柳 瑤, 賴國梁, 陳 國, 宋 志, 宮立茂, 侯合強, 賈磊柱, 滕 峰

(1 湖北中建三局建筑工程技術(shù)有限責(zé)任公司，武漢 430070；2 中建三局集團有限公司工程總承包公司，武漢 430070)

0 引言

在預(yù)應(yīng)力混凝土管樁中加入一定數(shù)量的非預(yù)應(yīng)力鋼筋,形成新型的混合配筋預(yù)應(yīng)力混凝土管樁稱為PRC管樁。PRC管樁具有抗彎、抗剪能力強,延性高的特性,且PRC管樁具有樁身質(zhì)量好、施工速度快、低碳環(huán)保、工程造價低、樁身檢測方便、工廠化生產(chǎn)等特點,因此更適宜應(yīng)用于以受水平力為主的基坑工程中[1]。

將傳統(tǒng)的豎直懸臂結(jié)構(gòu)進行一定角度的傾斜,同時利用冠梁將傾斜樁與懸臂直樁進行連接,形成基坑斜直交替支護體系,由于此支護體系的重力、剛架及斜撐效應(yīng),可以有效減小樁身水平變形和坑外沉降[2-3]。用適當(dāng)角度的傾斜樁代替原雙排樁支護結(jié)構(gòu)中的前排樁,可有效減小雙排樁變形與內(nèi)力的效果,同時存在一個最優(yōu)傾角使樁身變形和內(nèi)力減小效果達到最佳[4]。馬雪兵等[5]通過有限元方法研究了傾斜雙排樁材質(zhì)與傾角等參數(shù)對傾斜雙排樁支護效果的影響,結(jié)果表明前樁外傾后樁垂直的雙排樁形式效果最佳,前排傾斜雙排樁支護位移隨角度增大逐步減小并收斂。不少學(xué)者通過模型試驗和數(shù)值模擬計算研究了傾斜樁的受力性狀,結(jié)果都表明傾斜樁在控制樁身變形及內(nèi)力的效果要強于豎直樁[6-8]。

目前對PRC管樁力學(xué)性能理論研究較多,傾斜樁支護效果及工作機理的研究成果也很豐富,但關(guān)于PRC管樁和傾斜樁在基坑工程中應(yīng)用的相關(guān)報道相對較少。文獻[2-3]報道了預(yù)制傾斜方樁在天津某基坑工程中的應(yīng)用,并通過數(shù)值計算與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)相結(jié)合驗證了傾斜樁的應(yīng)用優(yōu)勢。文獻[9-10]介紹了預(yù)制管樁在基坑支護中的應(yīng)用,根據(jù)理論計算與實測值對比分析,驗證了預(yù)制管樁用于基坑支護的可靠性和有效性。李仁民等[11]介紹了雙排高強預(yù)應(yīng)力混凝土管樁在某基坑支護工程中的應(yīng)用,實施效果表明雙排高強預(yù)應(yīng)力管樁工效高、造價低,整體性能好,對控制基坑及周圍環(huán)境變形極為有利。

總之,國內(nèi)關(guān)于基坑工程傾斜樁支護應(yīng)用的案例較少,傾斜PRC管樁組合支護的應(yīng)用更少。本文從設(shè)計、施工與應(yīng)用效果角度分析仙桃某軟土基坑傾斜PRC管樁組合支護結(jié)構(gòu)應(yīng)用案例,研究其支護效果。

1 工程概況

湖北省仙桃市某項目地上五層,地下部分設(shè)置一層地下室,結(jié)構(gòu)形式為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)(帶有少量剪力墻),基礎(chǔ)形式為靜壓高強預(yù)應(yīng)力混凝土管樁基礎(chǔ)?；悠毡殚_挖深度5.15m(承臺底),局部電梯井開挖深度7.25m,基坑開挖面積約8700m2,周長414m。

場地位于仙桃市城南新區(qū),場地地貌單元屬江漢沖積平原,漢江一級階地,地勢較為平坦。場地內(nèi)各地層土性描述如下:

