石金華

(福州市建筑設計院 福建福州 350001)

0 引言

福州屬于河口盆地，整個城市的發(fā)展與閩江烏龍江等水系關系密切，隨著經濟的不斷發(fā)展，許多沿河建筑拔地而起，在建設過程中，為了保證場地的安全，臨河面通常需要設置駁岸。駁岸根據場地周邊環(huán)境等條件選取不同的支護型式，當場地空間允許，一般以生態(tài)護岸為主。當場地局限時，一般以重力式擋墻為主，擋墻下采用沖(鉆)孔灌注樁或者水泥土攪拌樁加固[1-2]。然而，在福州一些地區(qū)，由于深厚淤泥存在，若灌注樁或水泥土攪拌樁樁底未達到穩(wěn)定地層，駁岸擋墻的工后沉降往往非常大。先張法預應力高強混凝土管樁(以下簡稱PHC管樁)作為當前承受豎向荷載的一種主力樁型，在駁岸擋墻支護中應用的卻不多，主要是因為管樁的水平承載力較低；因此，如何在具體的駁岸擋墻設計中，既充分發(fā)揮PHC管樁豎向承載力，又能最大程度利用PHC管樁的水平承載力，值得探討。本文以福州青口某項目的駁岸擋墻工程為例，根據該項目特點和現(xiàn)場的實際情況，探索PHC管樁在駁岸擋墻中的實際應用。與傳統(tǒng)的駁岸擋墻支護型式相比，該方案節(jié)省了工期和造價，減少了工后沉降，為今后類似工程項目設計提供借鑒。

1 工程概況

福州青口某項目，位于福州市青口尚干祥謙3鎮(zhèn)交界處，場地北側為新榕路，南側為民房，東西兩側分別為淘江及其支流青潭溪。該項目由8棟33層住宅樓及其裙樓開閉所組成，下設一層聯(lián)體地下室，地下室面積約25 146m2，地下室底板面標高為黃海高程1.75m。淘江屬潮汐河，日平均最低水位為0.50m，日平均最高水位為3.70m，場地東西兩側毗鄰淘江及其支流，系淘江堤岸，因建筑規(guī)劃需要，該項目場地將整平至7.00m，淘江后期清淤至0.00m，因此將形成高7.00m的臨空面。

2 工程地質水文條件

2.1 工程地質條件

根據勘察報告，駁岸擋墻影響范圍內巖土層，由上到下分述如下：

①雜填土：黃色，濕-飽和，松散為主，為新近堆填，以粘性土為主，含建筑垃圾30%～50%，堆填時間約1～5年，厚度5.5m。

②淤泥-淤泥質土：深灰色灰黑色，流塑，飽和，局部夾0.5cm～10cm厚或薄片狀粉細砂層，厚度26.0m。

③卵石：灰黃色淺灰色青灰色，飽和，稍中密為主，局部有夾層地段或層頂與上部淤泥層直接接觸地段，呈松散狀態(tài)，為沖洪積成因。卵石粒徑大多為2cm～10cm，呈次棱角狀次圓狀，個別大于10cm(個別較大可達25cm)，充填石英砂平均約20%，含少量粘性土，厚度9.0m。

根據巖土工程勘察報告，土體物理力學參數(shù)如表1所示。

表1 土層計算參數(shù)

2.2 工程水文條件

該工程影響范圍內地下水類型，按埋存條件劃分為上層滯水(潛水)和承壓水兩種類型。上層滯水(潛水)主要賦存于填土中，水量主要受大氣降水補給，水量一般不大。承壓水主要賦存于卵石中，卵石層埋深較深，承壓水對該工程無影響。該工程中的駁岸擋墻緊鄰淘江，系淘江堤岸，淘江為潮汐河且水流量大，日平均最高水位為3.70m，20年一遇洪水位為4.47m，漲潮水位和洪水位對駁岸擋墻施工影響較大。

3 駁岸擋墻設計

該項目東西兩側地下室外邊界線，距離河道藍線較近，河道藍線外側斜坡原始坡度10°～30°，場地空間有限。若按傳統(tǒng)的重力式擋土墻結合沖(鉆)孔灌注樁的支護型式，工期較長，造價相對較高；同時，淘江在漲潮期水位達到3.70m，需設置圍堰，以保證重力式擋土墻施工期間不受潮水影響。另外，擋墻與地下室外墻線間為后期小區(qū)道路，若采用重力式擋墻，擋墻與地下室外側間土體則另需加固，否則，后期淤泥固結沉降較大，維護成本較高。

