PHC管樁在深厚軟土地區(qū)駁岸擋墻中的應(yīng)用研究
——以福州青口某工程為例

石金華

(福州市建筑設(shè)計(jì)院 福建福州 350001)

0 引言

福州屬于河口盆地，整個(gè)城市的發(fā)展與閩江烏龍江等水系關(guān)系密切，隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，許多沿河建筑拔地而起，在建設(shè)過程中，為了保證場(chǎng)地的安全，臨河面通常需要設(shè)置駁岸。駁岸根據(jù)場(chǎng)地周邊環(huán)境等條件選取不同的支護(hù)型式，當(dāng)場(chǎng)地空間允許，一般以生態(tài)護(hù)岸為主。當(dāng)場(chǎng)地局限時(shí)，一般以重力式擋墻為主，擋墻下采用沖(鉆)孔灌注樁或者水泥土攪拌樁加固[1-2]。然而，在福州一些地區(qū)，由于深厚淤泥存在，若灌注樁或水泥土攪拌樁樁底未達(dá)到穩(wěn)定地層，駁岸擋墻的工后沉降往往非常大。先張法預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土管樁(以下簡(jiǎn)稱PHC管樁)作為當(dāng)前承受豎向荷載的一種主力樁型，在駁岸擋墻支護(hù)中應(yīng)用的卻不多，主要是因?yàn)楣軜兜乃匠休d力較低；因此，如何在具體的駁岸擋墻設(shè)計(jì)中，既充分發(fā)揮PHC管樁豎向承載力，又能最大程度利用PHC管樁的水平承載力，值得探討。本文以福州青口某項(xiàng)目的駁岸擋墻工程為例，根據(jù)該項(xiàng)目特點(diǎn)和現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，探索PHC管樁在駁岸擋墻中的實(shí)際應(yīng)用。與傳統(tǒng)的駁岸擋墻支護(hù)型式相比，該方案節(jié)省了工期和造價(jià)，減少了工后沉降，為今后類似工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)提供借鑒。

1 工程概況

福州青口某項(xiàng)目，位于福州市青口尚干祥謙3鎮(zhèn)交界處，場(chǎng)地北側(cè)為新榕路，南側(cè)為民房，東西兩側(cè)分別為淘江及其支流青潭溪。該項(xiàng)目由8棟33層住宅樓及其裙樓開閉所組成，下設(shè)一層聯(lián)體地下室，地下室面積約25 146m2，地下室底板面標(biāo)高為黃海高程1.75m。淘江屬潮汐河，日平均最低水位為0.50m，日平均最高水位為3.70m，場(chǎng)地東西兩側(cè)毗鄰淘江及其支流，系淘江堤岸，因建筑規(guī)劃需要，該項(xiàng)目場(chǎng)地將整平至7.00m，淘江后期清淤至0.00m，因此將形成高7.00m的臨空面。

2 工程地質(zhì)水文條件

2.1 工程地質(zhì)條件

根據(jù)勘察報(bào)告，駁岸擋墻影響范圍內(nèi)巖土層，由上到下分述如下：

①雜填土：黃色，濕-飽和，松散為主，為新近堆填，以粘性土為主，含建筑垃圾30%～50%，堆填時(shí)間約1～5年，厚度5.5m。

②淤泥-淤泥質(zhì)土：深灰色灰黑色，流塑，飽和，局部夾0.5cm～10cm厚或薄片狀粉細(xì)砂層，厚度26.0m。

③卵石：灰黃色淺灰色青灰色，飽和，稍中密為主，局部有夾層地段或?qū)禹斉c上部淤泥層直接接觸地段，呈松散狀態(tài)，為沖洪積成因。卵石粒徑大多為2cm～10cm，呈次棱角狀次圓狀，個(gè)別大于10cm(個(gè)別較大可達(dá)25cm)，充填石英砂平均約20%，含少量粘性土，厚度9.0m。

根據(jù)巖土工程勘察報(bào)告，土體物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 土層計(jì)算參數(shù)