(1)素填土層厚0.3～0.9m,主要成分為軟塑狀黏性土,夾植物根莖,偶見磚渣、碎石及生活垃圾,土質(zhì)不均,為新近回填而成,褐黃,松散。

(2)粉質(zhì)黏土夾粉土層厚0.8～2.4m,含少量鐵錳質(zhì)氧化物,夾粉土薄層,層底偶夾粉砂團塊,土質(zhì)較均勻,褐黃,軟塑～可塑/中密,中偏高壓縮性。

(3)淤泥質(zhì)黏土層厚2.0～3.4m,含少量腐植質(zhì)及有機質(zhì),局部夾白色螺殼,層頂偶夾粉砂薄層,土質(zhì)均勻,灰黃,流塑,高壓縮性。

(4)黏土層厚2.4～4.7m,含少量鐵質(zhì)氧化物及高嶺土,土質(zhì)均勻,灰褐,可塑,中等壓縮性。

(5)粉質(zhì)黏土層厚3.1～7.7m,含少量腐植質(zhì),偶夾粉土薄層,土質(zhì)均勻,灰黃,軟塑～可塑,中偏高壓縮性。

(6-1)粉質(zhì)黏土夾粉砂層厚1.0～5.7m,含少量云母碎屑,夾粉砂薄層或團塊,土質(zhì)不均,灰色,可塑/松散,中等壓縮性。

(6-2)粉砂夾粉質(zhì)黏土層厚1.2～6.4m,含少量云母碎屑,夾黏性土團塊,土質(zhì)不均,分選性較差?；疑?稍密/可塑,中等壓縮性。

(7)粉砂層厚1.0～5.7m,含少量云母碎片、石英,偶夾黏性土團塊,黏粒含量較少,土質(zhì)較均勻,分選性較好?；疑?中密,中偏低壓縮性。

本場地地下水主要有兩種類型:一類為賦存于(1)素填土中的上層滯水,主要受大氣降水、生活排放水滲透補給;另一類為賦存于砂層的承壓水,根據(jù)區(qū)域水文地質(zhì)資料,該層承壓水水位和水量較為穩(wěn)定,水量較大,稍有壓力,補給來源主要為漢江及周邊側(cè)向補給。土層參數(shù)詳見表1,其中γ為土的重度,Es和Kv分別為土的壓縮模量和滲透系數(shù),黏聚力C和內(nèi)摩擦角Φ均為直剪固結(jié)快剪指標。

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)

2 基坑支護方案

2.1 支護方案選擇

支護結(jié)構(gòu)設(shè)置時,應(yīng)保證傾斜支護樁不與地下結(jié)構(gòu)沖突,對于傾斜樁與坑內(nèi)工程樁空間碰撞問題,主要是將支護樁往坑外后退一定距離,對無法避開的局部區(qū)域,主要是采取避讓措施,將沖突位置傾斜樁調(diào)整為垂直樁。在基坑陰角,為防止傾斜樁在基坑底以下沖突,將此區(qū)域采用垂直支護樁+角撐形式。支護樁應(yīng)保證不與地下結(jié)構(gòu)沖突,斜樁在基坑底標高以下可侵入地下結(jié)構(gòu)最外輪廓,但應(yīng)避開工程樁或局部深坑等地下結(jié)構(gòu)。

綜上所述,本工程具體支護方案為:基坑采用PRC-Ⅰ-600-AB(110)管樁支護,在挖深5.25m區(qū)域采用斜直交替支護,在挖深7.25m區(qū)域采用斜直組合雙排樁支護,基坑外側(cè)設(shè)置φ700@900單軸水泥土攪拌樁止水帷幕,攪拌樁長5.0m,進入第(4)層不透水黏土層,雙排樁間采用φ700@500 雙管旋噴樁加固,坑內(nèi)采用管井降水,基坑平面及典型支護剖面如圖1～3所示。

