临空面土体的临时自稳性，减 少边坡土体的应力释放程度，抑制超前桩加固范围内边坡的位移和塑性屈服区的 发展，限制土体侧向变形的进一步发展【4 】。 1 2 3 微型桩在基坑工程中的受力变形研究 在基坑开挖过程中，微型桩是较重要的受力构件。但是研究者们对于开挖过 程中微型桩是否抗弯，以及微型桩受何种性质的力，看法不一。 林希强( 2 0 0 3 ) 对复合土钉支护进行了三维有限元分析，研究了复合土钉墙复 合部分，包括超前微型桩、预应力锚杆、冠梁、腰梁和面层的作用机理。得出一 些结论，其中关于微型桩的结论主要是：基坑每一层开挖时，钢管与土体的变形 不协调，有一个双向调整的过程；微型桩、冠梁、腰梁在复合土钉支护结构中受 微型钢管桩在岩石基坑支护工程中的应用研究 力状态很复杂，不但受到拉弯作用，而且还发生了扭转。该结论与夏华宗2 8 1 所 做的模型试验的结论相刚2 1 1 。 汪召( 2 0 0 5 ) 在此基础上利用有限元软件a n s y s 对复合土钉墙联合支护体系 进行数值模拟，通过工程实例监测数据，研究了联合支护体系中土钉、微型桩的 受力特性，其中关于微型桩的结论主要是：微型桩与面层形成复合面层，除基坑 开挖前的超前支护外，还有挡土和协调土钉受力变形的作用【2 2 】。 毕孝全等( 2 0 0 8 ) 认为超前钢管桩主要受边坡土体的侧向压力和因边坡沉降 而传至超前钢管桩的负摩擦力。但是在开挖到支护完成3 d 内，土体侧向压力较 小，而3 d 之后，土体侧向压力主要由锚杆和喷层承担，因此微型桩在开挖过程 中所受侧向土压力较小，一般不予计算，而钢管桩所受的轴向压力较为复杂，需 要深入研究【2 】。这与s t e v e n ( 2 0 1 0 ) 等提出的微型桩与锚杆挡土墙中，微型桩主 要受轴向力，而锚杆则承受土体水平向的拉力的结论相一致。 高森亚( 2 0 0 8 ) 对微型钢管桩在基坑支护中的应用进行了专门的研究。得出微 型钢管桩在受到侧向土压力的情况下，桩的位移主要集中在桩顶到( 7 8 d ) 的 范围；微型钢管桩群桩效应导致承载力的损失很明显【2 5 1 。 江晓峰( 2 0 0 9 ) 认为开挖后竖向钢管桩形成类似于支护桩的微型排桩结构，钢 管桩与锚杆组成拉锚式挡土结构，主要受力构件是锚杆，微型桩则承担较小的抗 弯抗剪作用2 6 1 。 1 2 4 微型桩在基坑工程中的设计计算研究 由于对微型桩作用机理和受力机理还认识不深，因此目前关于微型桩的设计 计算还没有统一的模式。已有的关于微型桩的设计计算主要分为复合土钉墙模式 和桩锚模式。 在复合土钉墙体系中，柔性微型桩由于并不需要其具有抗弯作用，所以通常 使用钻孔中间放置加强体的方式，其主要作用是为了提高微型桩体的强度和刚 度，所以不少研究者认为不必对其进行抗弯强度校核。其设计计算同复合土钉墙 整体计算一并进行。包括内部稳定性验算和整体稳定性验算。 内部稳定性验算中主要是土钉抗拔力验算，其中土钉的抗拔力验算与普通的 土钉墙一样。聂振军、李海深( 2 0 0 9 ) 对微型桩+ 土钉复合型支护内部稳定性进行 了探讨，在抗滑力矩中考虑了土体的抗滑力矩、土钉拉力、剪力产生的抗滑力矩、 7 微型钢管桩在岩石基坑支护工程中的应用研究 以及微型桩的抗剪作用产生的抗滑力矩，并指出土钉剪力对稳定安全系数的影响 较小2 7 1 。 