倾斜PRC管桩组合支护结构在基坑工程中的应用*

柳 瑶, 赖国梁, 陈 国, 宋 志, 宫立茂, 侯合强, 贾磊柱, 滕 峰

(1 湖北中建三局建筑工程技术有限责任公司，武汉 430070；2 中建三局集团有限公司工程总承包公司，武汉 430070)

0 引言

在预应力混凝土管桩中加入一定数量的非预应力钢筋,形成新型的混合配筋预应力混凝土管桩称为PRC管桩。PRC管桩具有抗弯、抗剪能力强,延性高的特性,且PRC管桩具有桩身质量好、施工速度快、低碳环保、工程造价低、桩身检测方便、工厂化生产等特点,因此更适宜应用于以受水平力为主的基坑工程中[1]。

将传统的竖直悬臂结构进行一定角度的倾斜,同时利用冠梁将倾斜桩与悬臂直桩进行连接,形成基坑斜直交替支护体系,由于此支护体系的重力、刚架及斜撑效应,可以有效减小桩身水平变形和坑外沉降[2-3]。用适当角度的倾斜桩代替原双排桩支护结构中的前排桩,可有效减小双排桩变形与内力的效果,同时存在一个最优倾角使桩身变形和内力减小效果达到最佳[4]。马雪兵等[5]通过有限元方法研究了倾斜双排桩材质与倾角等参数对倾斜双排桩支护效果的影响,结果表明前桩外倾后桩垂直的双排桩形式效果最佳,前排倾斜双排桩支护位移随角度增大逐步减小并收敛。不少学者通过模型试验和数值模拟计算研究了倾斜桩的受力性状,结果都表明倾斜桩在控制桩身变形及内力的效果要强于竖直桩[6-8]。

目前对PRC管桩力学性能理论研究较多,倾斜桩支护效果及工作机理的研究成果也很丰富,但关于PRC管桩和倾斜桩在基坑工程中应用的相关报道相对较少。文献[2-3]报道了预制倾斜方桩在天津某基坑工程中的应用,并通过数值计算与现场监测数据相结合验证了倾斜桩的应用优势。文献[9-10]介绍了预制管桩在基坑支护中的应用,根据理论计算与实测值对比分析,验证了预制管桩用于基坑支护的可靠性和有效性。李仁民等[11]介绍了双排高强预应力混凝土管桩在某基坑支护工程中的应用,实施效果表明双排高强预应力管桩工效高、造价低,整体性能好,对控制基坑及周围环境变形极为有利。

总之,国内关于基坑工程倾斜桩支护应用的案例较少,倾斜PRC管桩组合支护的应用更少。本文从设计、施工与应用效果角度分析仙桃某软土基坑倾斜PRC管桩组合支护结构应用案例,研究其支护效果。

1 工程概况

湖北省仙桃市某项目地上五层,地下部分设置一层地下室,结构形式为钢筋混凝土框架结构(带有少量剪力墙),基础形式为静压高强预应力混凝土管桩基础。基坑普遍开挖深度5.15m(承台底),局部电梯井开挖深度7.25m,基坑开挖面积约8700m2,周长414m。

场地位于仙桃市城南新区,场地地貌单元属江汉冲积平原,汉江一级阶地,地势较为平坦。场地内各地层土性描述如下:

