先張法預(yù)應(yīng)力工型樁力學(xué)特性及其工程應(yīng)用

徐漢東， 李志剛,， 姚和康， 顧榮軍， 惲 疆

(1. 常州市建筑科學(xué)研究院集團(tuán)股份有限公司， 江蘇 常州 213001；2. 揚州大學(xué) 建筑科學(xué)與工程學(xué)院， 江蘇 揚州 225127)

近年來，城市化進(jìn)程中對土地資源的占用問題越來越突出，支持城市地下空間的開發(fā)成為解決土地資源占用的合理方案之一。城市地下空間發(fā)展所帶來的大量已有基坑工程的存在使得新建基坑支護(hù)技術(shù)難度不斷加大，傳統(tǒng)重力式擋墻已經(jīng)不能滿足變形控制的要求。此外，基坑工程受施工場地的制約，在安全的前提下限制了支護(hù)結(jié)構(gòu)的厚度。因此，基坑支護(hù)形式逐步向施工占地小、強(qiáng)度高、抗變形能力強(qiáng)的板樁式過渡[1]。板樁式代表性支護(hù)形式主要為鋼板樁與混凝土板樁墻。鋼板樁應(yīng)用于工程時缺點主要在于防水要求較高，施工時打拔樁噪聲大、振動大，容易引起土體移動，導(dǎo)致周圍地基出現(xiàn)較大沉陷[2,3]。傳統(tǒng)混凝土板樁墻以混凝土灌注樁應(yīng)用最為廣泛[4]，但其后期需要較長養(yǎng)護(hù)時間，對工程進(jìn)度影響較大。

在此前提下，日本提出了一種新型水泥土攪拌樁墻(Soil Mixing Wall，SMW)工法，有效地結(jié)合了兩種支護(hù)形式的優(yōu)點，利用水泥土的止水性能和型鋼的高強(qiáng)度特性形成一種抗?jié)B性好、剛度高的基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)[5]，但該工法存在后續(xù)拔除對環(huán)境影響相對較大、且受場地限制的弊端。為解決后期拔除對工程的影響，利用預(yù)制樁代替型鋼內(nèi)插于水泥土止水墻中，并通過工廠化生產(chǎn)提高了樁體強(qiáng)度，縮短了現(xiàn)場施工時混凝土樁養(yǎng)護(hù)時長[6～8]?，F(xiàn)階段，對于預(yù)制樁的研究著重于樁體是否滿足支護(hù)體系的穩(wěn)定性問題。支護(hù)樁的截面合理性與材料強(qiáng)度是影響支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的主要誘因，隨著截面慣性矩的增加材料用量也增加，彈性模量的增加也必須提高混凝土等級[8]。因此，在盡可能降低材料耗損和建筑能耗基礎(chǔ)上滿足基坑穩(wěn)定性需求是預(yù)制樁能否在基坑工程中運用的重要前提。先張法預(yù)應(yīng)力工型混凝土板樁(以下簡稱工型樁)采用非常規(guī)工字型、雙軸對稱截面形式，結(jié)構(gòu)合理，擋土面大，混凝土材料需求較傳統(tǒng)矩形樁有所縮減。對同結(jié)構(gòu)形式后張法工型樁[9]而言，該樁預(yù)應(yīng)力筋采用均布形式，預(yù)應(yīng)力筋分布更為合理，在相同配筋率情況下，樁身混凝土材料由C60降為C50，在混凝土等級降低的同時，抗彎和抗剪性能均有所提高，驗證了先張工型樁結(jié)構(gòu)形式的合理性。先張法采用工廠流程化施工，相較于后張法的現(xiàn)場施工形式，進(jìn)一步保證了成樁的質(zhì)量。作為一種新型支護(hù)樁該樁已經(jīng)在常州[10]、南昌[11]與泰興[12]所建軟土基坑工程中進(jìn)行了應(yīng)用，在這類基坑支護(hù)工程中該樁都表現(xiàn)出良好的支護(hù)性能。

