PHC 管桩在基坑支护结构中的应用

吴连祥

（启东市建筑设计院有限公司，江苏 启东 226200）

0 引言

PHC 管桩由于单桩承载力高、施工速度快、工期短、造价低、施工现场文明等许多优点，在基础工程中得到广泛应用。 目前PHC 管桩大量用作抗压桩，承受竖向压力，少量用作抗拔桩，承受竖向拉力，但用作基坑支护的抗弯桩，承受水平力，用量还很少。 近年来理论研究和工程应用表明，PHC 管桩在适宜条件下用作基坑支护结构是可行的，且同样具有工效快、工期短、造价低、环境佳等优点，应大力推广应用。

1 管桩支护结构设计要点

1.1 搜集设计资料

首先详细分析工程地质资料，特别是基坑影响深度范围内的地质情况，熟悉地下室结构施工图和桩基施工图，根据地下室要求确定基坑的挖土范围和挖土深度，摸清基坑周边建筑物及各种地下管线的详细资料，在此基础上，确定基坑支护结构安全等级。

1.2 确定结构类型

管桩支护结构属于排桩支护结构的一种形式，可分为三种结构类型：悬臂结构、单支点结构、多支点结构。

悬臂结构：无锚无撑，依靠自身的刚度和强度维持稳定的支护结构。 当重力式挡墙因场地宽度不够而不能采用时， 悬臂式挡墙就能克服这个缺点，但悬臂式挡墙的位移比较大，难以满足周边环境的严格要求，一般只能用于浅基坑。

单支点结构： 依靠一道撑或一道锚来维持基坑稳定，一般用于挖深不大的基坑工程。 锚一般采用土层锚杆； 土层锚杆要求具有比较好的地质条件， 同时必须有足够开阔的场地条件或者容许锚杆可以伸入红线以外的土层中。

多支点结构： 依靠多道撑或多道锚来维持基坑稳定， 对于深基坑可以采用多道撑或多道锚来平衡土压力，因而可以适用于开挖较深的基坑。

根据基坑挖深、周边环境和地质条件，选择管桩支护结构类型。

1.3 计算侧向荷载

1.3.1 土压力、水压力

关于土压力的计算，《建筑基坑支护技术规程》（JGJ120-2012）规定：采用朗肯理论计算，在考虑土中水对侧向压力的影响时， 砂土和粉土采用水土分算，粘性土采用水土合算。

所谓水土合算和水土分算， 就是在计算公式中，土的重度是用天然重度还是浮重度，在物理概念上是土中水对挡墙的作用如何考虑的问题。 假定不同，采用的强度指标不同，计算方法也不同。

1.3.2 施工荷载产生的侧压力

施工荷载通常按20 kPa 考虑， 如果过大的荷载无法避免，则应在设计时加以考虑。 设计时没有考虑的超载，施工过程中必须禁止出现。

1.3.3 永久性荷载产生的侧压力

基坑设计的永久性荷载主要是：基坑周边建筑物的基底荷载，这种荷载对基坑稳定性有一定的影响。 当建筑物距基坑比较近，由这些永久性荷载产生的土压力就不能忽视。

1.4 计算结构内力及变形

管桩支护结构内力及变形的计算方法很多，包括古典分析方法、解析方法和数值分析方法。

古典分析方法不考虑挡墙变形及挡墙与土的相互作用，将土压力作为外力施加于支护结构，然后通过求解水平方向合力及支撑点的弯矩为零的方程得到结构内力。 主要有：静力平衡法、等值梁法。

解析方法是通过将挡土结构分成有限个区间，建立弹性微分方程， 再根据边界条件和连续条件，求解挡土结构内力和支撑轴力。

古典分析方法和解析方法由于在理论上存在各自的局限性而难以满足复杂基坑工程的设计要求，随着基坑工程的发展和计算技术的进步，目前常用的数值分析方法主要有平面弹性地基梁法和平面连续介质有限元法，如北京理正、同济启明星等软件都是采用此类数值分析方法。

管桩挡墙虽然由单个桩体组成，但其竖向受力形式与壁式地下连续墙是类似的，其区别在于分离布置的管桩之间不能传递剪力和水平向的弯矩，在设计中一般通过在水平向设置围懔来加强桩墙的整体性。 计算时，一般将桩墙按抗弯刚度相等的原则等价为一定厚度的壁式地下连续墙进行内力分析，仅考虑桩体竖向受力和变形。 采用北京理正或同济启明星等软件可以方便地对管桩支护结构进行内力和位移计算， 自动绘出内力及位移包络图，有撑或有锚时还给出水平力。