綜合該工程地質水文條件及周邊環(huán)境影響，經過經濟工期等方面比選，駁岸擋墻最終采用PHC管樁+扶壁式擋土墻+生態(tài)板樁的支護型式，支護剖面如圖1所示。其中，管樁采用PHC 500-125(AB/A)，管樁間距和排距均為2.25m，樁長28m，且進入卵石層不小于1.0m，扶壁式擋墻高4.75m。

圖1 支護剖面

在該支護體系中，生態(tài)板樁為預制樁，施工速度快，并且很好地解決了傳統(tǒng)擋墻施工過程中遇到的圍堰施工難度大的問題。駁岸擋墻底板緊貼地下室外墻，并在擋墻墻踵末端設置反坎立板，有效地減少了上部擋墻傳遞至管樁的水平荷載；同時，利用管樁承擔扶壁式擋土墻及填土等豎向承載力，減少了工后沉降。清淤后，管樁不僅受到上部扶壁式擋墻傳遞下來的豎向力水平力和彎矩，還受到擋墻底部土體的水平作用力。因此，為了較準確地計算管樁在各種荷載效應作用下的內力和變形，本文通過非線性有限元軟件ABAQUS，建立支護剖面的有限元數(shù)值模型，分析得到清淤后管樁的內力和位移分布曲線，并通過有限元強度折減法，計算支護剖面的整體穩(wěn)定性。具體論述如下：

(1)施工的可行性是支護選型的必要考量因素，在支護剖面中，上部采用扶壁式擋土墻，擋墻底板面標高為黃海高程2.7m，在施工駁岸底板及墊層過程中，擋墻基底需開挖至黃海高程1.8m，鄰近的基坑坑底黃海高程為0.85m，均比淘江的日平均最高水位3.70m低，因此，臨時圍堰的選擇對駁岸和基坑施工至關重要。根據現(xiàn)場條件，最終在擋墻外側設置一道封閉的生態(tài)板樁墻。施工階段的生態(tài)板樁，作為臨時圍堰兼臨時懸臂受力構件，擋住擋墻外側水土壓力。在擋墻完工進入使用階段后，生態(tài)板樁一方面作為清淤后抵抗河水沖刷的有效措施，另一方面作為擋土構件限制擋墻下淤泥向河床方向變形流動。

(2)初步布樁過程中，先確定管樁的單樁水平承載力。當?shù)鼗了娇沽ο禂?shù)的比例系數(shù)m=2.5MN/m3，水平允許位移10mm，樁的換算深度αh≥4.0時，樁與承臺按鉸接考慮，根據《建筑樁基技術規(guī)范》(JGJ94-2008)[3]中的5.7.2第6款(式5.7.2-2) PHC500-125管樁單樁水平承載力特征值按下式計算為：

在支護體系中，扶壁式擋土墻先行承擔墻底以上的水平力，再經扶壁式擋墻底板傳遞給管樁，當支護采用常規(guī)的扶壁式擋墻，則擋墻計算高度為4.75m，計算得到的擋墻傳遞給管樁的水平力合計98.5kN；若沒有有效措施，初步布樁時，每延米需要布置管樁2.74根，這將嚴重增加造價。為合理減少管樁數(shù)量，降低造價，結合該項目特點，扶壁式擋土墻設計過程中,在擋墻墻踵末端設置了2.0m高，并緊貼地下室外墻的反坎立板。此時，這種異型的扶壁式擋土墻，因前后立板平衡了一部分土壓力。實際作用在擋墻上的庫倫土壓力，可按扶壁式擋土墻為2.75m考慮，最后得到的水平力，合計為36.5kN，即每延米僅需管樁數(shù)量1.02根；按圖1所示支護剖面設置管樁，每延米管樁數(shù)量有1.33根，大于1.02根，滿足水平承載力要求；同時，擋墻底板及其以上填土荷載車載等豎向荷載均由管樁承擔，減少了后期地面沉降。

(3)在圖1的支護剖面中，管樁在清淤后的受力最復雜，管樁不僅受到上部扶壁式擋墻傳遞下來的豎向力水平力和彎矩，還受到擋墻底以下土體的水平作用力。采用一般的設計軟件，難以全面地考慮上述外力對管樁受力及變形的影響。為此，下文通過非線性有限元軟件ABAQUS建立支護剖面的有限元數(shù)值分析模型，如圖2所示。模型中的巖土體按莫爾-庫侖理想彈塑性材料模擬，管樁采用梁單元模擬；管樁與扶壁式擋土墻底板連接，采用分布耦合約束模擬；因地下室為獨立的受力平衡體系，對駁岸擋墻支護的受力體系影響較小，為簡化計算，地下室整體采用設置位移邊界條件進行模擬。