為進(jìn)一步研究工型樁在基坑支護(hù)中的適用性，本文通過對工型樁進(jìn)行室內(nèi)抗彎、抗剪性能力學(xué)測試，并結(jié)合工型樁在常州半微電子地下車庫基坑支護(hù)工程中的實施情況提出入土深度等效設(shè)計方法，并以監(jiān)測數(shù)據(jù)為依據(jù)闡述其在基坑支護(hù)工程中應(yīng)用的實際效果?？蔀楣ば蜆断蛲愋蛙浲粱右约芭c其他工法組合支護(hù)體系推廣提供參考。

1 力學(xué)試驗

1.1 試驗依據(jù)與裝置

工型樁抗裂彎矩、正截面抗彎承載力和斜截面抗剪承載力的理論計算公式參見規(guī)范[13]中工(T)字型鋼筋混凝土構(gòu)件。力學(xué)試驗依據(jù)國家規(guī)范[13]進(jìn)行，抗彎與抗剪試驗裝置如圖1所示。

圖1 工型樁試驗裝置/mm

1.2 抗彎試驗

圖2 工型截面配筋形式及截面參數(shù)/mm

表1 抗彎試驗樁相關(guān)參數(shù)

1.2.1 試驗過程

試驗樁在試驗設(shè)備上安裝好后，開始施加荷載，當(dāng)荷載增加至抗裂彎矩設(shè)計值時，按抗裂彎矩5%的級差繼續(xù)加載。直至樁身出現(xiàn)裂紋，記錄此時的加載值。繼續(xù)進(jìn)行試驗，當(dāng)荷載增加至極限彎矩設(shè)計值時，按極限彎矩5%的級差繼續(xù)加載，并及時測量裂紋寬度。最終，兩根試驗樁受拉區(qū)裂紋寬度均超過1.5 mm分別達(dá)到1.81，1.60 mm時，認(rèn)定樁體已達(dá)到承載力極限狀態(tài)。試驗過程中樁體并未出現(xiàn)鋼筋拉斷、受壓區(qū)混凝土破壞等狀態(tài)，并且兩根測試樁的破壞過程和形狀基本一致。1a樁抗壓極限狀態(tài)下裂紋具體展開情況如圖3所示，所對應(yīng)的樁身破壞示意圖如圖4所示。

圖3 樁身裂紋展開分布

圖4 樁身破壞示意

1.2.2 結(jié)果分析

通過對工型樁的抗彎性能進(jìn)行試驗，根據(jù)抗裂荷載與極限荷載的評定標(biāo)準(zhǔn)，測定工型樁的載荷-撓度關(guān)系曲線如圖5所示。工型樁試驗彎矩按式(1)計算。

M=0.25P(0.6L-2a)+0.025WL

(1)

式中：M為彎矩；P為垂直荷載(裝載設(shè)備重量參與計算)；L為樁長；a取1/2倍的加載跨距，本試驗取0.5 m；W為板樁質(zhì)量。

圖5 抗彎試驗荷載-撓度曲線

計算得出該抗彎試驗1a，1b的抗裂彎矩都是391.2 kN·m，計算得出實測試驗極限彎矩為1099，1150 kN·m，平均值為1124.5 kN·m。根據(jù)規(guī)范[14]，設(shè)計彎矩極限值=1.35×彎矩設(shè)計值，則設(shè)計彎矩極限值為1014.55 kN·m。對比兩次試驗結(jié)果，彎矩極限平均值與設(shè)計彎矩極限值的誤差約為9.7%，相對而言，理論設(shè)計值比試驗值略為保守。同截面形式與配筋率后張法樁的相關(guān)文獻(xiàn)[10]指出，試驗所得樁體抗彎極限承載力實測平均值為1099.8 kN·m，相比之下，先張法極限抗彎承載力試驗值提高了約2.2%。采用工廠預(yù)制先張法相較于現(xiàn)場施工后張法可提高該樁型的抗彎承載能力。

