預(yù)應(yīng)力懸臂支護結(jié)構(gòu)在基坑工程中的應(yīng)用

張 穎

(云南建投第一勘察設(shè)計有限公司,云南 昆明 650011)

0 引言

隨著老城區(qū)地下空間的利用程度越來越高，建設(shè)場地的環(huán)境條件日趨復(fù)雜。這些新建建筑普遍設(shè)置2層地下室，開挖深度在10.0 m左右，懸臂排樁支護體系非常適合。但懸臂排樁支護體系變形偏大的缺點，嚴(yán)重威脅周邊建筑物、道路、地下管線安全的問題，需要重點解決。龍湖天瑯中心基坑工程在預(yù)應(yīng)力技術(shù)和施工工藝上做出了成功的探索，希望能對類似工程的設(shè)計和施工中提供一點參考。

1 工程概況

建設(shè)場地位于昆明市主城核心區(qū)，毗鄰環(huán)城南路主干道，東西長115.0 m，南北寬90.0 m，基坑周長417.0 m，整體設(shè)2層地下室，基坑深度9.5 m～10.0 m。項目建筑包括2棟住宅、2棟商業(yè)(辦公)樓及配套用房。

1.1 工程地質(zhì)

基坑施工影響深度范圍內(nèi)的地層主要為第四系全新統(tǒng)人工堆積層、沖洪積層和沖湖積層，見表1。

表1 土層物理力學(xué)指標(biāo)

1.2 水文地質(zhì)

地下水類型主要為孔隙型潛水，穩(wěn)定水位埋深為0.8 m～4.3 m。

地下水主要賦存于①,②1,③2,④2層中，富水性較好、地層滲透系數(shù)較大。

1.3 基坑周邊環(huán)境概況

1)建筑。場地東側(cè)距昆明市第十二中學(xué)6層和7層教學(xué)樓16.0 m，建筑為框架結(jié)構(gòu)，淺基礎(chǔ)。場地西側(cè)距云南省公路局6層職工宿舍11.0 m，建筑為磚混結(jié)構(gòu)，淺基礎(chǔ)。場地北側(cè)距銀杏金川小區(qū)28層民房10.0 m，建筑為框架結(jié)構(gòu)，樁基礎(chǔ)，兩層地下室(見圖1)。

2)道路。場地南側(cè)緊鄰環(huán)城南路，東側(cè)和北側(cè)緊鄰銀杏金川小區(qū)道路。

3)管線。場地周邊市政管線密布，主要有供電、供氣、給排水、雨污水管和電信、照明線路，基坑環(huán)境保護要求高。

2 基坑支護設(shè)計

根據(jù)基坑工程的規(guī)模和所處的環(huán)境條件來分析，本基坑工程具有以下幾個特點：

1)場地狹窄，基坑周邊環(huán)境保護要求高。

2)基坑開挖影響范圍內(nèi)的土層物理力學(xué)性質(zhì)較好，為可塑～硬塑狀態(tài)的黏性土和稍密～中密粉土、礫砂。

3)業(yè)主單位對工期要求高，不希望使用內(nèi)支撐。

2.1 擋土結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

本項目擬建的4棟高層分布于東西兩側(cè)，出土口位于環(huán)城南路側(cè)中段，為減小土方開挖對主體施工的影響，加快主體施工進度，東、北和西側(cè)采用普通懸臂支護排樁，南側(cè)采用預(yù)應(yīng)力懸臂支護排樁。

2.1.1考慮預(yù)留土臺作用

參考文獻[1]～[3]，支護擋土結(jié)構(gòu)前預(yù)留土臺對擋土結(jié)構(gòu)的水平位移起一定限制作用，也可以提高基坑開挖側(cè)一定深度內(nèi)的土體的水平向基床系數(shù)，相當(dāng)于增加了擋土結(jié)構(gòu)的嵌固深度。

參考文獻[4]，在反壓土的高度范圍內(nèi)設(shè)置彈簧以反映對擋土結(jié)構(gòu)水平位移的限制作用；對被動區(qū)坑底以下土進行剛度修正，以考慮反壓土的影響，計算簡圖見圖2。

參考文獻[4]，于任意深度z處的水平向基床系數(shù)按如下方法確定：

當(dāng)：

0≤z≤z0時，k=αβmz

(1)

當(dāng)：

z0≤z≤zL時，k=αβmz0+m(z-z0)

(2)

當(dāng)：

zL≤z≤zc時，k=m(z-z0)

(3)

其中，z為從預(yù)留土臺頂面到計算點的深度，m；z0為預(yù)留土臺的高度,m；m為地基基床系數(shù)隨深度變化的比例系數(shù)；α為預(yù)留土臺的形狀系數(shù)；β為由于預(yù)留土臺存在臨空面，使得土體產(chǎn)生變形，考慮這種影響而引入的松弛修正系數(shù)，可根據(jù)土質(zhì)條件、反壓土頂寬、坡度、高度、降水效果、工期，并結(jié)合經(jīng)驗綜合確定。