赵勇( 2 0 0 8 ) 认为当开挖深度较大或者坑底的微型桩构造强度太低时，除了对 土钉进行验算外，还需要对微型桩进行抗弯和抗剪折验算【2 4 1 。 而对于微型桩加预应力锚杆支护体系，白晨光等( 2 0 0 6 ) 详细探讨了刚性微型 桩与柔性微型桩在功能、加强体设计等方面的区别。他认为在微型桩的桩锚结构 中，需要对微型桩进行抗弯强度计算，设计依据同普通桩锚体系一样，只是微型 桩桩径小，加强体的放置有困难，因此需要通过加密锚杆排数和使用型钢作为微 型桩体加强体来提高微型桩的抗弯能力。但是他所提出的方法只是粗略的不考虑 桩体混凝土强度仅考虑加强体强度的保守方法，这种计算方法还有待完善【7 1 。 王少杰等( 2 0 0 9 ) 在此基础上通过试验方法证明了注浆体对于提高微型桩抗 弯能力具有重要作用矧，白晨光等( 2 0 0 6 ) 【7 1 所提出的仅考虑加强体强度，而不考 虑注浆体强度的方法确实过于保守，但是王少杰也没有提出综合考虑桩内加强体 和注浆体强度的微型桩抗弯能力的具体计算公式。 何世达、周友华( 2 0 0 6 ) 认为目前对于采用微型桩支护的基坑，存在“桩锚”、 “喷锚+ 抗滑加固”两种计算模式，应仔细分析支护结构的受力情况，选取合适 的模式计算，必要时还可用两种模式互相验算2 9 1 。 此外，m a c h i n 等( 2 0 0 4 ) 【9 】、s t e v e n 等( 2 0 1 0 ) 都将微型桩和桩间土作为复合 整体，按照重力式挡土墙设计，为微型桩的设计计算提供了一个新的思路。 目前微型桩的计算模式还不完善，主要是由于存在“微型桩复合土钉墙”和 “桩锚”两种不同的设计计算模式，导致了对微型桩设计的差别。两种模式的主 要差别在于前者不考虑微型桩的受弯性能，忽略了微型桩可以具有一定程度的抗 弯能力这一事实，仅将微型桩的抗弯性能作为安全储备，这可能导致一定程度上 材料的浪费；而后者的计算方法还不健全，还没有提出综合考虑加强体强度和注 浆体强度的设计计算公式。 此外，关于微型桩的设计计算模式还有数值模式，包括有限差分法和有限元 法等。研究者运用不同的软件如f l a c 、p l a x i s 、a n s y s 、s n e p f e m 土钉墙有限元 分析软件、a b a q u s 、l p i l e 等软件对微型桩复合结构进行数值模拟，得到了许 多有用的结论。 微型钢管桩在岩石基坑支护工程中的应用研究 1 2 5 微型桩的存在及微型桩复合支护结构设计参数对基坑的影响 吴权( 2 0 0 7 ) 通过对有无树根桩的实测土压力和同一断面围护墙体变形与邻 近土体变形实测比较后发现树根桩对桩身深度内的土压力有阻隔作用，树根桩有 限制围护墙体的变形的作用，这与阻隔衰减土压力作用相对应【1 4 】。 王媛媛，秦四清( 2 0 0 6 ) 运用有限元方法对土钉、土钉+ 预应力锚杆、土钉+ 微型 桩、土钉+ 微型桩+ 预应力锚杆四种支护结构的工作机制进行数值模拟后发现： 设置微型桩比施加预应力对坡面水平位移的控制的效果好；设置微型桩可有效控 制坡顶沉降，而施加预应力对坡顶沉降影响小；设置微型桩和预应力锚杆对于控 制坑底隆起均不能起到很好的作用【3 0 1 。 