1.3 抗剪試驗

本次抗剪試驗共制作試驗樁2根，編號分別為2a，2b，樁長5 m，截面配筋形式、混凝土、鋼絞線、鋼筋等用材均與抗彎試驗樁相同，具體配筋、布筋等相關(guān)參數(shù)見表1，所用樁型抗剪承載力設(shè)計值為394.76 kN。

1.3.1 試驗過程

試驗樁在試驗設(shè)備上安裝好后，開始施加荷載，觀察隨著荷載的增加樁身裂紋展開情況，并測出極限剪力值。在測試過程中，按使用狀態(tài)負(fù)荷的20%為級差將載荷從零加值80%，每級負(fù)載持續(xù)5分鐘。加載結(jié)束樁身出現(xiàn)沿樁身45°左右展開的斜裂紋。繼續(xù)按使用狀態(tài)荷載值10%的級差加載至該值的100%，隨著加載的進(jìn)行，樁身裂紋不斷延伸，此時樁身未達(dá)到極限剪力狀態(tài)，之后按極限剪力值5%的級差繼續(xù)加載，最終兩根試驗樁沿斜截面形成斜拉破壞，樁身箍筋或彎起筋與斜裂紋交匯處裂紋寬度分別為1.18，1.02 mm，此時認(rèn)為樁體已達(dá)到抗剪極限狀態(tài)。2a樁抗剪極限狀態(tài)下裂紋具體展開情況如圖6所示，所對應(yīng)的樁身破壞示意圖如圖7所示。

圖6 樁身裂紋展開分布

圖7 樁身破壞示意

1.3.2 結(jié)果分析

通過對工型樁的抗剪性能進(jìn)行測試，測得工字樁的荷載、裂紋寬度之間的關(guān)系如圖8所示。工型樁抗剪剪力按式(2)計算：

Q=Pc/2

(2)

式中：Q為抗剪剪力(kN)；Pc為外加試驗荷載(kN)。

圖8 抗剪試驗荷載-裂縫寬度曲線

計算得出抗剪試驗中2a，2b樁極限剪力實測值分別為590，647 kN，平均值為618.5 kN。按照規(guī)范[14]，設(shè)計剪力極限值=1.4×剪力設(shè)計值，計算得設(shè)計剪力極限值為552.66 kN。比較試驗結(jié)果，設(shè)計剪力極限值與試驗平均值誤差約為10.6%，相對而言，理論設(shè)計值略為保守。同截面與配筋率后張法樁相關(guān)文獻(xiàn)[10]指出，試驗所得樁體抗剪極限承載力實測平均值為613.05 kN，采用先張形式張拉樁體抗剪能力有所提升。

總結(jié)先張法預(yù)應(yīng)力工型樁抗彎和抗剪試驗結(jié)果，可知理論計算均偏于保守，但可滿足基坑工程中對支護(hù)樁選用預(yù)留安全系數(shù)的要求，該樁型設(shè)計計算方法也可以滿足工程設(shè)計的要求。試驗結(jié)果證明該樁相比同形式后張法預(yù)制的樁，樁身混凝土材料由C60降為C50，在混凝土等級降低的同時，抗彎和抗剪性能均有所提高，驗證了該先張結(jié)構(gòu)形式更為合理。為進(jìn)一步展示該樁的支護(hù)性能，文章結(jié)合實際工程分析在實際支護(hù)工程中的應(yīng)用效果。

2 基坑支護(hù)工程實例

2.1 工程概況

某工程建于常州市廣化街北側(cè)，東臨京杭大運河，西臨勞動西路。工程總建筑面積約40.6萬m2(地上約30萬m2，地下10.6萬m2)。基坑工程設(shè)計深度11.35～12.05 m，支護(hù)結(jié)構(gòu)安全等級為二級。工程區(qū)域位于長江下游沖積平原，地貌類型單一。地層參數(shù)由地勘報告給出，具體參數(shù)見表2。場地穩(wěn)定地水位埋深為0.60～2.50 m，主要為上層滯水和承壓水。上層滯水位于雜填土層，承壓水層主要為粉土和粉砂層。大氣降水、場地周邊明河塘、運河等地表水系為主要補(bǔ)給源。