圖1 平面圖與測點布置

圖2 斜直交替典型支護剖面

圖3 斜直組合雙排樁典型支護剖面

2.2 PRC管樁組合支護結(jié)構(gòu)計算

目前已有的基坑支護設(shè)計軟件并不能滿足計算傾斜樁受力的需求,故采用PLAXIS 巖土工程專業(yè)有限元軟件,按平面應(yīng)變連續(xù)介質(zhì)有限元方法進行分析。根據(jù)土質(zhì)條件及環(huán)境情況選取不同剖面進行計算,有限元分析典型剖面見圖4、5。

圖4 斜直交替計算模型

圖5 斜直組合雙排樁計算模型

PRC-Ⅰ-600-AB(110)管樁受彎承載力極限值522kN·m,樁身受剪承載力極限值470kN,根據(jù)有限元計算提取的支護樁內(nèi)力位移包絡(luò)值見表2,各區(qū)域樁身彎矩及剪力均小于樁身極限承載力。

表2 支護樁內(nèi)力位移包絡(luò)值

2.3 預(yù)制樁與冠梁細部構(gòu)造設(shè)計

預(yù)制樁與冠梁、前后排預(yù)制樁之間的有效連接是保證管樁組合支護結(jié)構(gòu)整體受力的關(guān)鍵,傾斜PRC管樁組合支護結(jié)構(gòu)的冠梁構(gòu)造大樣見圖6。

圖6 冠梁構(gòu)造大樣

對于斜直交替支護結(jié)構(gòu),圖6(a)有預(yù)制樁區(qū)域,在冠梁兩側(cè)外擴預(yù)制樁頂部分貼近預(yù)制樁各設(shè)置一道通長暗梁,暗梁部分設(shè)置通長縱筋及封閉箍筋;圖6(b)無預(yù)制樁區(qū)域,對整個冠梁設(shè)置封閉箍筋,封閉箍筋與通長暗梁縱筋形成冠梁整體配筋。

對于斜直組合雙排樁支護結(jié)構(gòu),圖6(c)有預(yù)制樁區(qū)域,在冠梁兩側(cè)外擴預(yù)制樁頂部分貼近預(yù)制樁各設(shè)置一道通長暗梁,暗梁部分設(shè)置通長縱筋及封閉箍筋,冠梁頂部設(shè)置附加U形鋼筋;圖6(d)無預(yù)制樁區(qū)域,對整個冠梁設(shè)置封閉箍筋,冠梁頂?shù)追謩e設(shè)置附加U形筋,封閉箍筋與冠梁兩側(cè)通長暗梁和前后排樁間通長暗梁縱筋形成冠梁整體配筋。

支護樁頂冠梁兩側(cè)暗梁通長縱筋的設(shè)置,加強暗梁對支護樁的約束,防止支護樁與冠梁連接節(jié)點失效。斜樁兩側(cè)附加的橫向彎起鋼筋,加強預(yù)制樁的抗剪切安全度;冠梁間封閉箍筋的設(shè)置,使封閉箍筋與暗梁鋼筋形成受力體系,從而滿足樁頂傳力要求,使冠梁不產(chǎn)生整體破壞。雙排樁支護結(jié)構(gòu)冠梁頂、底附加U形筋和前后排樁間暗梁設(shè)置,加強了前后排樁間連接,同時預(yù)制樁頂采取填芯處理,確保受拉樁不與冠梁脫離。

預(yù)制樁頂填芯構(gòu)造大樣見圖7。預(yù)制樁頂內(nèi)設(shè)置5mm厚圓薄鋼板及放入鋼筋骨架,樁頂填芯采用微膨脹混凝土,澆筑填芯混凝土前,應(yīng)先將管樁內(nèi)壁清理干凈,以提高填芯混凝土與管樁樁身混凝土的整體性。斜直交替支護樁中傾斜樁受壓,直樁受拉,斜直組合雙排樁支護結(jié)構(gòu)中斜樁受壓,后排直樁上部受拉,下部受壓,參考《預(yù)應(yīng)力混凝土管樁》(10G409)圖集中樁頂填芯要求,傾斜樁頂填芯長度采用1.8m,直樁頂填芯長度采用3m。