(1)素填土层厚0.3～0.9m,主要成分为软塑状黏性土,夹植物根茎,偶见砖渣、碎石及生活垃圾,土质不均,为新近回填而成,褐黄,松散。

(2)粉质黏土夹粉土层厚0.8～2.4m,含少量铁锰质氧化物,夹粉土薄层,层底偶夹粉砂团块,土质较均匀,褐黄,软塑～可塑/中密,中偏高压缩性。

(3)淤泥质黏土层厚2.0～3.4m,含少量腐植质及有机质,局部夹白色螺壳,层顶偶夹粉砂薄层,土质均匀,灰黄,流塑,高压缩性。

(4)黏土层厚2.4～4.7m,含少量铁质氧化物及高岭土,土质均匀,灰褐,可塑,中等压缩性。

(5)粉质黏土层厚3.1～7.7m,含少量腐植质,偶夹粉土薄层,土质均匀,灰黄,软塑～可塑,中偏高压缩性。

(6-1)粉质黏土夹粉砂层厚1.0～5.7m,含少量云母碎屑,夹粉砂薄层或团块,土质不均,灰色,可塑/松散,中等压缩性。

(6-2)粉砂夹粉质黏土层厚1.2～6.4m,含少量云母碎屑,夹黏性土团块,土质不均,分选性较差。灰色,稍密/可塑,中等压缩性。

(7)粉砂层厚1.0～5.7m,含少量云母碎片、石英,偶夹黏性土团块,黏粒含量较少,土质较均匀,分选性较好。灰色,中密,中偏低压缩性。

本场地地下水主要有两种类型:一类为赋存于(1)素填土中的上层滞水,主要受大气降水、生活排放水渗透补给;另一类为赋存于砂层的承压水,根据区域水文地质资料,该层承压水水位和水量较为稳定,水量较大,稍有压力,补给来源主要为汉江及周边侧向补给。土层参数详见表1,其中γ为土的重度,Es和Kv分别为土的压缩模量和渗透系数,黏聚力C和内摩擦角Φ均为直剪固结快剪指标。

表1 土层物理力学参数

2 基坑支护方案

2.1 支护方案选择

支护结构设置时,应保证倾斜支护桩不与地下结构冲突,对于倾斜桩与坑内工程桩空间碰撞问题,主要是将支护桩往坑外后退一定距离,对无法避开的局部区域,主要是采取避让措施,将冲突位置倾斜桩调整为垂直桩。在基坑阴角,为防止倾斜桩在基坑底以下冲突,将此区域采用垂直支护桩+角撑形式。支护桩应保证不与地下结构冲突,斜桩在基坑底标高以下可侵入地下结构最外轮廓,但应避开工程桩或局部深坑等地下结构。

综上所述,本工程具体支护方案为:基坑采用PRC-Ⅰ-600-AB(110)管桩支护,在挖深5.25m区域采用斜直交替支护,在挖深7.25m区域采用斜直组合双排桩支护,基坑外侧设置φ700@900单轴水泥土搅拌桩止水帷幕,搅拌桩长5.0m,进入第(4)层不透水黏土层,双排桩间采用φ700@500 双管旋喷桩加固,坑内采用管井降水,基坑平面及典型支护剖面如图1～3所示。

图1 平面图与测点布置

图2 斜直交替典型支护剖面

图3 斜直组合双排桩典型支护剖面

2.2 PRC管桩组合支护结构计算

目前已有的基坑支护设计软件并不能满足计算倾斜桩受力的需求,故采用PLAXIS 岩土工程专业有限元软件,按平面应变连续介质有限元方法进行分析。根据土质条件及环境情况选取不同剖面进行计算,有限元分析典型剖面见图4、5。

图4 斜直交替计算模型

图5 斜直组合双排桩计算模型

PRC-Ⅰ-600-AB(110)管桩受弯承载力极限值522kN·m,桩身受剪承载力极限值470kN,根据有限元计算提取的支护桩内力位移包络值见表2,各区域桩身弯矩及剪力均小于桩身极限承载力。

表2 支护桩内力位移包络值

2.3 预制桩与冠梁细部构造设计

预制桩与冠梁、前后排预制桩之间的有效连接是保证管桩组合支护结构整体受力的关键,倾斜PRC管桩组合支护结构的冠梁构造大样见图6。

图6 冠梁构造大样

对于斜直交替支护结构,图6(a)有预制桩区域,在冠梁两侧外扩预制桩顶部分贴近预制桩各设置一道通长暗梁,暗梁部分设置通长纵筋及封闭箍筋;图6(b)无预制桩区域,对整个冠梁设置封闭箍筋,封闭箍筋与通长暗梁纵筋形成冠梁整体配筋。