表2 地層參數(shù)表

2.2 支護(hù)設(shè)計

2.2.1 設(shè)計方法

工型樁為非常規(guī)工字型截面，目前對于這一樁型沒有相關(guān)規(guī)范進(jìn)行基坑支護(hù)計算。本工程借鑒SMW工法的計算方法，采用等效剛度設(shè)計原則，將工型樁折算成等效鉆孔灌注樁的形式進(jìn)行計算，水泥土剛度作為墻體剛度儲備[14]。設(shè)等效鉆孔灌注樁直徑為d，慣性矩Iz=πd4/64，按等效剛度的原則可得：

EcsIcs=EzIz

(3)

(4)

式中：Ecs，Ics分別為預(yù)制預(yù)應(yīng)力板樁的彈性模量與慣性矩；Ez為等效鉆孔灌注樁對應(yīng)的混凝土彈性模量。

2.2.2 支護(hù)方案選擇

采用工型樁區(qū)域周邊環(huán)境較為復(fù)雜，臨近建(構(gòu))筑物較多，需嚴(yán)格控制基坑變形。工程采用水泥土內(nèi)插工型樁+錨索與放坡開挖支護(hù)相結(jié)合的形式，開挖深度為11.85 m，其中樁頂2.5 m以上位置放坡，采用掛網(wǎng)噴漿處理放坡面層。

本次支護(hù)結(jié)合公式(3) (4)進(jìn)行等效設(shè)計，利用規(guī)范中鉆孔灌注樁的設(shè)計方法來計算入土深度。工型樁選用彈性模量Ecs為3.45×104N/mm2的C50混凝土，計算得出工型樁慣性矩Ics為1.07×1010mm4。令等效為混凝土等級為C30、樁徑為d的鉆孔樁，C30混凝土彈性模量Ez為3.0×104N/mm2，計算出灌注樁直徑d≈700 mm。采用線彈性地基反力法，計算出鉆孔灌注樁的入土深度為22 m，則工型樁的入土深度取22 m。按設(shè)計要求采用隔一布二的排布形式，工型樁支護(hù)結(jié)構(gòu)剖面圖如圖9所示。水泥土樁根據(jù)設(shè)計要求埋深為23.5 m，直徑為850 mm，單樁間距為0.6 m。

圖9 支護(hù)體系剖面

3 基坑監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

工程采用多種工法相結(jié)合進(jìn)行支護(hù)，其中工型樁支護(hù)區(qū)域主要為勞動西路東側(cè)支護(hù)段，該段主要分三個工況進(jìn)行：(1)放坡開挖；(2)水泥土攪拌樁施工并按隔一布二的形式插入工型樁，在樁頂處配合預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)，開挖至樁體深度4 m處；(3)進(jìn)行第二道錨索支護(hù)，并開挖至基坑設(shè)計深度，監(jiān)測點分別在工型樁支護(hù)段兩側(cè)與中間處選取三處，支護(hù)段平面圖及監(jiān)測處具體位置如圖10所示。由于放坡開挖先于樁體支護(hù)，監(jiān)測數(shù)據(jù)中未將工況一進(jìn)行統(tǒng)計。

圖10 支護(hù)段及監(jiān)測位置

3.1 工型樁側(cè)向位移

圖11為工型樁支護(hù)段樁身側(cè)向位移量監(jiān)測值。由圖可知，監(jiān)測點側(cè)向位移量較小，且變化穩(wěn)定，表明支護(hù)結(jié)構(gòu)是穩(wěn)定的。樁身水平位移變形主要集中于中上部，下端未出現(xiàn)明顯位移，最大側(cè)向位移量為23.22 mm，呈現(xiàn)“鼓出狀”，主要位移分布在樁端向下6.0～10.0 m之間。引起以上分布特點的位移是由于上部主動土壓力造成樁體側(cè)移，入土處被動土壓力限制移動所造成的。依據(jù)監(jiān)測規(guī)范[15]中二級基坑支護(hù)工程最大水平位移控制值應(yīng)小于50 mm，同時小于0.004倍基坑深度值，可知基坑支護(hù)變形在可控范圍內(nèi)。由此說明工型樁支護(hù)效果明顯，工型樁插入深度設(shè)計合理，文中采用的等效灌注樁的設(shè)計方法是可取的。

