朱會(huì)強(qiáng)，張 明，張 波，張建設(shè)，郭波鋒

（1.中赟國際工程有限公司，鄭州 450000；2.鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院，鄭州 450015；3.建華建材（河南）有限公司，鄭州 451192）

在以鄭州、開封為代表的黃河中下游沖洪積地層中，灌注樁是深基坑支護(hù)常用樁型［1-6］.近些年，隨著城市內(nèi)涵式發(fā)展要求，基坑支護(hù)設(shè)計(jì)在滿足必要技術(shù)要求同時(shí)，需有更具競爭力的經(jīng)濟(jì)、環(huán)保和工期優(yōu)勢，作為裝配式支護(hù)構(gòu)件，管樁開始受到關(guān)注.然而，傳統(tǒng)管樁抗水平荷載和抗彎能力不足、延性差，使其在基坑支護(hù)領(lǐng)域一直沒有廣泛應(yīng)用［7］.周同和等在綜合國內(nèi)外研究成果的基礎(chǔ)上，提出了混合配筋預(yù)應(yīng)力混凝土管樁（PRC管樁）［8］，可有效克服傳統(tǒng)管樁的上述天然缺陷.PRC管樁同普通預(yù)應(yīng)力管樁一樣，亦由混凝土、鋼筋骨架組成，不同之處在于鋼筋骨架中除了預(yù)應(yīng)力鋼筋外，還加入一定數(shù)量的非預(yù)應(yīng)力鋼筋，配筋率為普通管樁的1.5～2.0倍.事實(shí)上，PRC管樁自身的抗彎與抗剪性能研究已經(jīng)比較充分［9-11］.工程實(shí)踐也證明，PRC管樁作為新型支護(hù)樁，在我國沿海的軟土地層中可以有效使用［12-16］.

但是，巖土工程的地域差異性表現(xiàn)很強(qiáng)，深基坑支護(hù)更為明顯，甚至黃河流域不同地區(qū)沖洪積地層匹配的本構(gòu)模型各不相同［17］.PRC管樁在沿海軟土地層中的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)并不能直接指導(dǎo)我國其他地區(qū).與沿海地層相比，黃河沖洪積地層土體粒徑、力學(xué)強(qiáng)度明顯增大，并伴隨著液化.針對黃河沖洪積地層，PRC管樁技術(shù)是否適用，經(jīng)濟(jì)、工期是否優(yōu)勢明顯，亟需工程驗(yàn)證.此外，基坑支護(hù)設(shè)計(jì)開始從承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)（強(qiáng)度設(shè)計(jì)）轉(zhuǎn)向正常使用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)（變形設(shè)計(jì)）［18］.樁-土之間相互作用，尤其是基坑變形受到前所未有的關(guān)注.由于樁-土之間相互作用研究尚不深入，這直接制約了PRC管樁在深基坑支護(hù)中的應(yīng)用.

基于此，本研究采用PRC管樁技術(shù)代替灌注樁支護(hù)，首次開展黃河中下游沖洪積成因場地10 m以上深基坑支護(hù)技術(shù)研究，現(xiàn)場實(shí)測基坑周圍土體深層水平位移數(shù)據(jù)，評價(jià)管樁支護(hù)效果.從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和工期上與傳統(tǒng)的灌注樁進(jìn)行全面對比，探討PRC管樁在黃河中下游沖洪積地層中推廣應(yīng)用的可行性.

圖1 基坑平面位置圖Fig.1 Layout of the deep foundation pit

1 研究場地

研究場地位于河南省開封市大梁路與夷山大街交叉口東南角，如圖1所示.擬建建筑物為兩層地下車庫、多棟商業(yè)及主樓，商業(yè)及主樓基礎(chǔ)形式為PHC管樁基礎(chǔ)，地下車庫為筏板基礎(chǔ)，±0.00絕對高程為74.0 m，基坑深度為5.0～11.7 m，3-3’斷面基坑深度達(dá)11.7 m，基坑全周長約1245 m.