圖2 支護剖面模型

扶壁式擋土墻，管樁物理力學參數(shù)參照混凝土結構設計規(guī)范匯總如表2所示。

表2 支護剖面結構物材料參數(shù)

圖3給出了管樁在清淤后的彎矩剪力分布圖。從圖中可以看到，管樁受到的最大彎矩標準值和剪力標準值，分別為107.8kN·m和74.2kN；對應的設計值，分別為148.2kN·m和100.2kN，均小于閩2012-G-124[4]中PHC500-125(AB)管樁樁身的受彎和受剪承載力設計值186kN·m和273kN，滿足設計要求。

圖3 清淤后1～3#管樁彎矩和剪力分布曲線

清淤后，臨河的1#管樁樁身水平位移最大，在清淤面的水平位移為5.87mm，樁頂水平位移5.398mm，如圖4所示，均小于10mm，滿足設計要求。

圖4 清淤后1～3#管樁樁身水平位移圖

(4)由于后期清淤影響，臨河的1#管樁接近于高承臺樁基，若扶壁式擋墻下土體產生整體失穩(wěn)破壞，將對管樁產生較大的剪切力甚至引發(fā)斷樁，從而導致上部扶壁式擋墻失穩(wěn)。因此，下文采用圖2所示的有限元模型，進行清淤后的整體穩(wěn)定性分析。穩(wěn)定分析采用有限元強度折減法。目前，采用有限元強度折減法進行邊坡穩(wěn)定分析時，對失穩(wěn)的判據主要以土體中出現(xiàn)位移突變(位移拐點)且無限發(fā)展并結合塑性區(qū)(等效塑性應變)臨界貫通為主[5]。設計中管樁，按正常使用來考慮，整個支護體系對管樁樁頂水平位移要求較高，因此，本文以臨河1#管樁樁頂作為特征點，建立1#管樁樁頂水平位移與折減系數(shù)關系曲線，并以曲線上曲率最大拐點，結合1#管樁樁頂水平位移10mm對應的折減系數(shù)，作為整體穩(wěn)定安全系數(shù)的判別依據。圖5給出了1#管樁樁頂水平位移與強度折減系數(shù)的關系曲線。由圖5可得樁頂水平位移10mm對應的折減系數(shù)Fr為1.50(正好對應位移拐點)，大于1.35，滿足規(guī)范要求。圖6為折減系數(shù)Fr=1.50時支護剖面的水平位移等值云，由圖6可知，此時扶壁式擋墻底部土體水平位移最大，與周邊土體位移形成一個明顯的分界面，此分界面即為潛在滑動面。

圖5 1#管樁樁頂水平位移與折減系數(shù)關系曲線

圖6 Fr =1.50時支護剖面的水平位移等值云

4 結論

(1)生態(tài)板樁相比于傳統(tǒng)的圍堰，施工便捷速度快，同時因其自身具有一定的樁身強度，既可作為臨時支護結構，又可作為后期防沖刷措施和擋土構件，近年來在駁岸擋墻工程中得到了快速推廣。

(2)在駁岸擋墻緊鄰地下室外墻的類似工程中，扶壁式擋土墻墻踵末端設置緊貼地下室外墻的反坎立板，可以減少扶壁式擋土墻傳遞到PHC管樁上的水平推力；反坎立板的設置高度，直接影響到每延米管樁的布樁數(shù)量和間距。

(3)PHC管樁，不僅可以作為承受豎向荷載的受力構件和減少工后沉降的有效措施，同時在整個支護體系中承擔主要的水平荷載。因此，管樁在受力過程中引起的內力和樁身變位，在樁身強度和允許的位移值以內，是保證整個支護體系安全的關鍵。有限元分析表明，受土體水平力及管樁協(xié)同變形影響，臨河前排樁在清淤面彎矩較大，后排管樁樁頂彎矩較大 ，最大彎矩設計值接近管樁受彎承載力設計值，這也間接說明了，擋土墻底板面標高的確定應綜合考慮管樁樁身強度，設置過高將會對PHC管樁樁身承載力提出更高的要求；設置過低則使施工階段作為臨時支護結構的生態(tài)板樁的尺寸及嵌固長度變大，兩者均會導致工程造價的增加。

(4)采用有限元強度折減法進行整體穩(wěn)定分析，建立樁頂水平位移與折減系數(shù)的關系曲線，以管樁的水平位移控制為準，將樁頂位移10mm對應的折減系數(shù)，與曲線上的位移拐點對應的折減系數(shù)，取小值判定為穩(wěn)定安全系數(shù)是合理的。