1.5 验算管桩强度

PHC 管桩的抗弯性能是用作支护桩的重要指标，一般PHC 管桩图集中对各种规格的PHC 管桩设计弯矩值和设计剪力值均在力学性能参数表中给出。

根据管桩支护结构的内力计算结果， 将PHC管桩所受的最大弯矩标准值及最大剪力标准值，换算成最大弯矩设计值及最大剪力设计值，与参数表中对应型号的桩比对，选定PHC 管桩型号，如果前者小于后者，则所选管桩桩身强度满足要求。

1.6 验算稳定性

稳定性验算，实际上就是验算支护结构在土压力和水压力作用下是否满足静力平衡条件，并是否具有所要求的、必要的设计安全度。

验算包括：悬臂结构嵌固稳定性；单支点结构嵌固稳定性；悬臂结构、锚拉式结构整体稳定性（圆弧滑动）；支护结构的抗隆起稳定性；多支点结构最下层支点为轴心的圆弧滑动稳定性（小圆弧滑动）；地下水渗透稳定性等。

目前常用的北京理正、同济启明星等软件均可对上述各种稳定性进行验算，重要的是设计人员应用时必须要有清晰的结构概念和土力学概念。

2 工程实例

2.1 工程概况

启东市东辰公寓二期工程由2 栋高层住宅和沿街商业建筑组成，建筑面积21 870 m2，设一层地下室，建筑面积57 80 m2。该工程采用静压桩，整体桩筏基础，基坑呈矩形，南北向长92 m，东西向宽70 m，基坑周长324 m，基坑面积约6 500 m2。±0.00相当于绝对标高（85 高程）3.07 m，自然地面整平后标高约为2.47 m，相对标高为-0.60 m，基坑挖深5.6 m，拟建高层住宅楼处挖深6.3 m，坑中坑挖深达7.6 m。

2.2 环境条件

拟建场地位于启东市人民路北侧， 建设路东侧，原为镇卫生院，经拆除后场地平坦。 基坑南侧距人民路边线最近处9.05 m；西侧为建设路，基坑边离用地红线最近处3 m， 用地红线与道路边线相距6 m；北侧为正在施工的住宅区，距最近的建筑8.2 m；基坑东侧为住宅区，最近处离车库3.8 m，距高层住宅楼8.7 m。 如图1 所示。

2.3 地质条件

基坑影响深度范围内，各土层分层描述如下：

（1）填土：褐黄色，土质不均匀，主要成分为粉质粘土，含碎砖、砼块和植物根茎，结构松散，力学性质较差。

图1 基坑周边环境示意图

（2）淤泥质粉质粘土：灰色，流塑，土质不均匀，夹淤泥质粉土、粉质粘土，属高压缩性土。

（3）粉土：灰色，土很湿，稍密，土质不均匀，夹淤泥质粉土、粉质粘土，含云母碎片，属中压缩性土。

（4）粉砂：灰色，饱和，稍密，土质不均匀，含贝壳碎屑，云母，属中～低压缩性土。

场地地下水类型为孔隙潜水，埋藏较浅，为自然地面下0.5～1.8 m 左右。

地基土分层特性见表1。

2.4 基坑支护的方案选择和设计

2.4.1 基坑支护方案选择

根据基坑挖深、周边环境和地质情况，支护结构安全等级除放坡开挖段为三级外， 其余均为二级。针对本基坑的特点，区别不同的环境条件，因地制宜采用不同的支护方案。

表1 各土层特性表

对具备放坡条件的南侧地段优先采用自然放坡细石混凝土挂网抹面方案，对放坡坡比受到限制的西侧地段，采用土钉墙挂网喷锚支护方案；北侧距分隔围墙6 m， 采用重力式水泥土挡墙方案，格栅式布置，纵横向搭接200，挡墙宽3.2 m。

东侧距分隔围墙最近处仅2.3 m， 经过多方案的比较，决定采用预应力混凝土管桩加一道水泥土旋喷加筋锚桩挡土， 管桩外侧设两排Φ700 水泥土搅拌桩作止水帷幕的方案，管桩支护剖面见图2。

2.4.2 东侧管桩支护结构设计

（1）内力变形计算

管桩挡土结构采用同济启明星FRWS7 软件分析计算。 内力变形计算结果如图3 所示，每根桩抗弯刚度EI=47 752 kN.m2。 内力计算结果是每根桩的，支撑反力是每延米的,见表2。