2 地質(zhì)條件

依據(jù)鉆探、靜力觸探及土工試驗(yàn)成果，勘探深度范圍內(nèi)地層共分為11層，其中①層為雜填土（Q4ml）；②～ 11層為第四系全新統(tǒng)沖積（Q4al）而成的粉質(zhì)黏土、粉土、粉砂或細(xì)砂.地層的物理力學(xué)指標(biāo)由室內(nèi)試驗(yàn)、標(biāo)貫試驗(yàn)、靜探試驗(yàn)等方法取得，經(jīng)綜合分析認(rèn)為整個(gè)場地同一層位土體性質(zhì)無大的變異，屬于同一工程地質(zhì)單元，場區(qū)主要地層巖土物理力學(xué)特性指標(biāo)如表1所示.

表1 場區(qū)主要地層巖土物理力學(xué)特性指標(biāo)Tab.1 Geotechnical and mechanical properties of soil in the research field

本研究選取支護(hù)最深處3-3’剖面為分析對象，對應(yīng)的地質(zhì)剖面如圖2所示.

圖2 3-3’支護(hù)剖面地層圖Fig.2 Stratigraphic diagram of 3-3’foundation pit support profile

3 基坑支護(hù)設(shè)計(jì)

結(jié)合當(dāng)?shù)毓こ探?jīng)驗(yàn)與規(guī)范要求，本研究擬采用樁錨支護(hù)，設(shè)置三排預(yù)應(yīng)力錨索，錨索配置見表2，樁錨支護(hù)概念圖如圖3所示.基于上述概念模型，開展樁徑、樁長與樁間距對支護(hù)效果影響分析，提出適宜的樁基設(shè)計(jì)參數(shù).

表2 預(yù)應(yīng)力錨索配置表Tab.2 Parameters of prestressed anchor cable 單位：m

圖3 3-3’支護(hù)剖面Fig.3 3-3’foundation pit profile

圖4 不同樁徑土體深層水平位移分布曲線Fig.4 Distribution curve of deep horizontal displacement of soil with different pile diameters

3.1 樁徑不同

以直徑為400、600、800 mm PRC管樁為支護(hù)結(jié)構(gòu)，樁間距均為1000 mm，樁長為15 m，錨索設(shè)置見表2，圖4表示樁后土體深層水平位移分布曲線.眾所周知，隨著樁徑變化，基坑單位面積上圍護(hù)結(jié)構(gòu)的剛度隨之變化.當(dāng)樁徑從400 mm增大至800 mm，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的整體剛度增加；相應(yīng)地，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)周圍土體變形也隨之減小.郎肯土壓力理論認(rèn)為，隨著埋深增大，樁后土壓力逐漸增大并在懸臂支撐點(diǎn)附近達(dá)到極值，所有樁體對應(yīng)的深層水平位移最大值在懸臂支撐結(jié)構(gòu)點(diǎn)附近，數(shù)值模擬規(guī)律與理論分析一致.數(shù)值分析顯示，樁徑為400 mm時(shí)，水平位移最大值26.5 mm，最終位移量非常接近規(guī)范要求的30 mm上限值.因此，樁徑選擇建議600～800 mm.

3.2 樁長不同

以樁長為13、15、17 m的PRC管樁為支護(hù)結(jié)構(gòu)，樁徑均為600 mm，樁間距為1000 mm，三層錨索設(shè)置不變，土體深層水平位移分布曲線如圖5所示.隨著樁長增加，土體深層水平位移逐漸減小.總體而言，樁長對水平位移的控制作用并不明顯.樁長設(shè)置為13～17 m時(shí)，樁體入土深度1.3～5.3 m，均能保證基坑穩(wěn)定.但是，已有經(jīng)驗(yàn)表明，當(dāng)樁體入土深度小于2 m時(shí)，在不利條件組合情況下，坑底下的土體存在難以約束樁體并向坑內(nèi)變形的趨勢，最終可能導(dǎo)致樁端發(fā)生踢腳破壞，引起基坑失穩(wěn)［19］.此外，從模擬結(jié)果可知，當(dāng)樁長為15 m時(shí)，已滿足結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性要求，此時(shí)再增大樁長，意義不大.因此，從經(jīng)濟(jì)實(shí)用性角度，樁長建議值為15～17 m.

