帽型H型鋼嵌合型組合樁在軟土基坑中的應用

金小榮，郭 永，秦 康，莫立成，孫 樵

（1.浙江大學建筑設計研究院有限公司，浙江 杭州 310028；2.浙江華蘊基礎工程有限公司，浙江 湖州 313211；3.日鐵咨詢（北京）有限公司上海分公司，上海 200040）

0 引 言

在市政建筑、邊坡治理、地下空間開發等領域，基坑支護得到了廣泛應用。目前，國內的基坑支護結構形式有TRD工法樁、灌注樁、PC工法組合鋼管樁、HC工法樁及鋼板樁等[1-4]。

深基坑工程中的常用結構為灌注樁和SMW工法樁，但時常出現滲漏現象。PC工法樁質量可靠，但其成功應用需專業設備。鋼板樁具有綠色可循環、工期短、可有效止水等特點，因此受到了廣泛關注，但是目前國內市場上流通的鋼板樁無法直接應用在深大基坑中。

H型鋼慣性矩大，截面的分配合理，截面力學性能好，具有抗彎剛度大、工期短、綠色可回收、鋼材用量省等特點[5-11]。帽型鋼板樁與普通鋼板樁相比具有輕量化、止水性好等特點。單位長度900 mm寬帽型鋼板樁比400 mm寬普通鋼板樁用鋼量減少約15%，且單位長度900 mm寬帽型鋼板樁鎖口數約為400 mm寬普通鋼板樁鎖口數的44%。

帽型H型鋼嵌合型組合樁是將世界上單樁幅寬最大（900 mm）的熱軋帽型鋼板樁（日本制鐵株式會社產品）和H型鋼通過簡易嵌合裝置相互固定形成的組合樁。帽型H型鋼嵌合型組合樁目前已在杭州三里亭36班九年一貫制學校項目（開挖深度6.2 m、1層地下室、粉砂土基坑）和杭政工出[2021]11號地塊（開挖深度9.2 m、2層地下室、黏土基坑）等工程中成功應用。帽型H型鋼嵌合型組合樁在基坑工程中的應用日益廣泛，具有較高的研究價值，而H型鋼與帽型鋼板樁的連接是該組合樁的關鍵，因此本文重點研究了帽型H型鋼嵌合型組合樁的連接方式。

1 帽型H型鋼嵌合型組合樁施工工藝

帽型H型鋼組合樁根據連接方式分為焊接型[12]和嵌合型[13]（見圖1）。傳統的焊接型帽型組合樁，需要用角焊的方式將H型鋼和帽型鋼板樁連接，進而使組合樁共同發揮作用，而工程完成后回收組合樁，又需將組合樁拆分，造成了材料和人員的浪費。區別于傳統的焊接型方式，嵌合型組合樁是通過簡易嵌合裝置組合了H型鋼和腹板厚度薄、慣性矩大的熱軋寬幅帽型鋼板樁（見圖1和圖2）。帽型H型鋼施工方便，可采用振動打樁錘進行打拔。帽型H型鋼嵌合型組合樁的嵌合裝置見圖3，打樁前預先在帽型鋼板樁翼緣內側通長焊接一定寬度的板條；打樁過程中將H型鋼一端翼緣嵌入帽型鋼板樁腹板與加設板條之間而使兩者結合為整體。在組合樁處于工作狀態時，該嵌合裝置的存在能確保帽型鋼板樁與H型鋼相互間不發生脫離；工程完成后回收組合樁，只需將H型鋼與帽型鋼板樁抽離，便于拆分及再次使用。

圖1 帽型H型鋼組合樁連接方式Fig.1 Connection of H+Hat shaped combined steel sheet pile

圖2 帽型H型鋼嵌合型組合樁工程現場Fig.2 Photo of H+Hat shaped embedded steel sheet pile

圖3 帽型H型鋼嵌合型組合樁的嵌合裝置Fig.3 Insertion device of H+Hat shaped embedded steel sheet pile

