傾斜PRC管樁組合支護(hù)結(jié)構(gòu)在基坑工程中的應(yīng)用*

柳 瑤, 賴國(guó)梁, 陳 國(guó), 宋 志, 宮立茂, 侯合強(qiáng), 賈磊柱, 滕 峰

(1 湖北中建三局建筑工程技術(shù)有限責(zé)任公司，武漢 430070；2 中建三局集團(tuán)有限公司工程總承包公司，武漢 430070)

0 引言

在預(yù)應(yīng)力混凝土管樁中加入一定數(shù)量的非預(yù)應(yīng)力鋼筋,形成新型的混合配筋預(yù)應(yīng)力混凝土管樁稱為PRC管樁。PRC管樁具有抗彎、抗剪能力強(qiáng),延性高的特性,且PRC管樁具有樁身質(zhì)量好、施工速度快、低碳環(huán)保、工程造價(jià)低、樁身檢測(cè)方便、工廠化生產(chǎn)等特點(diǎn),因此更適宜應(yīng)用于以受水平力為主的基坑工程中[1]。

將傳統(tǒng)的豎直懸臂結(jié)構(gòu)進(jìn)行一定角度的傾斜,同時(shí)利用冠梁將傾斜樁與懸臂直樁進(jìn)行連接,形成基坑斜直交替支護(hù)體系,由于此支護(hù)體系的重力、剛架及斜撐效應(yīng),可以有效減小樁身水平變形和坑外沉降[2-3]。用適當(dāng)角度的傾斜樁代替原雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)中的前排樁,可有效減小雙排樁變形與內(nèi)力的效果,同時(shí)存在一個(gè)最優(yōu)傾角使樁身變形和內(nèi)力減小效果達(dá)到最佳[4]。馬雪兵等[5]通過有限元方法研究了傾斜雙排樁材質(zhì)與傾角等參數(shù)對(duì)傾斜雙排樁支護(hù)效果的影響,結(jié)果表明前樁外傾后樁垂直的雙排樁形式效果最佳,前排傾斜雙排樁支護(hù)位移隨角度增大逐步減小并收斂。不少學(xué)者通過模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬計(jì)算研究了傾斜樁的受力性狀,結(jié)果都表明傾斜樁在控制樁身變形及內(nèi)力的效果要強(qiáng)于豎直樁[6-8]。

目前對(duì)PRC管樁力學(xué)性能理論研究較多,傾斜樁支護(hù)效果及工作機(jī)理的研究成果也很豐富,但關(guān)于PRC管樁和傾斜樁在基坑工程中應(yīng)用的相關(guān)報(bào)道相對(duì)較少。文獻(xiàn)[2-3]報(bào)道了預(yù)制傾斜方樁在天津某基坑工程中的應(yīng)用,并通過數(shù)值計(jì)算與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)相結(jié)合驗(yàn)證了傾斜樁的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。文獻(xiàn)[9-10]介紹了預(yù)制管樁在基坑支護(hù)中的應(yīng)用,根據(jù)理論計(jì)算與實(shí)測(cè)值對(duì)比分析,驗(yàn)證了預(yù)制管樁用于基坑支護(hù)的可靠性和有效性。李仁民等[11]介紹了雙排高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力混凝土管樁在某基坑支護(hù)工程中的應(yīng)用,實(shí)施效果表明雙排高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力管樁工效高、造價(jià)低,整體性能好,對(duì)控制基坑及周圍環(huán)境變形極為有利。

總之,國(guó)內(nèi)關(guān)于基坑工程傾斜樁支護(hù)應(yīng)用的案例較少,傾斜PRC管樁組合支護(hù)的應(yīng)用更少。本文從設(shè)計(jì)、施工與應(yīng)用效果角度分析仙桃某軟土基坑傾斜PRC管樁組合支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)用案例,研究其支護(hù)效果。

1 工程概況

湖北省仙桃市某項(xiàng)目地上五層,地下部分設(shè)置一層地下室,結(jié)構(gòu)形式為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)(帶有少量剪力墻),基礎(chǔ)形式為靜壓高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力混凝土管樁基礎(chǔ)。基坑普遍開挖深度5.15m(承臺(tái)底),局部電梯井開挖深度7.25m,基坑開挖面積約8700m2,周長(zhǎng)414m。

場(chǎng)地位于仙桃市城南新區(qū),場(chǎng)地地貌單元屬江漢沖積平原,漢江一級(jí)階地,地勢(shì)較為平坦。場(chǎng)地內(nèi)各地層土性描述如下:

(1)素填土層厚0.3～0.9m,主要成分為軟塑狀黏性土,夾植物根莖,偶見磚渣、碎石及生活垃圾,土質(zhì)不均,為新近回填而成,褐黃,松散。

(2)粉質(zhì)黏土夾粉土層厚0.8～2.4m,含少量鐵錳質(zhì)氧化物,夾粉土薄層,層底偶夾粉砂團(tuán)塊,土質(zhì)較均勻,褐黃,軟塑～可塑/中密,中偏高壓縮性。

(3)淤泥質(zhì)黏土層厚2.0～3.4m,含少量腐植質(zhì)及有機(jī)質(zhì),局部夾白色螺殼,層頂偶夾粉砂薄層,土質(zhì)均勻,灰黃,流塑,高壓縮性。

(4)黏土層厚2.4～4.7m,含少量鐵質(zhì)氧化物及高嶺土,土質(zhì)均勻,灰褐,可塑,中等壓縮性。

(5)粉質(zhì)黏土層厚3.1～7.7m,含少量腐植質(zhì),偶夾粉土薄層,土質(zhì)均勻,灰黃,軟塑～可塑,中偏高壓縮性。

(6-1)粉質(zhì)黏土夾粉砂層厚1.0～5.7m,含少量云母碎屑,夾粉砂薄層或團(tuán)塊,土質(zhì)不均,灰色,可塑/松散,中等壓縮性。

(6-2)粉砂夾粉質(zhì)黏土層厚1.2～6.4m,含少量云母碎屑,夾黏性土團(tuán)塊,土質(zhì)不均,分選性較差?；疑?稍密/可塑,中等壓縮性。

(7)粉砂層厚1.0～5.7m,含少量云母碎片、石英,偶夾黏性土團(tuán)塊,黏粒含量較少,土質(zhì)較均勻,分選性較好。灰色,中密,中偏低壓縮性。

本場(chǎng)地地下水主要有兩種類型:一類為賦存于(1)素填土中的上層滯水,主要受大氣降水、生活排放水滲透補(bǔ)給;另一類為賦存于砂層的承壓水,根據(jù)區(qū)域水文地質(zhì)資料,該層承壓水水位和水量較為穩(wěn)定,水量較大,稍有壓力,補(bǔ)給來源主要為漢江及周邊側(cè)向補(bǔ)給。土層參數(shù)詳見表1,其中γ為土的重度,Es和Kv分別為土的壓縮模量和滲透系數(shù),黏聚力C和內(nèi)摩擦角Φ均為直剪固結(jié)快剪指標(biāo)。

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)

2 基坑支護(hù)方案

2.1 支護(hù)方案選擇

支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)置時(shí),應(yīng)保證傾斜支護(hù)樁不與地下結(jié)構(gòu)沖突,對(duì)于傾斜樁與坑內(nèi)工程樁空間碰撞問題,主要是將支護(hù)樁往坑外后退一定距離,對(duì)無法避開的局部區(qū)域,主要是采取避讓措施,將沖突位置傾斜樁調(diào)整為垂直樁。在基坑陰角,為防止傾斜樁在基坑底以下沖突,將此區(qū)域采用垂直支護(hù)樁+角撐形式。支護(hù)樁應(yīng)保證不與地下結(jié)構(gòu)沖突,斜樁在基坑底標(biāo)高以下可侵入地下結(jié)構(gòu)最外輪廓,但應(yīng)避開工程樁或局部深坑等地下結(jié)構(gòu)。

綜上所述,本工程具體支護(hù)方案為:基坑采用PRC-Ⅰ-600-AB(110)管樁支護(hù),在挖深5.25m區(qū)域采用斜直交替支護(hù),在挖深7.25m區(qū)域采用斜直組合雙排樁支護(hù),基坑外側(cè)設(shè)置φ700@900單軸水泥土攪拌樁止水帷幕,攪拌樁長(zhǎng)5.0m,進(jìn)入第(4)層不透水黏土層,雙排樁間采用φ700@500 雙管旋噴樁加固,坑內(nèi)采用管井降水,基坑平面及典型支護(hù)剖面如圖1～3所示。