3.3 樁間距不同

以樁間距為800、1000、1200 mm的PRC管樁為支護(hù)結(jié)構(gòu)，樁徑均為600 mm，樁長為15 m，三層錨索設(shè)置不變，土體深層水平位移分布曲線如圖6所示.數(shù)值模擬結(jié)果顯示，隨著樁間距增加，土體深層水平位移量逐漸增大.在800～1200 mm范圍內(nèi)，樁間距并不是影響基坑周圍土體水平位移的關(guān)鍵因素.從深層水平位移量角度分析，樁間距在800～1200 mm范圍內(nèi)變化，均能滿足技術(shù)要求.

在深基坑支護(hù)工程中，由于樁-土相互作用可在土中形成土拱效應(yīng)，樁間土能夠不從樁間滑出［20-22］.基于土拱效應(yīng)，支護(hù)樁間距［23］：

圖5 不同樁長土體深層水平位移分布曲線Fig.5 Distribution curve of deep horizontal displacement of soil with different pile lengths

圖6 不同樁間距土體深層水平位移分布曲線Fig.6 Distribution curve of deep horizontal displacement of soil with different pile spacing

其中，

一般認(rèn)為，在基坑工程中，樁后土壓力是主動(dòng)土壓力，采用郎肯主動(dòng)土壓力公式近似得到：

其中：s為樁間距（mm）；d為樁徑（m）；c為黏聚力（kPa）；j為內(nèi)摩擦角（°）；q0為地面荷載（kPa）；r為土體重度（kN/m3）；h為計(jì)算點(diǎn)埋深（m）.

地面荷載q0=10 kN/m2，土體重度近似取r=18 kN·m-3.通過式（3）和（4）計(jì)算，β=46.1°；通過式（2）和（5）計(jì)算，l=0.38 m；通過式（1），s=980 mm.

綜合數(shù)值分析以及基于土拱效應(yīng)的理論計(jì)算結(jié)果，本研究建議樁間距設(shè)置為1000 mm.

4 討論

4.1 PRC管樁“等效替代”灌注樁

經(jīng)過第3節(jié)計(jì)算，本研究最終優(yōu)化出樁徑600 mm、樁長15 m、樁間距1000 mm，三排預(yù)應(yīng)力錨索為支護(hù)形式.開挖至設(shè)計(jì)深度后，基坑周圍土體深層水平位移云圖如圖7所示.從圖7可知，隨著基坑開挖深度增加，基坑開挖的影響范圍逐漸增大，在基坑底部靠近內(nèi)坑位置的水平位移值最大，并且向周邊輻射趨于減小.由于錨桿的拉力作用，基坑上部樁周土位移量比下部的位移量小得多.從結(jié)果分析得到，坑底最大位移值約14.5 mm.

圖7 基坑周圍土體深層水平位移云圖Fig.7 Cloud map for deep horizontal displacement of soil around the foundation pit

對于基坑工程而言，支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)參數(shù)主要考慮樁體的抗彎和抗剪性能.當(dāng)樁徑相同時(shí)，PRC管樁存在某一樁型，能夠保證上述力學(xué)性能與等直徑的灌注樁相等，甚至優(yōu)于灌注樁，此設(shè)計(jì)方法可視為基坑支護(hù)的PRC管樁“等效替代”.事實(shí)上，本研究上述分析過程完全可以用于同等抗彎、抗剪性能的灌注樁（與PRC管樁具有相同直徑、樁長與樁間距）.在基坑設(shè)計(jì)領(lǐng)域，理正基坑支護(hù)軟件是常用設(shè)計(jì)軟件，但是理正軟件并沒有針對管樁的輸入接口.本研究首先采用600 mm的灌注樁進(jìn)行基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，再基于“等效替代”理念，采用PRC-1600B110管樁直接替代灌注樁.事實(shí)上，許多技術(shù)與研究人員已開始采用這一思想用于軟土地區(qū)的管樁基坑支護(hù)設(shè)計(jì).