當(dāng)0≤z≤z0時，計算得到：αmin=0.90,βmin=0.5；當(dāng)z0≤z≤zL時，計算得到αmin=0.75,βmin=0.85,在0≤z≤zc深度范圍內(nèi)，分布為③1層黏土和③2粉土互層，?、?層黏土m=6.0 MN/m4，③2粉土層m=9.0 MN/m4，對比計算結(jié)果見表2。

表2 驗算成果一覽表

上述結(jié)算顯示，預(yù)留土臺的存在對坑底以上懸臂段支護結(jié)構(gòu)的變形、內(nèi)力起到了明顯地抑制作用。

2.1.2考慮預(yù)應(yīng)力作用

1)擋土結(jié)構(gòu)配筋優(yōu)化。

參考文獻[6][7]，懸臂式擋土結(jié)構(gòu)可視為受彎構(gòu)件,所受彎矩是定向的,可根據(jù)計算結(jié)果只在受拉一側(cè)配置受力鋼筋,而在受壓側(cè)只需配置構(gòu)造鋼筋，受拉鋼筋可用高強度預(yù)應(yīng)力鋼絞線代替。擋土結(jié)構(gòu)在同樣荷載作用下配置高強度預(yù)應(yīng)力鋼絞線的數(shù)量比普通鋼筋的少,而且適當(dāng)?shù)念A(yù)應(yīng)力可減小樁頂位移。為了盡量發(fā)揮預(yù)應(yīng)力筋的作用,可以考慮在配筋角度內(nèi)不均勻布置鋼筋。

根據(jù)文獻[6][7],可推出截面一側(cè)均勻配置預(yù)應(yīng)力筋的計算公式：

(4)

(5)

其中，α1為系數(shù),當(dāng)混凝土強度等級不超過C50時,取1.0,當(dāng)混凝土強度等級為C80時,取0.94,其間按線性內(nèi)插法確定；R為圓形截面半徑；Rs為預(yù)應(yīng)力筋重心所在圓周的半徑；Ac為圓形截面面積；Ap為全部預(yù)應(yīng)力筋的截面面積；σpu為預(yù)應(yīng)力筋的極限應(yīng)力,對無粘結(jié)筋取0.9fpy,fpy為抗拉強度設(shè)計值；α為對應(yīng)于受壓區(qū)混凝土截面面積的圓心角,rad；αs為對應(yīng)于預(yù)應(yīng)力鋼筋分布范圍的圓心角(配筋角度)。

根據(jù)式(5)，受拉側(cè)配置預(yù)應(yīng)力筋所需的預(yù)應(yīng)力鋼絞線面積和配筋角度總體呈正相關(guān)的關(guān)系；當(dāng)配筋角度在90°范圍內(nèi)時，增長速率較緩,當(dāng)配筋角度超過90°增長速率陡增。通過對計算結(jié)果的分析，把配筋角度控制在90°左右可實現(xiàn)較好的經(jīng)濟性和施工便利性。

取αs=π/2時，代入式(5)得：

(6)

根據(jù)式(6)，當(dāng)受拉側(cè)預(yù)應(yīng)力筋設(shè)計參數(shù)不變時，樁所能承受的極限彎矩對樁徑變化更敏感。因此,當(dāng)需要承擔(dān)較大彎矩時,優(yōu)先考慮增大樁的截面以及增加預(yù)應(yīng)力筋的數(shù)量。

根據(jù)式(6)，分別計算直徑為1.5 m的圓形截面在彎矩為1 810.69 kN·m作用下,單側(cè)配置普通鋼筋和單側(cè)配置預(yù)應(yīng)力筋的配筋方案，擋土結(jié)構(gòu)采用C30混凝土,fc=14.3 N/mm2；當(dāng)采用HRB400級普通鋼筋時,fy=360 N/mm2；當(dāng)采用預(yù)應(yīng)力鋼絞線φ15.24(1×7)時,fptk=1 860 N/mm2,fpy=1 320 N/mm2,單根鋼絞線公稱面積為139 mm2，配筋方案見表3。

表3 配筋表

由表3可見,方案一計算的支護樁樁徑、嵌固段深度和配筋量最大，經(jīng)濟性差；方案二(配置普通鋼筋)的計算配筋量大于方案三(配置預(yù)應(yīng)力筋)。方案三與方案二比較，用鋼量減小43.1%,樁頂水平位移減少了19.98 mm，經(jīng)濟優(yōu)勢明顯；由于增加了預(yù)應(yīng)力，它控制樁頂位移的優(yōu)勢與普通鋼筋混凝土支護樁相比是明顯的。支護結(jié)構(gòu)剖面如圖3所示。

2)考慮預(yù)應(yīng)力作用的樁頂位移。

配置預(yù)應(yīng)力鋼絞線時,樁頂HA=0,MA=-Mpe。其中Mpe為預(yù)應(yīng)力鋼絞線引起的有效偏心彎矩,經(jīng)計算得Mpe=845.5 kN·m,樁頂位移XA=22.7 mm。