圖1 平面圖與測(cè)點(diǎn)布置

圖2 斜直交替典型支護(hù)剖面

圖3 斜直組合雙排樁典型支護(hù)剖面

2.2 PRC管樁組合支護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算

目前已有的基坑支護(hù)設(shè)計(jì)軟件并不能滿足計(jì)算傾斜樁受力的需求,故采用PLAXIS 巖土工程專業(yè)有限元軟件,按平面應(yīng)變連續(xù)介質(zhì)有限元方法進(jìn)行分析。根據(jù)土質(zhì)條件及環(huán)境情況選取不同剖面進(jìn)行計(jì)算,有限元分析典型剖面見圖4、5。

圖4 斜直交替計(jì)算模型

圖5 斜直組合雙排樁計(jì)算模型

PRC-Ⅰ-600-AB(110)管樁受彎承載力極限值522kN·m,樁身受剪承載力極限值470kN,根據(jù)有限元計(jì)算提取的支護(hù)樁內(nèi)力位移包絡(luò)值見表2,各區(qū)域樁身彎矩及剪力均小于樁身極限承載力。

表2 支護(hù)樁內(nèi)力位移包絡(luò)值

2.3 預(yù)制樁與冠梁細(xì)部構(gòu)造設(shè)計(jì)

預(yù)制樁與冠梁、前后排預(yù)制樁之間的有效連接是保證管樁組合支護(hù)結(jié)構(gòu)整體受力的關(guān)鍵,傾斜PRC管樁組合支護(hù)結(jié)構(gòu)的冠梁構(gòu)造大樣見圖6。

圖6 冠梁構(gòu)造大樣

對(duì)于斜直交替支護(hù)結(jié)構(gòu),圖6(a)有預(yù)制樁區(qū)域,在冠梁兩側(cè)外擴(kuò)預(yù)制樁頂部分貼近預(yù)制樁各設(shè)置一道通長(zhǎng)暗梁,暗梁部分設(shè)置通長(zhǎng)縱筋及封閉箍筋;圖6(b)無預(yù)制樁區(qū)域,對(duì)整個(gè)冠梁設(shè)置封閉箍筋,封閉箍筋與通長(zhǎng)暗梁縱筋形成冠梁整體配筋。

對(duì)于斜直組合雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu),圖6(c)有預(yù)制樁區(qū)域,在冠梁兩側(cè)外擴(kuò)預(yù)制樁頂部分貼近預(yù)制樁各設(shè)置一道通長(zhǎng)暗梁,暗梁部分設(shè)置通長(zhǎng)縱筋及封閉箍筋,冠梁頂部設(shè)置附加U形鋼筋;圖6(d)無預(yù)制樁區(qū)域,對(duì)整個(gè)冠梁設(shè)置封閉箍筋,冠梁頂?shù)追謩e設(shè)置附加U形筋,封閉箍筋與冠梁兩側(cè)通長(zhǎng)暗梁和前后排樁間通長(zhǎng)暗梁縱筋形成冠梁整體配筋。

支護(hù)樁頂冠梁兩側(cè)暗梁通長(zhǎng)縱筋的設(shè)置,加強(qiáng)暗梁對(duì)支護(hù)樁的約束,防止支護(hù)樁與冠梁連接節(jié)點(diǎn)失效。斜樁兩側(cè)附加的橫向彎起鋼筋,加強(qiáng)預(yù)制樁的抗剪切安全度;冠梁間封閉箍筋的設(shè)置,使封閉箍筋與暗梁鋼筋形成受力體系,從而滿足樁頂傳力要求,使冠梁不產(chǎn)生整體破壞。雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)冠梁頂、底附加U形筋和前后排樁間暗梁設(shè)置,加強(qiáng)了前后排樁間連接,同時(shí)預(yù)制樁頂采取填芯處理,確保受拉樁不與冠梁脫離。

預(yù)制樁頂填芯構(gòu)造大樣見圖7。預(yù)制樁頂內(nèi)設(shè)置5mm厚圓薄鋼板及放入鋼筋骨架,樁頂填芯采用微膨脹混凝土,澆筑填芯混凝土前,應(yīng)先將管樁內(nèi)壁清理干凈,以提高填芯混凝土與管樁樁身混凝土的整體性。斜直交替支護(hù)樁中傾斜樁受壓,直樁受拉,斜直組合雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)中斜樁受壓,后排直樁上部受拉,下部受壓,參考《預(yù)應(yīng)力混凝土管樁》(10G409)圖集中樁頂填芯要求,傾斜樁頂填芯長(zhǎng)度采用1.8m,直樁頂填芯長(zhǎng)度采用3m。

