PHC管樁應(yīng)用于深基坑工程局限性實(shí)踐探析

陳淑芳

(福建省水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘察研究院 福建漳州 363000)

0 引言

預(yù)應(yīng)力管樁具有單樁承載力高、施工速度快、工程造價低、不污染周圍環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于基礎(chǔ)工程中，以承受豎向荷載為主。而在基坑支護(hù)工程中，圍護(hù)樁主要承受土體水平作用力，這就要求樁身具有足夠的抗彎能力，如何將傳統(tǒng)管樁的優(yōu)點(diǎn)應(yīng)用在基坑支護(hù)工程中，同時克服自身抗彎性能不足的缺點(diǎn)，成為一項(xiàng)極具價值的研究[1]。

基于此，本文以福建漳州港某深基坑工程為例，通過設(shè)計方案的比選、設(shè)計與工程實(shí)際應(yīng)用效果幾個方面，探討預(yù)制管樁在深基坑工程中的應(yīng)用及其局限性，為類似工程提供經(jīng)驗(yàn)參考，并對管樁生產(chǎn)、設(shè)計應(yīng)用等環(huán)節(jié)提出建議，擴(kuò)大管樁在基坑工程中的應(yīng)用范圍[2]。

1 工程概況

1.1 項(xiàng)目概況

該工程位于漳州市招商局漳州開發(fā)區(qū)，擬建地下室大部為二層地下室，局部一層地下室，其中負(fù)一層地下建筑面積約38 000m2；負(fù)二層地下建筑面積約29 000m2?；娱_挖深度二層地下室為8.0～9.6m；一層地下室為4.1m～7.2m。

1.2 地質(zhì)概況

根據(jù)該工程地勘報告，基坑支護(hù)影響范圍內(nèi)巖土分層如下：①雜填土，②淤泥，③粉質(zhì)粘土，④土狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖。上層滯水穩(wěn)定水位埋深為3.12m～4.95m。擬建場地地貌類型屬于殘坡積臺地和沖洪積階地的過渡地帶，原為沿海養(yǎng)殖場，整體呈北高南低趨勢，通過回填厚2.0m～9.0m，平均為6.73m雜填土后整平而得，雜填土主要成分為塊石、碎石和粘性土等，塊石、碎石等硬質(zhì)物含量約占60%～90%。塊石、碎石粒徑一般為10cm～30cm，最大可達(dá)100cm以上，雜填土以下有淤泥等軟弱土層，地質(zhì)條件較復(fù)雜。

2 主要基坑支護(hù)技術(shù)問題

(1)擬建場地位于南濱大道以南，寨山六路以東，寨山五路以西，除南側(cè)為該工程的二期用地外，其它各側(cè)基坑邊坡頂邊線均受已建成的道路限制，而地下室開挖深度較深，基坑如出現(xiàn)較大變形將嚴(yán)重影響到周邊道路及埋設(shè)于道路下管線安全。

(2)由于該工程的地質(zhì)情況較復(fù)雜，基坑開挖面積較大，深度較深，雜填土層較厚，且塊石、碎石等硬物質(zhì)含量約占60%～90%，在這種硬物質(zhì)含量很高且厚的地層中鉆孔、成樁普遍存在成孔難、易塌孔等技術(shù)難題，且基坑底部有軟弱下臥土層、水位較淺等不利條件，基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)作為臨時設(shè)施又要比較經(jīng)濟(jì)，這對該基坑工程設(shè)計和施工都提出嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

3 基坑支護(hù)設(shè)計

3.1 設(shè)計方案比選

與該工程類似的基坑工程中，漳州地區(qū)運(yùn)用較多且可行的支護(hù)體系方式主要有以下幾種：

(1)排樁+內(nèi)支撐

優(yōu)點(diǎn)是：技術(shù)成熟，超前支護(hù)，基坑開挖對周邊建(構(gòu))筑物影響小，可靠性高。缺點(diǎn)是：工程造價高，工期長。該基坑同時存在一層地下室與二層地下室，基坑深度差別較大，面積大且不規(guī)則，支撐體系布置困難，選用此方案成本高且設(shè)計困難。