对于斜直组合双排桩支护结构,图6(c)有预制桩区域,在冠梁两侧外扩预制桩顶部分贴近预制桩各设置一道通长暗梁,暗梁部分设置通长纵筋及封闭箍筋,冠梁顶部设置附加U形钢筋;图6(d)无预制桩区域,对整个冠梁设置封闭箍筋,冠梁顶底分别设置附加U形筋,封闭箍筋与冠梁两侧通长暗梁和前后排桩间通长暗梁纵筋形成冠梁整体配筋。

支护桩顶冠梁两侧暗梁通长纵筋的设置,加强暗梁对支护桩的约束,防止支护桩与冠梁连接节点失效。斜桩两侧附加的横向弯起钢筋,加强预制桩的抗剪切安全度;冠梁间封闭箍筋的设置,使封闭箍筋与暗梁钢筋形成受力体系,从而满足桩顶传力要求,使冠梁不产生整体破坏。双排桩支护结构冠梁顶、底附加U形筋和前后排桩间暗梁设置,加强了前后排桩间连接,同时预制桩顶采取填芯处理,确保受拉桩不与冠梁脱离。

预制桩顶填芯构造大样见图7。预制桩顶内设置5mm厚圆薄钢板及放入钢筋骨架,桩顶填芯采用微膨胀混凝土,浇筑填芯混凝土前,应先将管桩内壁清理干净,以提高填芯混凝土与管桩桩身混凝土的整体性。斜直交替支护桩中倾斜桩受压,直桩受拉,斜直组合双排桩支护结构中斜桩受压,后排直桩上部受拉,下部受压,参考《预应力混凝土管桩》(10G409)图集中桩顶填芯要求,倾斜桩顶填芯长度采用1.8m,直桩顶填芯长度采用3m。

图7 管桩填芯大样

3 倾斜PRC管桩组合支护结构施工

选用倾斜PRC管桩组合支护结构后,支护结构施工过程中,尚存在以下几个难点:

(1)单节PRC支护管桩最大桩长为15m,本次基坑支护中斜直交替支护段最大桩长为17m,斜直组合双排桩支护段最大桩长为18m,因此在施工过程中均需要接桩,须考虑接桩位置及接桩处理。

(2)本项目西侧为市人民政府办公大楼,东侧为市第一人民医院,医院内存在多种精密仪器,对场地振动非常敏感,周边环境保护要求非常高,因此在工法选择上需考虑周边环境的影响。

(3)PRC管桩属于部分挤土桩,且支护桩相比工程桩桩间距更小,须采取有效措施减小PRC管桩挤土效应,保证PRC管桩施工质量,防止支护桩发生偏位、上浮以及断桩等问题。

针对以上几个问题,施工过程中所采用的解决方法分别为:

(1)经计算分析,垂直桩桩身弯矩和最大位移处在支护桩顶部,倾斜桩桩身弯矩及最大位移处在基坑开挖面附近,因此将接桩位置设置于基坑开挖面以下,且相邻两根桩接桩位置错开,以减小接桩对整个桩身力学性能的影响。采用对称、分层施焊,使上下两端PRC管桩连接牢靠,不影响桩身稳定性及受力特性。

(2)静力压桩工法具有以下优点:1)无噪声、无振动、无污染;2)可减少振动对地基和相邻建筑物的影响;3)桩顶不易损坏,沉桩精度高,经综合考虑本项目管桩采用静力压桩工法施工。经市场调研倾斜静力压桩机施工成本较高,且机械设备运输成本不菲,综合考虑采用市面上常见的YZY-800型全液压静力压桩机,在不破坏静力压桩机机械结构情况下,将静力压桩机的移动压桩台进行改造,使得移动压桩台达到15°倾斜,达到施工倾斜桩的效果,后期可将移动压桩台恢复水平状态,满足预制垂直桩的施工要求。改造后的YZY-800静力压桩机如图8所示。

