李 騰 訾 凡

(中國(guó)有色金屬工業(yè)西安勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 710054)

0 引言

“關(guān)于新時(shí)代推進(jìn)西部大開發(fā)形成新格局的指導(dǎo)意見”的提出，勢(shì)必會(huì)引起西安等黃土地區(qū)新一輪的城市建設(shè)熱潮。對(duì)城市地下空間的開發(fā)、建設(shè)也將迎來更高的建設(shè)要求。深基坑支護(hù)工程也勢(shì)必會(huì)在安全、經(jīng)濟(jì)、工期等方面迎來更高的挑戰(zhàn)。

PRC管樁即混合配筋預(yù)應(yīng)力混凝土管樁，作為一種新的深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)，其主筋配筋形式為預(yù)應(yīng)力鋼筋和非預(yù)應(yīng)力鋼筋組合布置。有研究表明PRC管樁比PHC管樁有更高的抗剪承載力、抗剪剛度和抗彎承載力[1,2]，這便解決了PHC管樁在深基坑支護(hù)應(yīng)用中抗彎、剪承載力小的弊端。PRC管樁綠色環(huán)保，施工效率高，機(jī)械化、自動(dòng)化水平高、可以定規(guī)格的批量生產(chǎn)，在深基坑支護(hù)中應(yīng)用更加經(jīng)濟(jì)、可以縮短工期。目前國(guó)內(nèi)不少地區(qū)(如河南省、江蘇省)已經(jīng)出臺(tái)了PRC管樁作為支護(hù)結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)[3]，在國(guó)內(nèi)沿海地區(qū)使用PRC管樁進(jìn)行基坑支護(hù)也已經(jīng)有不少成功案例[4,5]。然而，在深基坑支護(hù)設(shè)計(jì)中使用較多的理正深基坑支護(hù)軟件沒有PRC管樁模型，且黃土地區(qū)仍沒有形成明確的標(biāo)準(zhǔn)來規(guī)范PRC管樁在基坑支護(hù)中的應(yīng)用。因此，有必要討論P(yáng)RC管樁在黃土地區(qū)深基坑支護(hù)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。

本文以西安曲江新區(qū)某學(xué)校深基坑支護(hù)工程為案例，以等剛度代換法結(jié)合理正深基坑支護(hù)軟件對(duì)PRC管樁的樁身內(nèi)力、基坑整體穩(wěn)定性和變形進(jìn)行了計(jì)算，討論了PRC管樁在黃土地區(qū)深基坑支護(hù)的應(yīng)用，以期為黃土地區(qū)PRC管樁深基坑支護(hù)設(shè)計(jì)選型提供參考。

1 工程概況

擬建項(xiàng)目位于西安市公田二路以東，金輝公園里以西。擬建場(chǎng)地±0.000對(duì)應(yīng)的高程494.70 m，地面整平高程為491.00 m～496.00 m，車庫(kù)基坑底面高程為483.53 m(-11.17 m)，基坑實(shí)際開挖深度為7.47 m～12.47 m?；颖眰?cè)紅線以外為天地源小區(qū)多層建筑物，基坑?xùn)|側(cè)紅線以外金輝公園里5號(hào)、6號(hào)、7號(hào)高層住宅樓及地下車庫(kù)，基坑南側(cè)紅線以外為在建建筑物，基坑西側(cè)為曲江三中已建成教學(xué)樓及宿舍樓(4F～6F)，均為框架結(jié)構(gòu)，獨(dú)立承臺(tái)+管樁基礎(chǔ)。周邊建構(gòu)筑物與基坑的相對(duì)位置關(guān)系見圖1。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，基坑開挖及支護(hù)影響范圍內(nèi)暫無受影響的管道等地下構(gòu)筑物存在。

2 場(chǎng)地工程地質(zhì)條件

該基坑地層自上而下依次為人工填土、上更新統(tǒng)及中更新統(tǒng)風(fēng)積黃土、殘積古土壤等，具體物理力學(xué)參數(shù)詳如表1所示。

表1 地層條件統(tǒng)計(jì)表

3 方案選型

基坑支護(hù)選型結(jié)合場(chǎng)地水文地質(zhì)條件及周邊環(huán)境、基坑開挖面積、開挖深度等因素，在保證周邊建筑物及基坑工程安全的前提條件下，盡量縮短施工周期、減少對(duì)周邊居民正常生活的影響。

根據(jù)以上要求，按照西安周邊黃土地區(qū)常規(guī)設(shè)計(jì)思路一般會(huì)采用鉆孔灌注樁圍護(hù)體系+錨索的支護(hù)形式進(jìn)行設(shè)計(jì)。

現(xiàn)分別從經(jīng)濟(jì)、工期等方面將本工程鉆孔灌注樁和PRC支護(hù)管樁各自優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比，如表2所示。

表2 鉆孔灌注樁與PRC管樁對(duì)比

基坑為學(xué)校建設(shè)項(xiàng)目，工期緊，若按混凝土灌注樁設(shè)計(jì)，不能滿足工期要求，綜合以上分析，最終考慮用PRC管樁+錨索的支護(hù)形式。通過設(shè)計(jì)選型，所得基坑支護(hù)平面圖、PRC管樁支護(hù)剖面圖如圖1，圖2所示。