郝峰等( 2 0 1 0 ) 运用有限元数值软件p l a x i s ，分析了在改变岩土体性质的情 况下，微型桩复合土钉支护结构中的微型钢管桩对基坑稳定性和位移控制的作用 规律，得出的结论如下：土层越硬，钢管桩对基坑安全稳定性的贡献作用越大； 土层越软，钢管桩对坡项最大位移控制的贡献作用越大【3 1 1 。 宋广等( 2 0 1 0 ) 用三维非线性有限元对单纯土钉支护和微桩复合土钉支护进 行了模拟，考虑土体在开挖情况下的变形特性，认为超前微桩的设置在显著减小 坑周地层变形、土钉拉力的大小以及坑周地表附近地层中拉应力区范围的同时， 还会改变坑壁水平位移以及坑边附近地面沉降的分布形式。微桩的存在使得坑壁 的水平位移最大值下移至坑深中部，因此，加强坑深中部的土钉而不是在基坑浅 层设置土钉更有利于控制基坑的水平变形【32 | 。 黄山寿( 2 0 0 2 ) 运用有限差分软件f l a c 对台北国际金融中心大楼深开挖进行 三维数值模拟，并对微型桩在基坑开挖期间对邻房的保护效果进行了探讨。得出 微型桩对墙体水平位移的控制作用没有对地表沉降量的减少作用明显【3 3 1 。 1 2 6 岩石地区、土岩组合地区微型桩支护结构的应用 目前现有文献大多是研究微型桩应用于土质基坑，而针对岩石地区或土岩组 合地区的微型桩支护结构的应用文献还不多。以下是目前发表的一些介绍土岩地 区或岩石地区微型桩用于基坑支护的应用文献。 黎铁波( 2 0 0 9 ) 介绍了广州市番禺区的基坑工程。该工程地层条件为土岩二元 组合地区，基岩( 泥岩) 埋深较浅，原设计的钢板桩支护方案难以打入强风化岩 9 微型钢管桩在岩石基坑支护工程中的应用研究 层，后经分析比较，支护方案选择微型钢管桩加钢支撑的支护方案，从实际的基 坑开挖和位移监测结果来看，支护方案是成功的【1 2 】。 张有祥等( 2 0 0 8 ) 对在基坑开挖深度内有土层和岩层( 泥质粉砂岩) 、且岩层 内存在软弱夹层的二元地质条件下采用内支撑和复合土钉墙组合形式支护时存 在的问题进行了详细分析，主要包括土压力的计算模式、钢管桩下局部地基承载 力的验算、刚柔性组合支护型式的交接处刚度协调、内撑立柱的约束状态对内 支撑稳定性的影响等问题【3 4 1 。 刘红军等( 2 0 1 0 ) 介绍了青岛岩石地区土岩( 花岗岩) 组合的一个典型超深基 坑工程案例。鉴于地层的特殊性以及基坑开挖深度，该工程采用吊脚桩加锚索支 护体系，局部放坡结合钢管桩预支护，并通过有限元数值分析结果与现场实测数 据对比表明：在上覆土层较薄的岩石地区，围护结构的变形主要集中在土层部分 【3 5 】 o 朱安宁等( 2 0 1 0 ) 介绍了浙江义乌主城区雪峰房地产和华康公司综合楼工程 基坑支护实例。该工程开挖范围地层条件为上部为土层，下部为岩层( 泥质粉砂 岩) ，设计采用放坡微型钢管桩加锚杆相结合支护，并根据基坑开挖面积大和深度 深的特点采用在坑四周深井降水和坑底设置泄水孔的措施保证了基坑施工的顺 利进行【3 6 1 。 罗萍( 2 0 1 0 ) 对微型钢管桩锚杆联合支护的应用研究进行了详尽的介绍，包括 微型钢管桩的发展状况，微型钢管桩锚杆支护体系概论，微型钢管桩锚杆支护 体系的受力机理等。