3)預(yù)應(yīng)力筋構(gòu)造要求。預(yù)應(yīng)力支護樁中配置無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線,采用后張法施工，夾片式錨具作為張拉端，鋼絞線與澆筑的混凝土形成粘結(jié)而作為固定端。鋼絞線與混凝土的粘結(jié)長度可按現(xiàn)行混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范計算。

2.2 施工總體部署

土方和主體施工分四個階段進行,文獻[8][9]。

1)第一階段：土方分層分段開挖至-6.5 m后，進行工程樁施工。

2)第二階段：采用“盆式開挖”法進行土方開挖，周邊預(yù)留土臺采用1∶1放坡，土臺高度和寬度取4.0 m。

3)第三階段：采用分層、分段、跳倉法進行土方開挖施工，挖除東、西和北側(cè)三側(cè)預(yù)留土臺，土方開挖至筏板墊層底后，24 h內(nèi)完成分區(qū)墊層澆筑，7 d內(nèi)完成筏板澆筑，預(yù)應(yīng)力懸臂樁段預(yù)留土堤暫不開挖。

4)第四階段：“盆底”筏板封閉后，按10.0 m～15.0 m分段長度，分層、跳倉開挖預(yù)應(yīng)力懸臂樁段預(yù)留土臺，前序開挖范圍內(nèi)筏板封閉，強度達到設(shè)計要求后方可開挖后續(xù)預(yù)留土臺。筏板邊至支護樁間采用400 mm厚C20素混凝土澆筑，形成板底支撐。

2.3 截水帷幕設(shè)計

根據(jù)樁距不同，與支護樁咬合布置2顆～3顆直徑550.0 mm的單軸水泥土攪拌樁，隔斷坑內(nèi)、外地下水的聯(lián)系。

3 施工過程問題處理

3.1 處理北側(cè)地塊錨索越界問題

基坑北側(cè)(銀杏金川花園小區(qū))段存在相鄰地塊基坑支護時使用的預(yù)應(yīng)力錨索等地下障礙物，原截水帷幕方案無法實施，后期調(diào)整為φ800雙重管高壓旋噴樁(與排樁咬合布置)，順利施工完成。

3.2 處理北側(cè)坑壁局部滲水問題

基坑開挖過程中，在基坑北側(cè)轉(zhuǎn)角處圓礫層中出現(xiàn)一處水量較大的漏水點，水體渾濁，有臭味，經(jīng)調(diào)查確認(rèn)滲漏水體源自一條廢棄的污水管。處理方案首先采用砂袋圍堰蓄水反壓緩解漏水情況，然后在漏水點處排樁外側(cè)采用雙液灌漿處理，漏水點隨即被有效封堵。

2019年5月19日，基坑西側(cè)率先開挖至設(shè)計標(biāo)高，見圖4。

4 基坑監(jiān)測結(jié)果

本項目基坑監(jiān)測項目包括：樁頂位移、土體深層水平位移、支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力、周邊建筑(管線)位移、地下水位等，嚴(yán)格按照既定的施工總體部署組織現(xiàn)場施工。2019年5月，基坑西側(cè)首先開挖至設(shè)計標(biāo)高，同年10月，全部基坑完成回填，典型剖面深層水平位移監(jiān)測結(jié)果，見圖5。南側(cè)預(yù)應(yīng)力懸臂樁支護結(jié)構(gòu)冠梁上每隔20.0 m布置一個樁頂水平位移觀測點(編號：ZD-1～ZD-7)，監(jiān)測數(shù)據(jù)見圖6。

監(jiān)測結(jié)果顯示，土體深層水平位移實測值均小于理論計算值。方案二最大深層水平位移實測值為39.5 mm，方案三最大深層水平位移實測值為19.2 mm，采用預(yù)應(yīng)力懸臂支護樁技術(shù)可大幅度減小支護結(jié)構(gòu)變形。在采用方案二的支護剖面內(nèi)，兩端受相鄰支護樁支承作用變形較小，中部支護結(jié)構(gòu)水平變形最大。

5 結(jié)論

1)在基坑深度不大，預(yù)留土臺范圍內(nèi)土體物理力學(xué)性質(zhì)較好的情況下，基坑內(nèi)側(cè)預(yù)留反壓土是一種經(jīng)濟的支護形式。本文工程實例中，采用預(yù)留土反壓時，降低了懸臂支護樁樁徑、嵌固段深度和配筋量，節(jié)約了投資，滿足了工期要求，現(xiàn)場施工方便、文明。

2)工程實踐表明：預(yù)應(yīng)力懸臂樁技術(shù)與普通懸臂排樁支護結(jié)構(gòu)相比，可以有效地降低含鋼量和支護結(jié)構(gòu)的水平變形，有較大的工程應(yīng)用價值。

3)懸臂支護結(jié)構(gòu)的位移隨著基坑暴露時間和土壓力釋放速率的增加而增加，工程實踐中通過支護工程、土方工程和主體結(jié)構(gòu)施工的密切配合，有效地縮短了基坑暴露時間，土壓力在受控的狀態(tài)下逐漸釋放。監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，懸臂支護結(jié)構(gòu)對周邊環(huán)境的保護是有效的。