管桩在悬臂围护结构中的适用性研究

2020-03-01杭海朋马怀章彭影星

建筑施工 2020年9期

邵桢杭海朋马怀章彭影星

中建八局第三建设有限公司江苏南京 210046

PHC管桩即预应力高强度圆管形混凝土预制桩。在无锡地区基坑施工中，悬臂PHC管桩较为普遍，考虑到PHC管桩应用时间不长且无锡地区尚无完善的悬臂PHC管桩工程规范。因此，探索适合无锡当地施工开展的悬臂PHC管桩施工技术以指导实际施工很有必要[1-2]。

PHC管桩作为当前研究的热点，具有运输方便、施工便捷、力学性能优良等优势，同时施工进度快、施工成本低，施工过程中不需要养护，符合工地文明施工要求，绿色环保。

目前，PHC管桩在竖向构件中的应用较为广泛，作为横向构件应用于悬臂围护结构中并结合无锡当地实际施工环境的实践尚不充分，理论研究的发展跟不上工程实践的需要，结合无锡当地情况对悬臂PHC管桩进行研究显得尤为重要[3]。

李仕良[4]提出采用填芯桩、腰梁、水平或者竖向斜撑可提高PHC管桩整体力学性能，锚杆设计、管桩长径比、管桩锚固深度亦是优化的方向。

葛琪[5]提出无锡地区土层有“中间弱，两头强”（即深层和浅层土力学性能高，中部土力学性能低）的特点，在悬臂围护结构不适用于现场的情况下，可以采用组合型支护，科学运用各种支护方式，因地制宜。

赵祥[6]认为，坑底土质的锚固作用、锚杆所在土层能提供的抗拔力、受施工工艺限制的单桩长度等，会影响PHC管桩的应用。

依托无锡新吴太科园万达广场实际工程，对比分析各类基坑支护方案并得出最优方案，介绍PHC管桩悬臂支护情况，采用理正软件用多种计算方法对悬臂PHC管桩进行建模分析，得到悬臂桩支护的坡顶沉降、工况-内力数值及其发展趋势，结合基坑监测得到相应工况下的坡顶测斜、冠梁顶水平位移数值，并将理论计算和实测数据进行对比分析。

分析得出悬臂PHC管桩在深度4.6 m基坑围护结构中的合理应用情况，确保施工的可行性，通过动态调整工程进度和作业的方式避免了施工的盲目性。

工程应用丰富了悬臂PHC管桩在无锡当地的实践数据，为类似工程的开展提供了参考。

1 工程概况

1.1 建筑与基坑概况

无锡新吴太科园万达广场工程位于无锡市新吴区，震泽路南、净慧西道东。地面上主要为1栋4层（局部为5层）的多层商业楼，带整体1层的地下室，基础类型为筏板+下柱墩。

该工程为二级基坑，黄海高程6.10 m，底板厚为400 mm，基底标高为-6.20 m，场地开挖深度4.6 m，局部7.6 m。

该基坑围护工程有以下几个特点：

1）基坑规模大：施工面积40 000 m2，周长913 m。

2）土质情况复杂：场地南侧局部暗塘填埋区的杂填土较厚，基坑侧壁都为①层杂填土。其余部位杂填土有2～3 m厚。

3）地表水情况：基坑南侧和东侧邻河。

4）地下水情况：①层土的含水量较大，影响基坑开挖施工。

1.2 环境条件

1）基坑西侧为地铁8号线，北侧为地铁4号线，因此变形控制要求比较严格，地铁保护范围线内基坑不能采用土钉、锚杆等施工工艺。

2）基坑四周修建施工道路，除北侧施工道路距离地下室外墙有一定距离外，其余部位施工道路距离地下室外墙普遍仅3 m，场地狭隘。

1.3 工程地质条件

地质为第四纪冲积、淤积层，长江冲击平原地貌，湖相软土地区。场地20 m勘探深度内以粉质黏土为主，表层广泛分布有较厚杂填土层。

场地的稳定水位标高基本在-2.99～3.11 m之间，水位年变化幅度约0.50 m，近3～5 a该上层潜水最高水位为3.60 m。

2 基坑支护方案的对比分析

常见基坑支护形式的适用性分析如下：

1）双排桩支护：结构有多余约束，土方开挖扰动小，经济合理，施工方便，效果优异；占用施工场地较大。该工程土层主要为杂填土和粉质黏土，合理。

2）钻孔灌注桩+锚杆支护：支护形式的应用较为广泛，土方开挖扰动小；施工工序繁杂，有噪声污染，时间长、成本高。该方法不能满足建设方对工期和成本的要求，不合理。

3）水泥土挡墙喷锚支护：施工工序简单，可操作性好，抗渗性优异，经济合理；刚度较差，变形较难控制。该工程近地铁、近河道，场地紧张，不合理。

4）地下连续墙：抗渗性优异，刚度强，强度高，可以兼作止水帷幕、支护结构和地下室外墙。该方法成本高，常用于3层以上地下工程，不合理。

5）内支撑：技术成熟可靠，对变形有很好的控制，土方开挖扰动小；不经济，对施工工序组织要求较高。该工程淤泥质土较厚，基坑面积较大，大面积施工成本高昂，考虑局部使用。