最后以青岛市市南区的一个一级基坑工程为例，说明了土岩 结合地层上，微型钢管桩锚杆的应用。她认为应按排桩模式计算微型钢管桩锚 杆联合支护结构，并按工况不同分为了三种计算情况：开挖深度在一半桩长范 围内，采用普通排桩计算方法( 如等值梁法) 进行计算；开挖至下部工况，由 于桩脚嵌固有限，因此，除了按等值梁法计算锚杆受力外，还应要防止“冒脚”， 在桩底按零嵌固条件计算；当基坑开挖至桩脚，最后一层锚杆还未施工时，支 护结构还须进行整体受力验算及局部强度验算。通过采用了电阻应变测试法，对 钢管桩的弯曲应力进行实时监测，验证了设计计算采用桩锚模式较符合实际受力 状态【37 1 。 1 0 微型钢管桩在岩石基坑支护工程中的应用研究 1 3 现有研究存在问题分析 ( 1 ) 目前的研究者大多认为微型桩在基坑开挖过程中不受弯矩，而以受轴向 力为主。在设计计算时没有考虑微型桩支护的有利作用。但是事实上，由于很少 人对微型桩的受力从实测角度进行研究，大多进行的是理论上的分析，因此其分 析方法具有一定的局限性。对于在岩石地区采用微型桩喷锚支护的基坑设计计 算中，该如何考虑微型钢管桩的作用成为有待解决的问题。 ( 2 ) 关于微型桩的存在及设计参数改变下，基坑变形、土压力等的变化，现 有文献均将重点放在了微型桩复合土钉墙上，而少有研究者研究微型桩的存在及 设计参数的改变对微型桩喷锚结构支护内力变形、基坑变形、土压力指标等的 变化的影响，而微型桩喷锚结构广泛的应用使我们非常有必要对该对象进行研 究。 ( 3 ) 目前关于微型桩复合支护结构在软土基坑工程中的应用研究较多，对于 土岩组合地区或者岩石地区的基坑，关于微型桩复合支护结构的相应研究文献较 少，很少有人进行专门针对性的研究。 1 4 论文研究内容及技术路线 论文以青岛市某一岩石深基坑工程为例，对微型桩结合喷锚支护方式中微型 桩的内力变形特征及其作用机制进行了分析，进而对岩石地区基坑工程的微型桩 喷锚支护结构的设计计算方法进行了初步探讨。 论文采用岩土工程数值模拟软件p l a x i s 2 d ，对该工程的典型剖面进行有限 元模拟，计算出的基坑水平位移与实测监测结果进行对比验证，通过有、无微型 桩支护的该基坑典型剖面的模拟，得出微型桩的受力变形，基坑变形，土压力等 特征。进而再通过改变微型桩的设计参数( 如桩径、桩间距、桩嵌固深度、岩土 体性质等) ，得到微型桩内力变形特征及变化，并总结出微型桩的作用机理。最 后，根据作用机理，初步提出适用于青岛岩石基坑的微型桩喷锚支护的设计计 算方法，明确在设计时该如何考虑微型桩的作用。 论文研究的技术路线图如图1 1 所示。 微型钢管桩在岩石基坑支护工程中的应用研究 微型钢管桩在岩石基坑支护工程中的应用研究 上土 查阅相关文献，掌握应用于基坑工程中的微型桩复合支护结 构研究现状，提出目前研究中存在的问题。 数值模拟计算基坑工程典型剖面，而后和实 测资料对比分析，验证有限元计算结果的正 确性。 l 通过有限元软件p l a x i s 对基坑剖面进行参数分析，研究包括在 有无桩时，有无爆破作用下，微型桩受力变形和基坑变形、土压 力、锚杆内力等的变化情况：以及在微型桩桩径、桩间距、桩端 嵌固深度、岩体性质等的变化下，微型桩的受力变形情况。 