4.2 PRC管樁支護(hù)效果分析

圖8為開挖完成后3-3’支護(hù)剖面深層水平位移監(jiān)測曲線，該剖面即為本研究基坑支護(hù)斷面.圖8也包括不同開挖工況對應(yīng)的模擬位移曲線：基坑開挖3.0 m、施加三道錨索以及開挖至坑底設(shè)計(jì)標(biāo)高三種工況.基坑監(jiān)測點(diǎn)zkq31位于支護(hù)面中部，整體位移位于基坑內(nèi)側(cè).一般而言，基坑深層土體水平位移分布形態(tài)受監(jiān)測點(diǎn)所在位置影響較大，基坑拐角位置甚至?xí)霈F(xiàn)水平位移朝向基坑外側(cè)現(xiàn)象［24］.本研究中，分析對象3-3’剖面處于支護(hù)斷面中間位置，離拐角距離超過35 m，故可認(rèn)為圖8深層水平位移數(shù)值對3-3’剖面具有普適性.

此外，深層水平位移實(shí)測值普遍小于數(shù)值模擬數(shù)值，這與董貴平等［19］、鄭軒等［24］的分析結(jié)果趨勢相同，原因可能是由于巖土工程勘察報(bào)告中的土體物理力學(xué)參數(shù)取值保守所致.這意味著，采用數(shù)值模擬分析得到的位移數(shù)值是偏安全的.總體而言，實(shí)測值與模擬值變化趨勢相同，二者具有很好的一致性.這也證明了本文提出的“等效替代”理念的可靠性.

4.3 PRC管樁支護(hù)經(jīng)濟(jì)與工期優(yōu)勢

本研究依托工程實(shí)際用樁數(shù)量為412根，總工程量為5100 m.根據(jù)市場調(diào)查，PRC管樁與灌注樁綜合單價(jià)分別為406元/m、622元/m.與灌注樁相比，采用PRC管樁比灌注樁節(jié)省費(fèi)用約110萬元，占預(yù)算數(shù)額3 172 200元的34.6%，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益.

根據(jù)附近工程經(jīng)驗(yàn)，灌注樁一般采用正循環(huán)施工，工效約180 m/d，PRC管樁采用靜壓直接壓入，工效約260 m/d.以本工程為例，與灌注樁施工相比，PRC管樁可節(jié)約工期8 d.更為重要的是，作為裝配式預(yù)制件，靜壓施工不受環(huán)保條件限制，能夠保證連續(xù)施工；同時(shí)，PRC管樁施工后無養(yǎng)護(hù)時(shí)間，無休止期，可直接開挖，對土方工程無影響；此外，PRC管樁靜壓施工無籠筋焊接、泥漿外運(yùn)等附加工序.施工中如果遇到沉樁困難或需要完全消除擠土效應(yīng)，可選擇長螺旋引孔處理，對工期并無影響.

圖8 zqk31監(jiān)測點(diǎn)深層水平位移實(shí)測曲線Fig.8 Measured curve of deep horizontal displacement for monitoring point zqk31

5 結(jié)論

本研究采用數(shù)值模擬與工程實(shí)測數(shù)據(jù)相結(jié)合的方法，以開封某典型深基坑為工程背景，對PRC管樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的深層水平位移進(jìn)行了深入研究，可為黃河中下游沖洪積地層中深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考.通過分析，得出以下結(jié)論：

1）采用MIDAS軟件可用于優(yōu)化基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，篩選出合理樁徑、樁長與樁間距.并可利用“土拱效應(yīng)”驗(yàn)證樁間距設(shè)置的合理性.

2）根據(jù)“等效替代”理念，將灌注樁替代為等直徑PRC管樁，對于黃河中下游沖洪積地層的深基坑支護(hù)設(shè)計(jì)是可行的；不同工況條件下，基坑周圍土體的深層水平位移與開挖前的數(shù)值模擬數(shù)值一致，PRC管樁能夠達(dá)到與灌注樁相同的支護(hù)效果.

3）在黃河中下游沖洪積地層采用PRC管樁開展基坑支護(hù)工程，相比灌注樁節(jié)省費(fèi)用34.6%，節(jié)省工期44.4%；PRC管樁亦不受環(huán)保條件限制，可施工性優(yōu)勢明顯.