(2)沖(鉆)孔灌注樁+錨索

優(yōu)點(diǎn)是：施工技術(shù)成熟，樁直徑、樁長、配筋率可靈活調(diào)配，適用各類地層，抗彎強(qiáng)度可很好得到保證。缺點(diǎn)是：工程造價高，場地內(nèi)存在較厚雜填土，硬物質(zhì)含量高，沖(鉆)孔灌注樁成孔、護(hù)壁困難，易形成夾泥層、蜂窩、空洞等病害，造成樁身質(zhì)量隱患；另外，鉆孔中需制備大量泥漿，也不利于環(huán)保[3]。

(3)PHC管樁+錨索

優(yōu)點(diǎn)是：與灌注樁相比，PHC管樁具有能夠批量生產(chǎn)、施工速度快、造價相對較低、不產(chǎn)生泥漿等特點(diǎn)。缺點(diǎn)是：管樁對地質(zhì)條件要求較高，不適合應(yīng)用在含有大塊石的雜填土、堅硬土層和風(fēng)化巖等地質(zhì)條件下，受抗彎強(qiáng)度、樁長限制，其支護(hù)深度一般不大。而該工程場地內(nèi)存在較厚且塊石含量較高的雜填土， 若想采用管樁作為圍護(hù)樁，必須先將上部填土挖出才能進(jìn)行管樁施工，或者采用引孔施工，但是引孔造價相對較高，價格優(yōu)勢不明顯。

綜上分析：該工程地質(zhì)情況較復(fù)雜，基坑開挖面積較大，深度較深，基坑工程設(shè)計時考慮到各坑段的地質(zhì)情況、周邊條件和施工可行性，若在基坑?xùn)|、西、南側(cè)采用第二種方案進(jìn)行支護(hù)，測算造價約為2500萬元；若采用第三種方案，其預(yù)算造價約為230萬元。從經(jīng)濟(jì)合理性及類比周邊基坑設(shè)計施工經(jīng)驗(yàn)，且考慮到基礎(chǔ)工程樁采用管樁，最后確定采用第三種方案。具體支護(hù)方案：在圍護(hù)樁施工前，先將上部雜填土挖除，再分別采用管樁+錨索、土釘墻、分級放坡等多種支護(hù)形式配合。該方案既可大大節(jié)約工程造價、節(jié)省工期、保證工程質(zhì)量，又可不干擾土方開挖與地下室施工。具體基坑支護(hù)平面布置如圖1所示。

圖1 基坑支護(hù)平面布置圖

3.2 支護(hù)方案的主要設(shè)計思路及設(shè)計特色

(1)由于雜填土層較厚，且塊石、碎石等硬物質(zhì)含量約占60%～90%，施工前先將水位以上的雜填土挖除，然后在基坑底部周邊挖排水溝和集水坑排水，擬在打排樁的樁位處提前挖出塊石，按設(shè)計坡度進(jìn)行刷坡和噴射砼護(hù)面施工，利用南側(cè)二期用地修設(shè)坡道，使打樁施工設(shè)備能進(jìn)入到基坑內(nèi)施工，以最大限度地減少在雜填土層中的打樁成本。

(2)為使預(yù)應(yīng)力管樁的抗彎強(qiáng)度能滿足抵抗土壓力，控制土體變形的要求，基坑支護(hù)工程在支護(hù)管樁頂部設(shè)置一層預(yù)應(yīng)力錨索，局部剖面設(shè)置兩層預(yù)應(yīng)力錨索，由于冠梁標(biāo)高以下仍有2m～3m雜填土層，因此該基坑支護(hù)設(shè)計建議采用空氣潛孔錘偏心跟管鉆具跟管鉆進(jìn)到雜填土以下地層，然后再用普通的鉆孔設(shè)備施工，有效地解決了雜填土層中施工預(yù)應(yīng)力錨索時無可避免的成孔難、易塌孔等技術(shù)難題。

(3)在硬物質(zhì)含量高的雜填土中施工攪拌樁、旋噴樁等常規(guī)的樁間土支護(hù)方法，基本上是不可行的，基此，該基坑支護(hù)工程采用注漿錨管土釘墻作為樁間擋土支護(hù)形式，同時用泄水管將填土層中少量的滯水引出，并通過排水溝排掉，給樁間土的支護(hù)和排水探尋到一個比較可行的方案。