u 从结果中总结出岩石地区基坑工程微型桩的作用机理及受 力特性，探讨岩石基坑工程中微型桩复合支护结构的设计 计算模式。 图1 1论文研究技术路线图 1 2 微型钢管桩在岩石基坑支护工程中的应用研究 2 微型钢管桩在岩石基坑支护工程中的应用实例简介 2 1 微型钢管桩喷锚支护体系介绍 2 1 1 现有的基坑支护方式简介 深基坑工程是一项系统的复杂的工程，在实际工程中采用何种支护方式，与 基坑开挖深度、场地的工程地质条件和水文地质条件、周边环境条件、工程造价 等紧密相关。在实际的工程设计中，需要在保证基坑安全稳定的前提下，尽量减 少工程造价，以确保企业最大的利润。 一般来说，常用的支护方式有放坡开挖、土钉( 喷锚) 支护、悬臂桩支护、 桩锚支护、桩+ 内支撑支护、地下连续墙、逆作法等【3 8 4 0 1 。 放坡开挖，是一种最为经济、实惠的基坑支护手段。因此对于基坑地下水位 较浅，降水放坡开挖不会对基坑相邻建筑物产生不良影响，稳定性较好的基坑， 可采用局部或全深度放坡开挖的方式。 当基坑周围不具备放坡条件，地下水位较低或坑外有降水条件，邻近无重要 建筑或地下管线，基坑外地下空间允许锚杆或土钉占用时，可采用土钉支护或喷 锚支护结构围护基坑边坡。场地土质较好且均匀，基坑开挖深度在5 1 5 m 以内 时，可采用土钉加固土体构成土钉支护；场地土质不均匀，稳定土层埋置较深， 开挖深度在18 m 以内时，可采用喷锚支护结构。土钉支护是一种被动受力的支 护结构。当土体发生变形，土钉才会受力，该种支护方式基坑的变形位移相对较 大。这种支护的局限性限制了土钉支护的发展和应用空间，实际的施工中，常在 土钉喷锚支护的基础上，增加一些辅助措施。如本文所要研究的就是在喷锚支护 的基础上，增加微型钢管桩，形成复合支护结构。 由于施工场地狭窄、地质条件较差、基坑较深、或需严格控制基坑开挖引起 的地面变形时，应采用桩墙式挡土结构进行支护。内撑式支护结构需要占据基坑 内部的空问，且易受环境温度的影响。桩锚支护结构用于规模较大的深基坑、邻 近有建筑物或重要管线而不允许有较大变形的基坑，以及不允许设内支撑或设内 支撑不经济的基坑。 逆作法是通过改变施工顺序，边开挖边用主体结构作支护，将主体结构与支 护结构合二为一的支护方式，但是采用该支护施工方式，地下开挖施工进度较慢， 微型钢管桩在岩石基坑支护工程中的应用研究 且施工复杂。因此，在能够采用其他支护方式的条件下，尽量不会选用该种支护 方式。 2 1 2 微型钢管桩喷锚支护体系介绍 在之前章节中已经提到，在青岛地区，由于第四系较薄，基岩埋深较浅，采 用大直径的灌注桩不经济，在基岩面之下，也没有施工大直径桩的条件。而采用 单一的土钉( 喷锚) 支护又存在着不安全和变形较大的危险。因此，衍生出一种 新型的，适合于岩石地区的基坑支护方式微型钢管桩结合喷锚支护。 虽然关于微型钢管桩的设计施工理论还不甚完善，但微型钢管桩一锚杆支护 技术由于其优越性，弥补了传统桩锚支护的缺点，使得这一新技术具有更宽的适 用范围，应用空间更广阔。微型钢管桩一喷锚支护是指在基坑开挖前，在开挖线 外侧垂直打入一排或多排微型钢管桩，在钢管桩内进行高压注浆，形成沿着基坑 开挖线，以一定间距分布的一组微型钢管桩，并在基坑开挖过程中，分层开挖及 分步设置锚杆，喷射混凝土面层，与微型钢管桩形成一个整体。 