6）PHC管桩+锚杆支护：PHC管桩不占用地下结构施工工期，采用成品桩静压成桩工艺，环保无污染。相比同直径钻孔灌注桩，PHC管桩造价较低，可以节约大量施工成本。基坑上部通过土坡开挖减载，顶部加冠梁，PHC管桩+锚杆支护的综合造价比灌注桩和钢管桩都要低，是该基坑工程支护的理想选择。

对比几种常用的支护体系，综合考虑施工环境、环保、经济效益以及工期等因素，局部优化为PHC管桩+锚杆支护[7-10]。

考虑该基坑西侧、南侧可利用场地有限，不具备完全放坡条件，进一步优化为如下方案：场地的南侧邻近河道，土质较好位置，采用管桩悬臂支护；在场地西侧地铁8号线安全保护区范围内，该部位土质较好，采用管桩悬臂支护。

3 基坑支护结构施工

基坑南侧部分选用PHC管桩悬臂支护的施工方案。

PHC管桩和三轴搅拌桩施工结束后，开挖基坑并在基坑顶部预留厚1 m土层自然放坡，坡比1∶1，锚杆支护φ16 mm@1 500 mm，长1 500 mm，挂网喷浆。管桩分层挖土，同时进行厚40 mm的C20桩间挂网喷浆。挂网喷浆配合比为水泥∶石∶砂＝1∶2∶2，采用100 mm×50 mm×2.4 mm钢网片从坡顶到坑底布置，边开挖边施工（图1）。

图1 基坑支护剖面示意

悬臂管桩选用PHC-600（110）AB-C80-9，混凝土强度为C80，桩长9 m，圆形截面，间距0.9 m。管桩顶设置通长冠梁，以提高整体刚度。

4 基坑支护结构分析

4.1 土压力模型及参数设定

采用理正软件对悬臂PHC管桩进行建模分析。模型采用经典法和弹性法。

表1为荷载加载情况，表2为土压力系数。

表1 荷载加载情况

表2 土压力系数

基坑开挖为单一工况，深度4.6 m。

4.2 结构计算分析

图2为施工工况-内力分析，蓝线代表采用弹性土压力法分析，红线代表采用经典郎肯土压力法分析。下方数值表示计算的最大值。

图2 施工工况-内力

基坑深度1 m以内采取放坡支护，1.0～4.6 m采取悬臂桩支护。

由图2得出：弹性法得出土压力值为111.80 kN，经典法为185.74 kN；悬臂PHC管桩利用弹性法计算时达到29.35 mm的位移极大值，利用经典法计算的数值极小；完全开挖后管桩自由端长3.6 m，桩身弯矩为114.96 kN·m，远小于规范206 kN·m的开裂弯矩；管桩桩身剪力为-47.05～33.82 kN，管桩结构完好。

图3表示坡顶沉降，x轴表示距离左侧坑边的位置，y轴表示坡顶沉降数值。

图3 坡顶沉降

由图3得出：三角形法和指数法得出的最大沉降量分别为31 mm和47 mm，数值随着距坑边的距离愈远愈小，距坑边8 m处出现极小值，距坑边2.5 m处出现极大值；抛物线法得出最大沉降量21 mm，距坑边3 m处出现极大值，数值呈现凹字形。

5 基坑监测

5.1 监测内容

根据国家相关规范对基坑侧壁安全等级Ⅱ级的监测要求以及本基坑实际情况，确定基坑监测内容如下：坡顶测斜、冠梁顶水平及垂直位移、支撑轴力、坑外水位、周边道路沉降。

5.2 观测要求

测点间距不大于20 m，每2 d进行1次，异常情况下应24 h连续观测。报警值如下：

1）冠梁顶水平位移数值不大于5 mm/d，累计不大于0.6%挖深和35 mm；冠梁顶竖向位移不大于3 mm/d，累计不大于0.4%挖深和30 mm。

2）坡顶水平位移数值不大于12 mm/d，累计不大于0.7%挖深和30 mm；坡顶竖向位移数值不大于7 mm/d，累计不大于0.7%挖深。

3）锚桩轴力达到设计值的75%。

4）周边道路沉降累计不大于规范数值的80%。

5.3 数据分析

监测组在管桩处基坑开挖和冠梁施工时，在冠梁上埋设长0.5 m的钉头作为监测点，共布置了30个水平和沉降监测点，编号ZD1—ZD30；土体上设置14个测斜监测孔，编号CX1—CX14。通过这些监测点的位移监测，动态控制整个基坑工程的进程。

本次取悬臂管桩施工范围内的CX4、CX7、CX8、CX9、ZD6、ZD7、ZD13、ZD15、ZD16、ZD17共10个点位进行分析。

坑内土体卸荷导致基坑内、外土压力值差异，进而引起基坑周边土体水平位移变化。

图4为冠梁顶水平位移-时间曲线。

图4 冠梁顶水平位移-时间曲线

由图4可知：冠梁顶水平位移曲线数值在地下室底板浇筑前呈现波动状态，在地下室底板浇筑后呈现线性分布，地下室顶板浇筑后趋于收敛，最大水平位移点ZD6为8.6 mm，发生在结构出±0 m。2019年10月2日左右，此时肥槽尚未回填，在2019年10月20日结构封顶之前，现场处于抢工阶段，大量物资进场停靠在基坑边，导致位移增大。

图5为测斜水平位移。