4 PRC管樁的設(shè)計(jì)選型

4.1 等剛度代換法

根據(jù)JGJ 120—2012建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程第4.1.1條：擋土結(jié)構(gòu)宜采用平面桿系結(jié)構(gòu)彈性支點(diǎn)法進(jìn)行分析。因此，在使用PRC樁支護(hù)時(shí)需要考慮樁的剛度對(duì)受力及變形的影響。

PRC管樁的剛度：

(1)

其中,EI為管樁樁身剛度,N·mm2，Ec0為樁身混凝土彈性模量，C80混凝土取3.8×104N/mm2；D0為管樁外徑,mm；d為管樁內(nèi)徑,mm。

混凝土灌注樁剛度：

(2)

其中,EI為管樁樁身剛度,N·mm2;Ec1為樁身混凝土彈性模量，C30混凝土取3×104N/mm2；D1為灌注樁直徑,mm。

對(duì)PRC管樁與混凝土灌注樁進(jìn)行等剛度代換(灌注樁選用C30混凝土，PRC管樁選用C80混凝土)，由式(1)、式(2)可得：

(3)

由式(3)可得到等剛度代換下的PRC管樁截面尺寸。

4.2 PRC管樁設(shè)計(jì)

計(jì)算結(jié)果顯示，基坑支護(hù)最大位移、最大彎矩、最大剪力均出現(xiàn)在第4工況，即基坑開挖到坑底時(shí)，最大位移為3.43 mm，最大彎矩為41.49 kN·m，最大剪力為41.66 kN。整體穩(wěn)定安全性系數(shù)Ks=2.750。滿足規(guī)范要求。利用等剛度代換法，如本文4.1節(jié)代換過程，取D1=500 mm，對(duì)照管樁型號(hào)表，PRC-Ⅰ-500(100)-C管樁符合要求，且具有一定的安全儲(chǔ)備。PRC管樁物理力學(xué)參數(shù)如表3所示。

表3 PRC管樁物理力學(xué)參數(shù)

本案例中，管樁在基坑支護(hù)的設(shè)計(jì)過程經(jīng)歷兩個(gè)步驟：1)利用理正深基坑支護(hù)軟件進(jìn)行混凝土灌注樁支護(hù)設(shè)計(jì)；2)利用等剛度代換法選擇合適的PRC管樁型號(hào)進(jìn)行代換。將此設(shè)計(jì)模式稱之為等剛度代換樁錨模式。本案例便是利用等剛度代換法樁錨模式來進(jìn)行PRC管樁的選型。筆者認(rèn)為，對(duì)于更復(fù)雜的深基坑，在經(jīng)歷上述兩個(gè)步驟選型后，還應(yīng)利用專門的有限元計(jì)算軟件進(jìn)行數(shù)值計(jì)算與校核，保證基坑支護(hù)有更安全的儲(chǔ)備。

5 基坑監(jiān)測(cè)

在基坑西側(cè)PRC管樁支護(hù)位置布置6個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)時(shí)間90 d，對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理統(tǒng)計(jì)，如表4所示。

表4 基坑監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

從表4可以看出，水平位移監(jiān)測(cè)值最大為4.5 mm，沉降位移監(jiān)測(cè)值最大為4.6 mm。

將現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)水平位移最大值、平均值與通過等剛度代換樁錨模式計(jì)算的水平位移進(jìn)行對(duì)比，見圖3。從圖3中可以看出等剛度代換樁錨模式計(jì)算所得的水平位移和監(jiān)測(cè)最大值較接近。表明在黃土地區(qū)采用等剛度代換樁錨模式進(jìn)行PRC管樁基坑支護(hù)設(shè)計(jì)是可行的。

6 結(jié)論

本文以西安市曲江新區(qū)某學(xué)校深基坑支護(hù)為對(duì)象，采用等剛度代換樁錨模式計(jì)算樁身內(nèi)力、基坑整體穩(wěn)定性和變形。用基坑變形監(jiān)測(cè)結(jié)果與等剛度代換樁錨模式進(jìn)行了對(duì)比。結(jié)合工程實(shí)例從經(jīng)濟(jì)、工期等方面對(duì)比了黃土地區(qū)PRC管樁與混凝土灌注樁的優(yōu)缺點(diǎn)。得出了以下結(jié)論：

1)在黃土地區(qū)，將等剛度代換的樁錨模式運(yùn)用在PRC管樁基坑支護(hù)設(shè)計(jì)中是可行的。

2)在黃土地區(qū)，采用PRC管樁代替混凝土灌注樁可以縮短25%左右的工期，30%左右的造價(jià)。

3)筆者認(rèn)為，對(duì)于周邊環(huán)境、地層條件復(fù)雜的深基坑，在進(jìn)行等剛度代換樁錨模式計(jì)算、等剛度代換法選擇PRC管樁型號(hào)后，還需利用有限元軟件校核PRC管樁支護(hù)設(shè)計(jì)方案，以確保基坑支護(hù)足夠安全。