微型钢管桩一锚杆支护体系由微型钢管桩和锚杆( 锚索) 两大部分组成。锚 杆( 锚索) 是利用土体的自稳力，通过钻孔、注浆、施加预应力，进一步增强了 土体的强度和稳定性。微型钢管桩超前支护措施解决了土体的自立性及面层与土 体的粘结问题，通过对锚杆进行压力注浆，提高了原位土体的力学性能和抗剪强 度，增大了锚固体与土体摩擦面积，使得锚杆的抗拔力得到成倍提高口7 | 。同时微 型钢管桩在基坑开挖过程中，也会承担一部分轴力和弯矩，与锚杆( 索) 协调作 用，抵抗基坑边的水土压力。 2 2 工程实例介绍 2 2 1 工程实例概述 工程场区位于青岛市，拟建建筑为2 幢4 4 层超高层酒店公寓塔楼及附带6 7 层裙房，场区范围内均带有4 层地下车库。基础底面标高约为1 1 4 2 米，周边 环境标高7 2 6 l o 5 0 米。根据建筑设计要求，基坑开挖深度为1 8 7 2 2 1 9 2 米， 周长3 9 0 米。属于超深的一级基坑。 2 2 2 场地工程地质条件 1 4 微型钢管桩在岩石基坑支护工程中的应用研究 青岛地区所处大地构造位置为华北地台，“青岛海阳”断块凸起的v 级构造 单元的南部。自太古代元古代以来一直处在一个长期、缓慢、稳定的上升隆起 状态，缺失华北型地层沉积。自中生代燕山晚期以来，区域性构造活动强烈，发 生大规模、区域性酸性岩浆侵入，形成稳固的花岗岩岩基，以深成相似斑状中粗 粒黑云母花岗岩为主要组成岩石。随后受华夏式构造体系影响，形成n e 向为主 的压扭性断裂构造。其后，酸性中基性岩浆沿岩基内薄弱面入侵，形成煌斑岩、 细晶岩和辉绿岩等浅成相岩脉，与花岗岩岩基组成复合岩体。 场区地形整体较为平缓，地貌类型属于剥蚀斜坡，表层后经人工改造。 根据地质勘察报告，场区地层由第四系和基岩组成，场区第四系厚度较小， 为全新统人工填土层。场区基岩面埋深较浅，整体自东北向西南缓倾，主要为燕 由晚期花岗岩和花岗闪长岩，穿插分布着后期侵入的煌斑岩岩脉和细粒花岗岩岩 脉，局部岩体受构造作用挤压破碎形成挤压破碎带。按照从上到下，由新到老的 顺序分述如下： ( 1 ) 第四系全新统人工填土层( q 4 m 1 ) 第层、素填土。 广泛分布于场区。 揭露层底标高1 0 4 9 2 4 米，基坑西北侧及西南侧填土较深。 褐色，松散，稍湿，以回填粘性土、砖块、碎石为主，粒径2 1 5c m ；局 部以回填粘性土为主，含少量碎石粒径2 5c m 。 ( 2 ) 基岩 通过钻探揭露，场区基岩面整体自东北向西南缓倾。场区基岩岩性主要为燕 山晚期中粗粒花岗岩( t5 3 ) 和花岗闪长岩( y65 3 ) ，穿插分布着后期侵入的细 粒花岗岩岩脉( t5 3 f x l ) 和煌斑岩岩脉( x 5 3 ) ，局部岩体受构造作用挤压破碎形 成挤压破碎带( s l ) 。 a 、花岗岩( t5 3 ) 第。层、花岗岩强风化带( t ) 本工程场区花岗岩强风化带厚度较大，自上而下有强度逐渐增高的趋势。褐 黄色，粗粒结构，块状构造，以长石、石英为主要矿物成分，矿物蚀变强烈，风 化裂隙密集发育，裂隙面上见铁锰渲染，矿物蚀变强烈，长石高岭土化严重，岩 微型钢管桩在岩石基坑支护工程中的应用研究 芯松散，手搓成砂土粗砂状。该层岩石属极破碎的软岩