3.3 典型剖面計算

3.3.1設(shè)計方案簡介

該工程的主要支護(hù)剖面——6-6剖面為例進(jìn)行計算分析，支護(hù)剖面如圖2所示，基坑支護(hù)方案如下：

圖2 典型支護(hù)剖面圖

(1)基坑上級放坡高度為5m，坡比為1∶1.0，坡面內(nèi)掛14#2″×2″鐵絲網(wǎng)，表面采用厚度為50mm的C20噴射混凝土護(hù)面。

(2)圍護(hù)樁采用PHC500-100-AB管樁，樁間距為900mm，樁長為10m。

(3)拉錨結(jié)構(gòu)采用注漿預(yù)應(yīng)力錨索，鉆孔直徑110mm，錨桿體采用φ15.2的全粘接鋼絞線，豎向設(shè)置兩排，第一排設(shè)置在冠梁上，第二排在錨索錨頭處設(shè)置20#槽鋼拼接腰梁，距第一排豎向間距為2.60m，錨索橫向間距為2.70m。

(4)管樁內(nèi)采用C30無收縮細(xì)石混凝土填芯，填芯長度不小于2m。

(5)樁間土設(shè)置一排錨管φ48×3.0，豎向間距為1.50m，長度為2.0m，坡面內(nèi)設(shè)φ8@200×200鋼筋網(wǎng)，表面采用C20噴射混凝土，厚度為100mm。

3.3.2設(shè)計方案計算

基坑支護(hù)設(shè)計計算，采用北京理正軟件設(shè)計研究院的深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)軟件F-(SPW7.0版)，計算參數(shù)如表1所示。

表1 巖土體基坑支護(hù)計算參數(shù)表

開挖至坑底后，計算結(jié)果如圖3內(nèi)力位移包絡(luò)圖、表2內(nèi)力取值表所示。

圖3 內(nèi)力位移包絡(luò)圖

表2 內(nèi)力取值表

3.3.3PHC管樁設(shè)計

從圖3及表2可看出，排樁最大位移為15.72mm，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，滿足要求；樁身最大彎矩Mmax=106.53kN·m(取內(nèi)力設(shè)計值)，根據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ 94-2008)：PHC500-100-AB型管樁的抗裂彎矩檢驗(yàn)值Mcr=121kN·m，極限彎矩檢驗(yàn)值Mu=200kN·m，該樁Mmax=106.53kN·m

4 施工效果及監(jiān)測結(jié)果分析

該工程自2013年12月初開始開挖上級土方，至2014年3月下旬基坑土方開挖完成，歷時約4個月，合計開挖土方約310 000m3。因土方開挖、工程樁施工、基坑支護(hù)等工序能穿插進(jìn)行，一定程度上縮短了施工工期。

至2014年12月20日基坑土方回填完成，經(jīng)專業(yè)的監(jiān)測單位對工程基坑的變形進(jìn)行監(jiān)測，坑頂最大累計水平位移量25mm，樁身最大累計水平位移量15mm，最大累計沉降量5 mm，均未超出預(yù)警指標(biāo)；各個監(jiān)測點(diǎn)的錨索拉力都未超過其軸向拉力設(shè)計值，滿足相關(guān)設(shè)計與規(guī)范要求。從基坑變形監(jiān)測結(jié)果看，該基坑在土方開挖及基坑使用期間總體穩(wěn)定，未出現(xiàn)過基坑險情。

5 管樁作為基坑圍護(hù)樁的局限性及改進(jìn)方向探討

(1)受管樁施工工藝的限制，管樁對地質(zhì)條件要求較高，如若應(yīng)用在含有大量塊石的雜填土層、堅硬土層和風(fēng)化巖等地質(zhì)條件下，存在穿透力弱、易爆樁等缺點(diǎn)，但該工程實(shí)踐表明，該缺點(diǎn)并非不可克服。該工程場地內(nèi)存在較厚的硬物質(zhì)含量高的雜填土，采用先放坡開挖基坑，盡可能挖除雜填土中的塊石，再用錘擊方式施工管樁的方式，解決了管樁不適宜用在塊石占比較高的雜填土中的施工問題，放坡完局部還有2m～3m雜填土，可以利用挖掘機(jī)開挖清除塊石，然后采用錘擊樁也能較為順利地打入管樁，無需進(jìn)行引孔。