帽型H型鋼嵌合型組合樁的止水功能由制造精度高、鎖口止水性能好的帽型鋼板樁承擔。出于安全性考慮，可不考慮帽型鋼板樁的剛度貢獻，完全由與之組合的H型鋼承擔。

帽型H型鋼嵌合型組合樁的主要特征如下：

（1）剛度大、規格多樣

嵌合型組合樁完全是由H型鋼來抵抗側向土壓。由于H型鋼與U型鋼板樁相比剛度更大，因此其控制基坑變形的能力更強。

與國產窄幅H型鋼常用最大規格（H-900×300×16×28）組合后，其截面模量可達9 989 cm3/m，力矩可達3 446 kN/m（鋼板樁屈服強度295 N/mm2，H型鋼屈服強度345 N/mm2）?？紤]到H型鋼的市場流通性，通常情況下，帽型鋼板樁會與常用規格的H型鋼（H-700×300×13×24）進行組合設計。

（2）優異的止水性能

本組合樁的連接方式無論是焊接型或是嵌合型，其止水功能都由帽型鋼板樁承擔。帽型鋼板樁由于鎖口熱軋成型制作精度高，因此止水效果好。圖4為本組合樁在武漢市某基坑支護工程中的應用實例。方案采用了帽型H型鋼嵌合型組合樁和鉆孔灌注樁結合三軸水泥攪拌樁的支護結構，并比較了兩種圍護的止水性。圖5中帽型H型鋼嵌合型組合樁止水效果好，未發生漏水現象；而鉆孔灌注樁漏水嚴重，需要在外圍另外施工止水帷幕。

圖4 武漢市某基坑支護工程實例Fig.4 Example of a foundation pit support project in Wuhan

圖5 擋土墻止水性比較Fig.5 Comparison of water-proof performance of retaining walls

（3）施工形式豐富、設備規模小

本組合樁的施工既可采用沖擊錘、液壓錘和振動錘等施工機械，也可采用靜壓靜拔設備施工。嵌合型組合樁的施打是對帽型鋼板樁和H型鋼分別進行的，因此與焊接型組合樁相比，所需的打樁設備規模相對較小。

（4）循環利用、經濟降造、綠色環保

不同于鉆孔灌注樁和SMW工法樁在基坑施工完成后無法回收，本組合樁可綠色循環利用，通過回收利用圍護樁不僅可以減少對環境的影響，也可以降低工程造價。該組合樁施工結束后不會在土層中形成永久障礙物，因此該工法更加綠色環保。

（5）提高使用靈活性、可節約成本

帽型鋼板樁與H型鋼通過簡易嵌合裝置連接的靈活性，使兩者既可成為嵌合型組合樁運用于深基坑支護工程中，又可單獨將帽型鋼板樁運用于淺基坑支護工程中。與此同時，H型鋼作為常規型材，也可單獨靈活運用于基坑支護圍檁部分及水平支撐等場合。這樣就能針對不同深度基坑靈活選取相對應的圍護結構體系，更有助于提升帽型鋼板樁與H型鋼的使用效率。

2 工程應用實例

2.1 工程概況

杭州拱墅區某軟土基坑新建小學及社會停車庫工程，由3棟地上5層的教學樓、1棟地上4層的行政樓、1棟地上5層的食堂及1個地下1層的地下室組成?；铀闹軚|西南北面均為擬建主要道路。最大開挖深度約7.1 m，坑底落于淤泥質黏土層中?；又苓叚h境見圖6。

圖6 基坑周邊環境圖Fig.6 Surrounding environment of the foundation pit

2.2 工程地質條件

工程場地位于沖海積平原區，地形開闊平坦。地基呈水平分布，地面沉降等比較穩定。表層以下20 m主要由雜填土、淤泥質黏土構成。表層約2 m為回填土的堆積，其下層為粉質黏土、淤泥質黏土。地下水位約在地表以下0.7 m。地基土層主要物理力學指標見表1。

表1 地基土層主要物理力學指標Table 1 Physical and mechanical parameters of soil

2.3 帽型H型鋼嵌合型組合樁的設計方案

（1）總體設計方案

本基坑四周均為擬建主要道路，規劃區域范圍內周邊無已建建筑物。在基坑西側部位，由于其地質條件本身相對較差，且需要設置工地出入口，考慮到重型施工機械的影響，采用了剛度很大的PC工法樁結合局部被動區進行加固處理?；游髂喜课患氨眰炔糠謪^域，由于側向支護剛度的需要，采用了剛度較大的帽型H型鋼嵌合型組合樁支護形式。其他基坑區域內采用了常規拉森鋼板樁支護。