圖11 樁身側(cè)向位移監(jiān)測值

3.2 基坑周邊沉降

圖12為基坑外側(cè)地面距開挖處不同距離位置的最終沉降總量。由圖可知，基坑外側(cè)沉降最大處距開挖處8 m左右，此處臨近商業(yè)廣場與城市道路荷載影響交接處，相較外荷載較大，因此沉降也是最大的，最大沉降量在22.9 mm左右。開挖外側(cè)沉降量以距開挖處8 m的位置為中心，近基坑處由于樁體支護(hù)效果的影響，使得此處土體沉降量較小，遠(yuǎn)基坑處，外部荷載影響較小土體沉降量也較小，曲線總體近似“勺型”，基坑外側(cè)地面沉降量總體在可控范圍內(nèi)，符合相關(guān)規(guī)范的要求。

圖12 基坑外側(cè)地面沉降值

3.3 樁頂沉降

通過對工型樁支護(hù)段樁頂沉降情況進(jìn)行監(jiān)測，得到樁頂?shù)睦塾嫵两盗咳鐖D13所示。由圖可知，樁頂最大沉降值為15.7 mm。通過監(jiān)測數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)樁頂?shù)某两盗颗c開挖過程有關(guān)，在開挖第二道錨索支護(hù)處，沉降值有一個明顯的增大，在開挖至坑底后數(shù)值又再一次地增大，隨著基坑底板的施工完成，變形趨于穩(wěn)定。樁體總體沉降較小，在開挖時出現(xiàn)沉降變化，開挖結(jié)束后樁體則趨于穩(wěn)定，工字樁支護(hù)效果明顯，可以為軟土地基基坑支護(hù)提供應(yīng)用參考。

圖13 樁頂?shù)睦塾嫵两盗?/p>

4 結(jié) 論

依據(jù)相關(guān)規(guī)范對先張法預(yù)應(yīng)力工型樁進(jìn)行力學(xué)性能試驗，并對運用該類型樁進(jìn)行支護(hù)的實際基坑工程進(jìn)行監(jiān)測。通過對該樁力學(xué)試驗結(jié)果及基坑應(yīng)用監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，得出以下結(jié)論：

(1)先張法預(yù)應(yīng)力工型混凝土板樁在力學(xué)試驗過程中，裂縫寬度增長緩慢，在抗彎、抗剪極限狀態(tài)下裂縫寬度最大值僅分別為1.81，1.18 mm，對比同截面與配筋率后張法工型樁，樁體抗彎、抗剪極限承載力均有所提高，先張法更為合理。同時，該樁的承載力設(shè)計值也符合實際基坑支護(hù)要求。

(2)工型樁內(nèi)插于水泥土樁組合支護(hù)體系作用明顯，基坑變形量較小，樁體最大側(cè)向位移量為23.22 mm，支護(hù)外側(cè)土體最大沉降量為 22.9 mm，達(dá)到了二級基坑支護(hù)工程中對變形控制的要求。此體系是可行的，符合基坑支護(hù)要求。同時表明，文中采用的等效灌注樁的設(shè)計方法計算入土深度是可取的。

(3)從監(jiān)測數(shù)據(jù)反饋效果顯示，工型樁結(jié)合錨索支護(hù)體系效果良好，該工程中采用工型樁結(jié)合其他支護(hù)工法施工組合形式較為合理。除本工程所使用的組合支護(hù)方式外，該工型樁還可結(jié)合地下連續(xù)墻、灌注樁等工法施工，后續(xù)結(jié)合各類工法的支護(hù)體系適用性需進(jìn)一步探索。