2.2 工程水文條件

該工程影響范圍內(nèi)地下水類型，按埋存條件劃分為上層滯水(潛水)和承壓水兩種類型。上層滯水(潛水)主要賦存于填土中，水量主要受大氣降水補(bǔ)給，水量一般不大。承壓水主要賦存于卵石中，卵石層埋深較深，承壓水對(duì)該工程無(wú)影響。該工程中的駁岸擋墻緊鄰淘江，系淘江堤岸，淘江為潮汐河且水流量大，日平均最高水位為3.70m，20年一遇洪水位為4.47m，漲潮水位和洪水位對(duì)駁岸擋墻施工影響較大。

3 駁岸擋墻設(shè)計(jì)

該項(xiàng)目東西兩側(cè)地下室外邊界線，距離河道藍(lán)線較近，河道藍(lán)線外側(cè)斜坡原始坡度10°～30°，場(chǎng)地空間有限。若按傳統(tǒng)的重力式擋土墻結(jié)合沖(鉆)孔灌注樁的支護(hù)型式，工期較長(zhǎng)，造價(jià)相對(duì)較高；同時(shí)，淘江在漲潮期水位達(dá)到3.70m，需設(shè)置圍堰，以保證重力式擋土墻施工期間不受潮水影響。另外，擋墻與地下室外墻線間為后期小區(qū)道路，若采用重力式擋墻，擋墻與地下室外側(cè)間土體則另需加固，否則，后期淤泥固結(jié)沉降較大，維護(hù)成本較高。

綜合該工程地質(zhì)水文條件及周邊環(huán)境影響，經(jīng)過經(jīng)濟(jì)工期等方面比選，駁岸擋墻最終采用PHC管樁+扶壁式擋土墻+生態(tài)板樁的支護(hù)型式，支護(hù)剖面如圖1所示。其中，管樁采用PHC 500-125(AB/A)，管樁間距和排距均為2.25m，樁長(zhǎng)28m，且進(jìn)入卵石層不小于1.0m，扶壁式擋墻高4.75m。

圖1 支護(hù)剖面

在該支護(hù)體系中，生態(tài)板樁為預(yù)制樁，施工速度快，并且很好地解決了傳統(tǒng)擋墻施工過程中遇到的圍堰施工難度大的問題。駁岸擋墻底板緊貼地下室外墻，并在擋墻墻踵末端設(shè)置反坎立板，有效地減少了上部擋墻傳遞至管樁的水平荷載；同時(shí)，利用管樁承擔(dān)扶壁式擋土墻及填土等豎向承載力，減少了工后沉降。清淤后，管樁不僅受到上部扶壁式擋墻傳遞下來(lái)的豎向力水平力和彎矩，還受到擋墻底部土體的水平作用力。因此，為了較準(zhǔn)確地計(jì)算管樁在各種荷載效應(yīng)作用下的內(nèi)力和變形，本文通過非線性有限元軟件ABAQUS，建立支護(hù)剖面的有限元數(shù)值模型，分析得到清淤后管樁的內(nèi)力和位移分布曲線，并通過有限元強(qiáng)度折減法，計(jì)算支護(hù)剖面的整體穩(wěn)定性。具體論述如下：

(1)施工的可行性是支護(hù)選型的必要考量因素，在支護(hù)剖面中，上部采用扶壁式擋土墻，擋墻底板面標(biāo)高為黃海高程2.7m，在施工駁岸底板及墊層過程中，擋墻基底需開挖至黃海高程1.8m，鄰近的基坑坑底黃海高程為0.85m，均比淘江的日平均最高水位3.70m低，因此，臨時(shí)圍堰的選擇對(duì)駁岸和基坑施工至關(guān)重要。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件，最終在擋墻外側(cè)設(shè)置一道封閉的生態(tài)板樁墻。施工階段的生態(tài)板樁，作為臨時(shí)圍堰兼臨時(shí)懸臂受力構(gòu)件，擋住擋墻外側(cè)水土壓力。在擋墻完工進(jìn)入使用階段后，生態(tài)板樁一方面作為清淤后抵抗河水沖刷的有效措施，另一方面作為擋土構(gòu)件限制擋墻下淤泥向河床方向變形流動(dòng)。