(2)抗裂彎矩小是管樁在基坑工程中運(yùn)用的局限性之一，該工程選用PHC500-100-AB型管樁，抗裂彎矩僅為121 kN·m，與灌注樁相比，管樁的抵抗彎矩過小，不適合應(yīng)用于基坑深度較深，土壓力較大的工程，但該工程通過增設(shè)錨索降低管樁的樁身所承受的彎矩，這種樁錨支護(hù)方式是一種比較好的復(fù)合支護(hù)方法，選擇合理的復(fù)合支護(hù)方法，也是提高管樁在基坑工程中應(yīng)用的有效技術(shù)途徑。同時，也可通過管樁樁芯補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)，即利用管樁的內(nèi)徑空間，在樁芯內(nèi)現(xiàn)澆鋼筋混凝土，形成樁芯樁，與原管樁形成一個整體共同工作，從而提高管樁的抗彎強(qiáng)度。

市場上也存在抵抗彎矩較大的管樁，如預(yù)制高強(qiáng)鋼管混凝土管樁(SC樁)、混合配筋預(yù)應(yīng)力混凝土管樁(PRC樁)等通過與鋼管結(jié)合或增加配筋等方式增強(qiáng)管樁的抗彎抗剪性能，但這幾種樁型在漳州地區(qū)的基坑支護(hù)工程中還不多見且價格上不占優(yōu)勢。廠家應(yīng)加強(qiáng)生產(chǎn)工藝技術(shù)創(chuàng)新，通過增加配筋和合理運(yùn)用預(yù)應(yīng)力等方式，生產(chǎn)出抗彎能力好又經(jīng)濟(jì)的預(yù)應(yīng)力管樁，從而促進(jìn)其在基坑支護(hù)工程中的推廣應(yīng)用。

(3)管樁的樁長受運(yùn)輸條件限制，一般不超過15m，管樁接口一般不具備可靠的抗彎性能，所以就決定了管樁只能應(yīng)用于基坑深度較淺的工程中，這也是管樁在基坑工程中運(yùn)用的局限性之一。加強(qiáng)對管樁抗彎接頭的研究，可使其突破樁長的限制。管樁接頭機(jī)械連接技術(shù)現(xiàn)已推廣應(yīng)用，該連接方式不僅可以傳遞壓力，也可承受彎矩、剪力及拉力；同時，也可配合管樁樁內(nèi)填芯補(bǔ)強(qiáng)等方式提高接頭的抗彎抗剪性能，但機(jī)械連接接頭成本較高，且其是否能承受基坑水平荷載還有待今后研究試驗(yàn)和工程實(shí)踐。

6 結(jié)語

通過不同支護(hù)形式的對比，結(jié)合該工程的實(shí)際應(yīng)用及對管樁局限性的淺析，作出以下總結(jié)：

(1)基坑支護(hù)設(shè)計方案的選擇對工程造價的影響非常大，有時甚至?xí)??；庸こ掏ㄟ^選擇合理的復(fù)合支護(hù)方案，可以取得很好的經(jīng)濟(jì)效益，且能大大縮短工期。

(2)現(xiàn)階段預(yù)應(yīng)力管樁在基坑支護(hù)工程的應(yīng)用中，存在對地質(zhì)條件要求高、抗彎能力較弱、樁長短且不適宜接樁等缺點(diǎn)，導(dǎo)致其只適用于深度較小的基坑工程中，適用范圍有很大的局限性。

(3)通過對管樁局限性的淺析，可以從以下方面進(jìn)行改進(jìn)，以促進(jìn)預(yù)應(yīng)力管樁在基坑工程中的推廣應(yīng)用：①可以通過選擇合理的復(fù)合支護(hù)方式或采用樁芯補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)等方式，從設(shè)計應(yīng)用上調(diào)整方案，擴(kuò)大管樁在基坑支護(hù)工程中的應(yīng)用范圍；②管樁生產(chǎn)廠家應(yīng)加強(qiáng)生產(chǎn)工藝技術(shù)創(chuàng)新，通過增加配筋和合理運(yùn)用預(yù)應(yīng)力等方式，生產(chǎn)出抗彎能力好又經(jīng)濟(jì)的預(yù)應(yīng)力管樁；③加強(qiáng)對管樁接頭的研究，從而突破樁長的限制，使管樁更好的運(yùn)用于較深的基坑工程中。