谈PRC管桩在黄土地区基坑支护中的应用

李 腾 訾 凡

(中国有色金属工业西安勘察设计研究院有限公司，陕西 西安 710054)

0 引言

“关于新时代推进西部大开发形成新格局的指导意见”的提出，势必会引起西安等黄土地区新一轮的城市建设热潮。对城市地下空间的开发、建设也将迎来更高的建设要求。深基坑支护工程也势必会在安全、经济、工期等方面迎来更高的挑战。

PRC管桩即混合配筋预应力混凝土管桩，作为一种新的深基坑支护结构，其主筋配筋形式为预应力钢筋和非预应力钢筋组合布置。有研究表明PRC管桩比PHC管桩有更高的抗剪承载力、抗剪刚度和抗弯承载力[1,2]，这便解决了PHC管桩在深基坑支护应用中抗弯、剪承载力小的弊端。PRC管桩绿色环保，施工效率高，机械化、自动化水平高、可以定规格的批量生产，在深基坑支护中应用更加经济、可以缩短工期。目前国内不少地区(如河南省、江苏省)已经出台了PRC管桩作为支护结构的标准[3]，在国内沿海地区使用PRC管桩进行基坑支护也已经有不少成功案例[4,5]。然而，在深基坑支护设计中使用较多的理正深基坑支护软件没有PRC管桩模型，且黄土地区仍没有形成明确的标准来规范PRC管桩在基坑支护中的应用。因此，有必要讨论PRC管桩在黄土地区深基坑支护设计中的应用。

本文以西安曲江新区某学校深基坑支护工程为案例，以等刚度代换法结合理正深基坑支护软件对PRC管桩的桩身内力、基坑整体稳定性和变形进行了计算，讨论了PRC管桩在黄土地区深基坑支护的应用，以期为黄土地区PRC管桩深基坑支护设计选型提供参考。

1 工程概况

拟建项目位于西安市公田二路以东，金辉公园里以西。拟建场地±0.000对应的高程494.70 m，地面整平高程为491.00 m～496.00 m，车库基坑底面高程为483.53 m(-11.17 m)，基坑实际开挖深度为7.47 m～12.47 m。基坑北侧红线以外为天地源小区多层建筑物，基坑东侧红线以外金辉公园里5号、6号、7号高层住宅楼及地下车库，基坑南侧红线以外为在建建筑物，基坑西侧为曲江三中已建成教学楼及宿舍楼(4F～6F)，均为框架结构，独立承台+管桩基础。周边建构筑物与基坑的相对位置关系见图1。经现场调查，基坑开挖及支护影响范围内暂无受影响的管道等地下构筑物存在。

2 场地工程地质条件

该基坑地层自上而下依次为人工填土、上更新统及中更新统风积黄土、残积古土壤等，具体物理力学参数详如表1所示。

表1 地层条件统计表

3 方案选型

基坑支护选型结合场地水文地质条件及周边环境、基坑开挖面积、开挖深度等因素，在保证周边建筑物及基坑工程安全的前提条件下，尽量缩短施工周期、减少对周边居民正常生活的影响。

根据以上要求，按照西安周边黄土地区常规设计思路一般会采用钻孔灌注桩围护体系+锚索的支护形式进行设计。

现分别从经济、工期等方面将本工程钻孔灌注桩和PRC支护管桩各自优缺点进行对比，如表2所示。

表2 钻孔灌注桩与PRC管桩对比

基坑为学校建设项目，工期紧，若按混凝土灌注桩设计，不能满足工期要求，综合以上分析，最终考虑用PRC管桩+锚索的支护形式。通过设计选型，所得基坑支护平面图、PRC管桩支护剖面图如图1，图2所示。

4 PRC管桩的设计选型

4.1 等刚度代换法

根据JGJ 120—2012建筑基坑支护技术规程第4.1.1条：挡土结构宜采用平面杆系结构弹性支点法进行分析。因此，在使用PRC桩支护时需要考虑桩的刚度对受力及变形的影响。

PRC管桩的刚度：

(1)

其中,EI为管桩桩身刚度,N·mm2，Ec0为桩身混凝土弹性模量，C80混凝土取3.8×104N/mm2；D0为管桩外径,mm；d为管桩内径,mm。

混凝土灌注桩刚度：

(2)

其中,EI为管桩桩身刚度,N·mm2;Ec1为桩身混凝土弹性模量，C30混凝土取3×104N/mm2；D1为灌注桩直径,mm。

对PRC管桩与混凝土灌注桩进行等刚度代换(灌注桩选用C30混凝土，PRC管桩选用C80混凝土)，由式(1)、式(2)可得：

(3)

由式(3)可得到等刚度代换下的PRC管桩截面尺寸。

4.2 PRC管桩设计

计算结果显示，基坑支护最大位移、最大弯矩、最大剪力均出现在第4工况，即基坑开挖到坑底时，最大位移为3.43 mm，最大弯矩为41.49 kN·m，最大剪力为41.66 kN。整体稳定安全性系数Ks=2.750。满足规范要求。利用等刚度代换法，如本文4.1节代换过程，取D1=500 mm，对照管桩型号表，PRC-Ⅰ-500(100)-C管桩符合要求，且具有一定的安全储备。PRC管桩物理力学参数如表3所示。

表3 PRC管桩物理力学参数

本案例中，管桩在基坑支护的设计过程经历两个步骤：1)利用理正深基坑支护软件进行混凝土灌注桩支护设计；2)利用等刚度代换法选择合适的PRC管桩型号进行代换。将此设计模式称之为等刚度代换桩锚模式。本案例便是利用等刚度代换法桩锚模式来进行PRC管桩的选型。笔者认为，对于更复杂的深基坑，在经历上述两个步骤选型后，还应利用专门的有限元计算软件进行数值计算与校核，保证基坑支护有更安全的储备。

5 基坑监测

在基坑西侧PRC管桩支护位置布置6个监测点，监测时间90 d，对监测数据进行整理统计，如表4所示。

表4 基坑监测数据统计

从表4可以看出，水平位移监测值最大为4.5 mm，沉降位移监测值最大为4.6 mm。

将现场监测水平位移最大值、平均值与通过等刚度代换桩锚模式计算的水平位移进行对比，见图3。从图3中可以看出等刚度代换桩锚模式计算所得的水平位移和监测最大值较接近。表明在黄土地区采用等刚度代换桩锚模式进行PRC管桩基坑支护设计是可行的。

6 结论

本文以西安市曲江新区某学校深基坑支护为对象，采用等刚度代换桩锚模式计算桩身内力、基坑整体稳定性和变形。用基坑变形监测结果与等刚度代换桩锚模式进行了对比。结合工程实例从经济、工期等方面对比了黄土地区PRC管桩与混凝土灌注桩的优缺点。得出了以下结论：

1)在黄土地区，将等刚度代换的桩锚模式运用在PRC管桩基坑支护设计中是可行的。

2)在黄土地区，采用PRC管桩代替混凝土灌注桩可以缩短25%左右的工期，30%左右的造价。

3)笔者认为，对于周边环境、地层条件复杂的深基坑，在进行等刚度代换桩锚模式计算、等刚度代换法选择PRC管桩型号后，还需利用有限元软件校核PRC管桩支护设计方案，以确保基坑支护足够安全。