圖7 管樁填芯大樣

3 傾斜PRC管樁組合支護(hù)結(jié)構(gòu)施工

選用傾斜PRC管樁組合支護(hù)結(jié)構(gòu)后,支護(hù)結(jié)構(gòu)施工過程中,尚存在以下幾個(gè)難點(diǎn):

(1)單節(jié)PRC支護(hù)管樁最大樁長(zhǎng)為15m,本次基坑支護(hù)中斜直交替支護(hù)段最大樁長(zhǎng)為17m,斜直組合雙排樁支護(hù)段最大樁長(zhǎng)為18m,因此在施工過程中均需要接樁,須考慮接樁位置及接樁處理。

(2)本項(xiàng)目西側(cè)為市人民政府辦公大樓,東側(cè)為市第一人民醫(yī)院,醫(yī)院內(nèi)存在多種精密儀器,對(duì)場(chǎng)地振動(dòng)非常敏感,周邊環(huán)境保護(hù)要求非常高,因此在工法選擇上需考慮周邊環(huán)境的影響。

(3)PRC管樁屬于部分?jǐn)D土樁,且支護(hù)樁相比工程樁樁間距更小,須采取有效措施減小PRC管樁擠土效應(yīng),保證PRC管樁施工質(zhì)量,防止支護(hù)樁發(fā)生偏位、上浮以及斷樁等問題。

針對(duì)以上幾個(gè)問題,施工過程中所采用的解決方法分別為:

(1)經(jīng)計(jì)算分析,垂直樁樁身彎矩和最大位移處在支護(hù)樁頂部,傾斜樁樁身彎矩及最大位移處在基坑開挖面附近,因此將接樁位置設(shè)置于基坑開挖面以下,且相鄰兩根樁接樁位置錯(cuò)開,以減小接樁對(duì)整個(gè)樁身力學(xué)性能的影響。采用對(duì)稱、分層施焊,使上下兩端PRC管樁連接牢靠,不影響樁身穩(wěn)定性及受力特性。

(2)靜力壓樁工法具有以下優(yōu)點(diǎn):1)無噪聲、無振動(dòng)、無污染;2)可減少振動(dòng)對(duì)地基和相鄰建筑物的影響;3)樁頂不易損壞,沉樁精度高,經(jīng)綜合考慮本項(xiàng)目管樁采用靜力壓樁工法施工。經(jīng)市場(chǎng)調(diào)研傾斜靜力壓樁機(jī)施工成本較高,且機(jī)械設(shè)備運(yùn)輸成本不菲,綜合考慮采用市面上常見的YZY-800型全液壓靜力壓樁機(jī),在不破壞靜力壓樁機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)情況下,將靜力壓樁機(jī)的移動(dòng)壓樁臺(tái)進(jìn)行改造,使得移動(dòng)壓樁臺(tái)達(dá)到15°傾斜,達(dá)到施工傾斜樁的效果,后期可將移動(dòng)壓樁臺(tái)恢復(fù)水平狀態(tài),滿足預(yù)制垂直樁的施工要求。改造后的YZY-800靜力壓樁機(jī)如圖8所示。

圖8 改造后液壓靜力壓樁機(jī)

(3)傾斜PRC管樁組合支護(hù)結(jié)構(gòu)施工時(shí)先將直樁壓至設(shè)計(jì)標(biāo)高,再施工傾斜樁。不同的樁基施工順序應(yīng)為先深后淺、先大后小、先長(zhǎng)后短、間隔沉樁;同時(shí)本項(xiàng)目地下室結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)形式為預(yù)應(yīng)力混凝土管樁,先施壓場(chǎng)地中央的基礎(chǔ)工程樁,后施壓周邊的支護(hù)樁。

4 基坑變形監(jiān)測(cè)

基坑施工前制定了監(jiān)測(cè)方案,主要針對(duì)支護(hù)樁及冠梁的位移監(jiān)測(cè),監(jiān)測(cè)點(diǎn)位布置如圖1所示,深層水平位移監(jiān)測(cè)沿樁身每米一個(gè)測(cè)斜點(diǎn)位。本次監(jiān)測(cè)同時(shí)也是試驗(yàn)過程,用于驗(yàn)證傾斜PRC管樁組合支護(hù)結(jié)構(gòu)的效果,基坑開挖順序?yàn)閺谋毕蚰贤送?2021年11月8日開挖至基底并完成基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)施工,基坑開挖見底時(shí)的現(xiàn)場(chǎng)情況見圖9。