图8 改造后液压静力压桩机

(3)倾斜PRC管桩组合支护结构施工时先将直桩压至设计标高,再施工倾斜桩。不同的桩基施工顺序应为先深后浅、先大后小、先长后短、间隔沉桩;同时本项目地下室结构基础形式为预应力混凝土管桩,先施压场地中央的基础工程桩,后施压周边的支护桩。

4 基坑变形监测

基坑施工前制定了监测方案,主要针对支护桩及冠梁的位移监测,监测点位布置如图1所示,深层水平位移监测沿桩身每米一个测斜点位。本次监测同时也是试验过程,用于验证倾斜PRC管桩组合支护结构的效果,基坑开挖顺序为从北向南退挖,2021年11月8日开挖至基底并完成基础结构施工,基坑开挖见底时的现场情况见图9。

图9 基坑开挖现场

4.1 冠梁水平位移

图10为桩顶冠梁水平位移曲线。从图10可以看出,基坑南北侧前斜后直双排桩支护段冠梁位移均较大,冠梁测点C5水平位移最大,位移达20.3mm;除测点C18外,前斜后直双排桩支护段冠梁水平位移一般比斜直交替支护段大。斜直交替支护段中冠梁测点C18处支护桩底位于(6-2)粉砂夹粉质黏土层,其余测点支护桩底位于(7)粉砂层,(6-2)层压缩模量较(7)层小,导致测点C18位移较大。在土方开挖过程中,冠梁水平位移变化速率有明显增大,但基坑开挖到底后随着基础垫层及底板的浇筑,位移变化速率趋于稳定。

图10 冠梁水平位移曲线

4.2 桩体深层水平位移

图11(a)给出的是斜直交替竖直桩水平位移的监测结果,随开挖深度增加,桩身变形逐渐增大,桩顶位移最大,并且随开挖深度增大,桩顶位移的增大幅度更大,当开挖到基坑底后桩顶位移趋于平稳。

图11 深层水平位移曲线(2021年)

图11(b)给出的是斜直交替倾斜桩水平位移的监测结果,倾斜桩桩身位移最大位置开始在桩顶,随时间推移或开挖深度增加,桩身最大位移下移趋势明显,倾斜桩变形趋势类似于桩撑结构变形规律。随开挖深度增加,倾斜桩桩身位移增大的幅度相对较为均匀。

图11(c)、(d)给出的分别是前排倾斜桩和后排竖直桩水平位移的监测结果,支护桩桩身最大位移总体发生在桩顶向下的位置。后排竖直桩位移在初始阶段最大位移位于桩顶,且大于倾斜桩位移;随开挖深度增加,前后排桩身最大位移均逐渐下移,前排倾斜桩最大位移增幅明显大于后排竖直桩;桩身位移趋于稳定后,斜桩位移略大于直桩位移。

现场监测的沿深度的变化趋势与计算结果较为一致,但监测位移结果要小于有限元计算结果。这一方面可能是PRC管桩在生产过程中施加预应力,对支护结构变形控制有利,计算时暂无法考虑预应力对变形控制的影响,另一方面可能是计算时支护桩抗弯刚度按照规范方法折减较为保守,导致有限元计算的桩身位移偏大。

5 结语

(1) PRC管桩具有抗弯刚度大、延性高和成桩可靠等优点,更适合于受水平力为主的基坑工程。

(2)根据现场实际施工情况,经改造的静力压桩机斜桩施工效果较好,但其角度调整范围较小;已有国产倾斜静力压桩设备较少,施工费用高,须进行相关设备配套研发,降低其施工费用。

(3)斜直组合双排桩位移最大值均发生在桩顶往下部位,前排倾斜桩位移略大于后排竖直桩,前排倾斜桩起到了一定支撑作用。斜直交替支护中竖直桩最大位移发生在桩顶,其变化趋势与悬臂桩类似;倾斜桩最大位移在桩顶往下部位,倾斜桩变形趋势类似于桩撑结构变形规律。

(4)据现场实测结果,土体深层水平位移均比计算值小,PRC管桩对控制支护结构变形有着明显作用,有待进一步研究PRC管桩的作用机理。