(2)初步布樁過程中，先確定管樁的單樁水平承載力。當(dāng)?shù)鼗了娇沽ο禂?shù)的比例系數(shù)m=2.5MN/m3，水平允許位移10mm，樁的換算深度αh≥4.0時(shí)，樁與承臺(tái)按鉸接考慮，根據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ94-2008)[3]中的5.7.2第6款(式5.7.2-2) PHC500-125管樁單樁水平承載力特征值按下式計(jì)算為：

在支護(hù)體系中，扶壁式擋土墻先行承擔(dān)墻底以上的水平力，再經(jīng)扶壁式擋墻底板傳遞給管樁，當(dāng)支護(hù)采用常規(guī)的扶壁式擋墻，則擋墻計(jì)算高度為4.75m，計(jì)算得到的擋墻傳遞給管樁的水平力合計(jì)98.5kN；若沒有有效措施，初步布樁時(shí)，每延米需要布置管樁2.74根，這將嚴(yán)重增加造價(jià)。為合理減少管樁數(shù)量，降低造價(jià)，結(jié)合該項(xiàng)目特點(diǎn)，扶壁式擋土墻設(shè)計(jì)過程中,在擋墻墻踵末端設(shè)置了2.0m高，并緊貼地下室外墻的反坎立板。此時(shí)，這種異型的扶壁式擋土墻，因前后立板平衡了一部分土壓力。實(shí)際作用在擋墻上的庫(kù)倫土壓力，可按扶壁式擋土墻為2.75m考慮，最后得到的水平力，合計(jì)為36.5kN，即每延米僅需管樁數(shù)量1.02根；按圖1所示支護(hù)剖面設(shè)置管樁，每延米管樁數(shù)量有1.33根，大于1.02根，滿足水平承載力要求；同時(shí)，擋墻底板及其以上填土荷載車載等豎向荷載均由管樁承擔(dān)，減少了后期地面沉降。

(3)在圖1的支護(hù)剖面中，管樁在清淤后的受力最復(fù)雜，管樁不僅受到上部扶壁式擋墻傳遞下來(lái)的豎向力水平力和彎矩，還受到擋墻底以下土體的水平作用力。采用一般的設(shè)計(jì)軟件，難以全面地考慮上述外力對(duì)管樁受力及變形的影響。為此，下文通過非線性有限元軟件ABAQUS建立支護(hù)剖面的有限元數(shù)值分析模型，如圖2所示。模型中的巖土體按莫爾-庫(kù)侖理想彈塑性材料模擬，管樁采用梁?jiǎn)卧M；管樁與扶壁式擋土墻底板連接，采用分布耦合約束模擬；因地下室為獨(dú)立的受力平衡體系，對(duì)駁岸擋墻支護(hù)的受力體系影響較小，為簡(jiǎn)化計(jì)算，地下室整體采用設(shè)置位移邊界條件進(jìn)行模擬。

圖2 支護(hù)剖面模型

扶壁式擋土墻，管樁物理力學(xué)參數(shù)參照混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范匯總?cè)绫?所示。

表2 支護(hù)剖面結(jié)構(gòu)物材料參數(shù)

圖3給出了管樁在清淤后的彎矩剪力分布圖。從圖中可以看到，管樁受到的最大彎矩標(biāo)準(zhǔn)值和剪力標(biāo)準(zhǔn)值，分別為107.8kN·m和74.2kN；對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)值，分別為148.2kN·m和100.2kN，均小于閩2012-G-124[4]中PHC500-125(AB)管樁樁身的受彎和受剪承載力設(shè)計(jì)值186kN·m和273kN，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖3 清淤后1～3#管樁彎矩和剪力分布曲線

清淤后，臨河的1#管樁樁身水平位移最大，在清淤面的水平位移為5.87mm，樁頂水平位移5.398mm，如圖4所示，均小于10mm，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖4 清淤后1～3#管樁樁身水平位移圖