圖9 基坑開挖現(xiàn)場(chǎng)

4.1 冠梁水平位移

圖10為樁頂冠梁水平位移曲線。從圖10可以看出,基坑南北側(cè)前斜后直雙排樁支護(hù)段冠梁位移均較大,冠梁測(cè)點(diǎn)C5水平位移最大,位移達(dá)20.3mm;除測(cè)點(diǎn)C18外,前斜后直雙排樁支護(hù)段冠梁水平位移一般比斜直交替支護(hù)段大。斜直交替支護(hù)段中冠梁測(cè)點(diǎn)C18處支護(hù)樁底位于(6-2)粉砂夾粉質(zhì)黏土層,其余測(cè)點(diǎn)支護(hù)樁底位于(7)粉砂層,(6-2)層壓縮模量較(7)層小,導(dǎo)致測(cè)點(diǎn)C18位移較大。在土方開挖過程中,冠梁水平位移變化速率有明顯增大,但基坑開挖到底后隨著基礎(chǔ)墊層及底板的澆筑,位移變化速率趨于穩(wěn)定。

圖10 冠梁水平位移曲線

4.2 樁體深層水平位移

圖11(a)給出的是斜直交替豎直樁水平位移的監(jiān)測(cè)結(jié)果,隨開挖深度增加,樁身變形逐漸增大,樁頂位移最大,并且隨開挖深度增大,樁頂位移的增大幅度更大,當(dāng)開挖到基坑底后樁頂位移趨于平穩(wěn)。

圖11 深層水平位移曲線(2021年)

圖11(b)給出的是斜直交替傾斜樁水平位移的監(jiān)測(cè)結(jié)果,傾斜樁樁身位移最大位置開始在樁頂,隨時(shí)間推移或開挖深度增加,樁身最大位移下移趨勢(shì)明顯,傾斜樁變形趨勢(shì)類似于樁撐結(jié)構(gòu)變形規(guī)律。隨開挖深度增加,傾斜樁樁身位移增大的幅度相對(duì)較為均勻。

圖11(c)、(d)給出的分別是前排傾斜樁和后排豎直樁水平位移的監(jiān)測(cè)結(jié)果,支護(hù)樁樁身最大位移總體發(fā)生在樁頂向下的位置。后排豎直樁位移在初始階段最大位移位于樁頂,且大于傾斜樁位移;隨開挖深度增加,前后排樁身最大位移均逐漸下移,前排傾斜樁最大位移增幅明顯大于后排豎直樁;樁身位移趨于穩(wěn)定后,斜樁位移略大于直樁位移。

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的沿深度的變化趨勢(shì)與計(jì)算結(jié)果較為一致,但監(jiān)測(cè)位移結(jié)果要小于有限元計(jì)算結(jié)果。這一方面可能是PRC管樁在生產(chǎn)過程中施加預(yù)應(yīng)力,對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)變形控制有利,計(jì)算時(shí)暫無法考慮預(yù)應(yīng)力對(duì)變形控制的影響,另一方面可能是計(jì)算時(shí)支護(hù)樁抗彎剛度按照規(guī)范方法折減較為保守,導(dǎo)致有限元計(jì)算的樁身位移偏大。

5 結(jié)語

(1) PRC管樁具有抗彎剛度大、延性高和成樁可靠等優(yōu)點(diǎn),更適合于受水平力為主的基坑工程。

(2)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工情況,經(jīng)改造的靜力壓樁機(jī)斜樁施工效果較好,但其角度調(diào)整范圍較小;已有國(guó)產(chǎn)傾斜靜力壓樁設(shè)備較少,施工費(fèi)用高,須進(jìn)行相關(guān)設(shè)備配套研發(fā),降低其施工費(fèi)用。

(3)斜直組合雙排樁位移最大值均發(fā)生在樁頂往下部位,前排傾斜樁位移略大于后排豎直樁,前排傾斜樁起到了一定支撐作用。斜直交替支護(hù)中豎直樁最大位移發(fā)生在樁頂,其變化趨勢(shì)與懸臂樁類似;傾斜樁最大位移在樁頂往下部位,傾斜樁變形趨勢(shì)類似于樁撐結(jié)構(gòu)變形規(guī)律。

(4)據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果,土體深層水平位移均比計(jì)算值小,PRC管樁對(duì)控制支護(hù)結(jié)構(gòu)變形有著明顯作用,有待進(jìn)一步研究PRC管樁的作用機(jī)理。