圖7 管樁填芯大樣

3 傾斜PRC管樁組合支護結(jié)構(gòu)施工

選用傾斜PRC管樁組合支護結(jié)構(gòu)后,支護結(jié)構(gòu)施工過程中,尚存在以下幾個難點:

(1)單節(jié)PRC支護管樁最大樁長為15m,本次基坑支護中斜直交替支護段最大樁長為17m,斜直組合雙排樁支護段最大樁長為18m,因此在施工過程中均需要接樁,須考慮接樁位置及接樁處理。

(2)本項目西側(cè)為市人民政府辦公大樓,東側(cè)為市第一人民醫(yī)院,醫(yī)院內(nèi)存在多種精密儀器,對場地振動非常敏感,周邊環(huán)境保護要求非常高,因此在工法選擇上需考慮周邊環(huán)境的影響。

(3)PRC管樁屬于部分擠土樁,且支護樁相比工程樁樁間距更小,須采取有效措施減小PRC管樁擠土效應(yīng),保證PRC管樁施工質(zhì)量,防止支護樁發(fā)生偏位、上浮以及斷樁等問題。

針對以上幾個問題,施工過程中所采用的解決方法分別為:

(1)經(jīng)計算分析,垂直樁樁身彎矩和最大位移處在支護樁頂部,傾斜樁樁身彎矩及最大位移處在基坑開挖面附近,因此將接樁位置設(shè)置于基坑開挖面以下,且相鄰兩根樁接樁位置錯開,以減小接樁對整個樁身力學(xué)性能的影響。采用對稱、分層施焊,使上下兩端PRC管樁連接牢靠,不影響樁身穩(wěn)定性及受力特性。

(2)靜力壓樁工法具有以下優(yōu)點:1)無噪聲、無振動、無污染;2)可減少振動對地基和相鄰建筑物的影響;3)樁頂不易損壞,沉樁精度高,經(jīng)綜合考慮本項目管樁采用靜力壓樁工法施工。經(jīng)市場調(diào)研傾斜靜力壓樁機施工成本較高,且機械設(shè)備運輸成本不菲,綜合考慮采用市面上常見的YZY-800型全液壓靜力壓樁機,在不破壞靜力壓樁機機械結(jié)構(gòu)情況下,將靜力壓樁機的移動壓樁臺進行改造,使得移動壓樁臺達到15°傾斜,達到施工傾斜樁的效果,后期可將移動壓樁臺恢復(fù)水平狀態(tài),滿足預(yù)制垂直樁的施工要求。改造后的YZY-800靜力壓樁機如圖8所示。

圖8 改造后液壓靜力壓樁機

(3)傾斜PRC管樁組合支護結(jié)構(gòu)施工時先將直樁壓至設(shè)計標高,再施工傾斜樁。不同的樁基施工順序應(yīng)為先深后淺、先大后小、先長后短、間隔沉樁;同時本項目地下室結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)形式為預(yù)應(yīng)力混凝土管樁,先施壓場地中央的基礎(chǔ)工程樁,后施壓周邊的支護樁。

4 基坑變形監(jiān)測

基坑施工前制定了監(jiān)測方案,主要針對支護樁及冠梁的位移監(jiān)測,監(jiān)測點位布置如圖1所示,深層水平位移監(jiān)測沿樁身每米一個測斜點位。本次監(jiān)測同時也是試驗過程,用于驗證傾斜PRC管樁組合支護結(jié)構(gòu)的效果,基坑開挖順序為從北向南退挖,2021年11月8日開挖至基底并完成基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)施工,基坑開挖見底時的現(xiàn)場情況見圖9。