（2）帽型H型鋼嵌合型組合樁的設計方案

經分析計算，帽型H型鋼嵌合型組合樁采用長度9 m、型號NS-SP-10H的帽型鋼板樁以及長度為12 m和14 m、型號700×300×13×24的國產H型鋼。該支護墻延長約為300 m，共由340根帽型鋼板樁與224根H型鋼構成。帽型鋼板樁作為止水帷幕，H型鋼作為承擔側向水平力的構件。從經濟性角度出發，首先帽型鋼板樁的設計長度短于H型鋼；與此同時，H型鋼插二跳一的組合方式也能夠降低每延米用鋼量，提高經濟性。帽型H型鋼嵌合型組合樁支護剖面圖和截面圖分別見圖7和圖8。

圖7 帽型H型鋼嵌合型組合樁支護剖面圖Fig.7 Supporting profile of H+Hat shaped embedded steel sheet pile

圖8 帽型H型鋼嵌合型組合樁截面圖（插二跳一）Fig.8 Section of H+Hat shaped embedded steel sheet pile(every two jumping one)

帽型H型鋼嵌合型組合樁的力學性能指標詳見表2。

表2 帽型H型鋼嵌合型組合樁力學性能指標Table 2 Mechanical parameters of H+Hat shaped embedded steel sheet pile

帽型H型鋼嵌合型組合樁由于帽型鋼板樁與H型鋼的可分離性，在二次運輸（進場及出場）過程中能節約存放空間，從而大大提高運輸效率。與此同時，無論是倉庫的保存或現場的臨時堆放，兩種材料可分開疊放保管，因此可大量節約場地占用空間。其次，為確保焊接質量及現場施工的順利進行，嵌合裝置在帽型鋼板樁翼緣兩側的焊接固定作業已在工廠完成，大大提升了施工效率。

2.4 帽型H型鋼嵌合型組合樁的施工

帽型H型鋼嵌合型組合樁采用了專用機械（臂長16.5 m、激振力35 kW）對其分別進行打入，通過現場分析，前期帽型鋼板樁與H型鋼的平均植樁時間分別為2分鐘/根與1分鐘/根。后期每天可完成植樁50套（1套標準組合樁由1根帽型鋼板樁與1根H型鋼組成，施工延長約45 m），故可在短時期內形成鋼質連續墻?，F場打樁情況如圖9和圖10所示，基坑圍護結構完成后場景如圖11所示。

圖9 帽型鋼板樁的打樁情況Fig.9 Construction overview of hat-shaped steel sheet pile

圖11 基坑圍護結構完成后場景Fig.11 Photo after completion of foundation pit bracing structure

2.5 基坑監測

根據本工程監測報告[14]，對周邊環境和土體側向位移等進行監測情況來看：深層土體水平累計位移27.05 mm，地表累計沉降16.02 mm，均未超過警戒值，表明該工程的基坑圍護設計及施工均是成功的。

3 結 論

通過帽型H型鋼嵌合型組合樁在軟土基坑的成功應用，主要小結如下：

（1）帽型H型鋼嵌合型組合樁作為基坑支護結構應用于基坑工程是安全有效的。因其剛度由H型鋼和帽型鋼板樁決定，與傳統的拉森鋼板樁相比，變形控制效果更佳。

（2）采用嵌合型組合樁工法，由于帽型鋼板樁與H型鋼的可分離性，能節約運輸時的存放空間，從而大大提高運輸效率，可大量節約場地占用空間。嵌合型組合樁在國內的基坑工程中作了有益嘗試，仍需進一步研究和探討其受力機理。

（3）與傳統基坑支護方案相比，本工法具有施工快速便捷、可重復靈活使用、對周圍環境影響小及經濟性好等優點。

（4）該工法進一步推廣應用尚需制定相關標準、研發專用設備和細化嵌合裝置等。