图2 管桩支护剖面图

（2）锚桩抗拔计算（表3）

图3 内力变形计算结果

表2 支撑（锚）反力范围表

（3）PHC 管桩强度验算

表3 锚桩抗拔计算

管桩选用PHC-500（125）B-C80-11，从图3 中可以看出，PHC 管桩的桩身最大弯矩标准值为173 kN·m，作用点位于桩顶下3 m 左右处。 PHC 管桩的桩身最大剪力标准值为120.2 kN， 作用点位于桩顶下5.8 m 处。由《预应力混凝土管桩》（苏G03-2012）图集可查得，PHC-500 （125）B-C80 管桩的弯矩设计值为254 kN·m，剪力设计值为307 kN。 最大弯矩验算：173×1.25×1= 216.25 kN·m＜254 kN·m， 最大剪力验算：120.2×1.25×1=150.25 kN＜307 kN。 表明以PHC-500（125）B-C80 作为该基坑支护桩时，桩身强度满足要求。

根据图3 计算结果，PHC 管桩的最大位移为13.6 mm，满足基坑设计最大位移小于30 mm 的限值要求。支护结构的变形和基坑侧壁的位移均满足规范要求，基坑的稳定性验算也都满足要求，说明本基坑东侧采用PHC 管桩作支护桩的桩锚体系是合理的。

2.5 支护方案细节设计

（1）选用PHC-500（125）B-C80 管桩，桩顶位于地表下1.3 m，桩长11.0 m，单节桩压入，无接头，间距1.6 m。

（2）桩顶设置冠梁，加强支护结构的整体性。 冠梁顶面为自然地面下0.8m，冠梁截面为600 mm×500 mm，支护PHC 管桩伸入冠梁100 mm，冠梁混凝上强度采用C30。

（3）深层搅拌水泥土桩桩径700 mm，搭接长度200 mm，桩顶埋深与自然地面平，桩长12 m；水泥采用32.5 普硅水泥，水泥掺入比14%。

（4）锚桩采用旋喷搅拌加劲水泥土桩，锁定于管桩顶的冠梁侧面，水平间距1.6 m，为减少对地面沉降的影响，锚桩的倾角：35～45°，桩径选定400 mm，扩大头直径650 mm，锚筋用2 根12.7 钢绞线，抗拉强度设计值1 320 MPa，锚桩长13 m。 在冠梁及锚桩强度达设计强度70%后，施加预应力，用锚具锁定。

（5）管桩布桩尽量形成封闭，特别是在转角处，如不能封闭可在端部加角撑。

2.6 基坑监测

基坑在开挖过程中，监测周围土体及建筑物的动态变化，确保支护结构及邻近建筑物的安全。 在坡项每20～40 m 设一监测点， 观测支护结构的位移，并在隔水帷幕的外侧，管桩挡墙边长的中间附近布置测斜孔，及时获取支护结构及深层土体位移变化信息。 监测结果显示：从基坑开挖至地下室施工结束，支护桩桩顶最大的水平位移在挡墙边长的中点附近，位移值为10 mm，PHC 管桩桩身的裂缝很小，管桩质量完好，基坑开挖后的情况见图4。

图4 基坑开挖后的效果

管桩支护边的东侧，4 号高层住宅楼平均沉降5.65 mm， 最大沉降10.15 mm，2 号高层住宅楼平均沉降5.24 mm，最大沉降9.78 mm。 北车库平均沉降21.2 mm，西车库平均沉降31.4 mm，同时，基坑的止水情况良好。单锚式PHC 管桩支护方案，达到了预期效果。

3 结语

（1）在挖深5～8 m 的基坑支护工程中，采用单锚式PHC 管桩支护结构，具有较好的技术效益、经济效益，同时还具有较好的环境效益、社会效益。

（2) PHC 管桩用于基坑支护， 一般选用单节桩。 因为管桩接头处的抗弯能力较弱，在弯矩作用下容易发生断裂。 单节管桩的长度通常与生产厂家的生产设备、技术水平、材料性能等有关。

（3） 管桩支护结构在锚或撑的支点处为集中力，故应对该处进行局部承压验算，如锚或撑支点力过大会使空心管桩产生局部受压破坏，致使管桩压碎，必要时为了提高管桩的局部抗压强度，可把空心管桩集中力处一定范围内灌实混凝土。

（4）PHC 管桩应用于基坑支护，目前还在摸索探讨阶段。 PHC 管桩本身的材料性能、力学性能、抗弯性能等， 基坑在开挖过程中PHC 管桩的变形情况、桩土之间的相互关系等，都有待于进一步研究。

[1]JGJ120-2012 建筑基坑支护技术规程[S].北京：中国建筑工业出版社，2012.

[2]中国建筑科学研究院.GB50010-2010 混凝土结构设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.

[3]刘国彬，王卫东.基坑工程手册[M].北京：中国建筑工业出版社，2009.