圖9 基坑開挖現(xiàn)場

4.1 冠梁水平位移

圖10為樁頂冠梁水平位移曲線。從圖10可以看出,基坑南北側(cè)前斜后直雙排樁支護段冠梁位移均較大,冠梁測點C5水平位移最大,位移達20.3mm;除測點C18外,前斜后直雙排樁支護段冠梁水平位移一般比斜直交替支護段大。斜直交替支護段中冠梁測點C18處支護樁底位于(6-2)粉砂夾粉質(zhì)黏土層,其余測點支護樁底位于(7)粉砂層,(6-2)層壓縮模量較(7)層小,導(dǎo)致測點C18位移較大。在土方開挖過程中,冠梁水平位移變化速率有明顯增大,但基坑開挖到底后隨著基礎(chǔ)墊層及底板的澆筑,位移變化速率趨于穩(wěn)定。

圖10 冠梁水平位移曲線

4.2 樁體深層水平位移

圖11(a)給出的是斜直交替豎直樁水平位移的監(jiān)測結(jié)果,隨開挖深度增加,樁身變形逐漸增大,樁頂位移最大,并且隨開挖深度增大,樁頂位移的增大幅度更大,當(dāng)開挖到基坑底后樁頂位移趨于平穩(wěn)。

圖11 深層水平位移曲線(2021年)

圖11(b)給出的是斜直交替傾斜樁水平位移的監(jiān)測結(jié)果,傾斜樁樁身位移最大位置開始在樁頂,隨時間推移或開挖深度增加,樁身最大位移下移趨勢明顯,傾斜樁變形趨勢類似于樁撐結(jié)構(gòu)變形規(guī)律。隨開挖深度增加,傾斜樁樁身位移增大的幅度相對較為均勻。

圖11(c)、(d)給出的分別是前排傾斜樁和后排豎直樁水平位移的監(jiān)測結(jié)果,支護樁樁身最大位移總體發(fā)生在樁頂向下的位置。后排豎直樁位移在初始階段最大位移位于樁頂,且大于傾斜樁位移;隨開挖深度增加,前后排樁身最大位移均逐漸下移,前排傾斜樁最大位移增幅明顯大于后排豎直樁;樁身位移趨于穩(wěn)定后,斜樁位移略大于直樁位移。

現(xiàn)場監(jiān)測的沿深度的變化趨勢與計算結(jié)果較為一致,但監(jiān)測位移結(jié)果要小于有限元計算結(jié)果。這一方面可能是PRC管樁在生產(chǎn)過程中施加預(yù)應(yīng)力,對支護結(jié)構(gòu)變形控制有利,計算時暫無法考慮預(yù)應(yīng)力對變形控制的影響,另一方面可能是計算時支護樁抗彎剛度按照規(guī)范方法折減較為保守,導(dǎo)致有限元計算的樁身位移偏大。

5 結(jié)語

(1) PRC管樁具有抗彎剛度大、延性高和成樁可靠等優(yōu)點,更適合于受水平力為主的基坑工程。

(2)根據(jù)現(xiàn)場實際施工情況,經(jīng)改造的靜力壓樁機斜樁施工效果較好,但其角度調(diào)整范圍較小;已有國產(chǎn)傾斜靜力壓樁設(shè)備較少,施工費用高,須進行相關(guān)設(shè)備配套研發(fā),降低其施工費用。

(3)斜直組合雙排樁位移最大值均發(fā)生在樁頂往下部位,前排傾斜樁位移略大于后排豎直樁,前排傾斜樁起到了一定支撐作用。斜直交替支護中豎直樁最大位移發(fā)生在樁頂,其變化趨勢與懸臂樁類似;傾斜樁最大位移在樁頂往下部位,傾斜樁變形趨勢類似于樁撐結(jié)構(gòu)變形規(guī)律。

(4)據(jù)現(xiàn)場實測結(jié)果,土體深層水平位移均比計算值小,PRC管樁對控制支護結(jié)構(gòu)變形有著明顯作用,有待進一步研究PRC管樁的作用機理。