(4)由于后期清淤影響，臨河的1#管樁接近于高承臺(tái)樁基，若扶壁式擋墻下土體產(chǎn)生整體失穩(wěn)破壞，將對(duì)管樁產(chǎn)生較大的剪切力甚至引發(fā)斷樁，從而導(dǎo)致上部扶壁式擋墻失穩(wěn)。因此，下文采用圖2所示的有限元模型，進(jìn)行清淤后的整體穩(wěn)定性分析。穩(wěn)定分析采用有限元強(qiáng)度折減法。目前，采用有限元強(qiáng)度折減法進(jìn)行邊坡穩(wěn)定分析時(shí)，對(duì)失穩(wěn)的判據(jù)主要以土體中出現(xiàn)位移突變(位移拐點(diǎn))且無(wú)限發(fā)展并結(jié)合塑性區(qū)(等效塑性應(yīng)變)臨界貫通為主[5]。設(shè)計(jì)中管樁，按正常使用來(lái)考慮，整個(gè)支護(hù)體系對(duì)管樁樁頂水平位移要求較高，因此，本文以臨河1#管樁樁頂作為特征點(diǎn)，建立1#管樁樁頂水平位移與折減系數(shù)關(guān)系曲線，并以曲線上曲率最大拐點(diǎn)，結(jié)合1#管樁樁頂水平位移10mm對(duì)應(yīng)的折減系數(shù)，作為整體穩(wěn)定安全系數(shù)的判別依據(jù)。圖5給出了1#管樁樁頂水平位移與強(qiáng)度折減系數(shù)的關(guān)系曲線。由圖5可得樁頂水平位移10mm對(duì)應(yīng)的折減系數(shù)Fr為1.50(正好對(duì)應(yīng)位移拐點(diǎn))，大于1.35，滿足規(guī)范要求。圖6為折減系數(shù)Fr=1.50時(shí)支護(hù)剖面的水平位移等值云，由圖6可知，此時(shí)扶壁式擋墻底部土體水平位移最大，與周邊土體位移形成一個(gè)明顯的分界面，此分界面即為潛在滑動(dòng)面。

圖5 1#管樁樁頂水平位移與折減系數(shù)關(guān)系曲線

圖6 Fr =1.50時(shí)支護(hù)剖面的水平位移等值云

4 結(jié)論

(1)生態(tài)板樁相比于傳統(tǒng)的圍堰，施工便捷速度快，同時(shí)因其自身具有一定的樁身強(qiáng)度，既可作為臨時(shí)支護(hù)結(jié)構(gòu)，又可作為后期防沖刷措施和擋土構(gòu)件，近年來(lái)在駁岸擋墻工程中得到了快速推廣。

(2)在駁岸擋墻緊鄰地下室外墻的類似工程中，扶壁式擋土墻墻踵末端設(shè)置緊貼地下室外墻的反坎立板，可以減少扶壁式擋土墻傳遞到PHC管樁上的水平推力；反坎立板的設(shè)置高度，直接影響到每延米管樁的布樁數(shù)量和間距。

(3)PHC管樁，不僅可以作為承受豎向荷載的受力構(gòu)件和減少工后沉降的有效措施，同時(shí)在整個(gè)支護(hù)體系中承擔(dān)主要的水平荷載。因此，管樁在受力過程中引起的內(nèi)力和樁身變位，在樁身強(qiáng)度和允許的位移值以內(nèi)，是保證整個(gè)支護(hù)體系安全的關(guān)鍵。有限元分析表明，受土體水平力及管樁協(xié)同變形影響，臨河前排樁在清淤面彎矩較大，后排管樁樁頂彎矩較大 ，最大彎矩設(shè)計(jì)值接近管樁受彎承載力設(shè)計(jì)值，這也間接說(shuō)明了，擋土墻底板面標(biāo)高的確定應(yīng)綜合考慮管樁樁身強(qiáng)度，設(shè)置過高將會(huì)對(duì)PHC管樁樁身承載力提出更高的要求；設(shè)置過低則使施工階段作為臨時(shí)支護(hù)結(jié)構(gòu)的生態(tài)板樁的尺寸及嵌固長(zhǎng)度變大，兩者均會(huì)導(dǎo)致工程造價(jià)的增加。

(4)采用有限元強(qiáng)度折減法進(jìn)行整體穩(wěn)定分析，建立樁頂水平位移與折減系數(shù)的關(guān)系曲線，以管樁的水平位移控制為準(zhǔn)，將樁頂位移10mm對(duì)應(yīng)的折減系數(shù)，與曲線上的位移拐點(diǎn)對(duì)應(yīng)的折減系數(shù)，取小值判定為穩(wěn)定安全系數(shù)是合理的。