PC工法组合桩在上海地区基坑工程中的应用
2021-11-05张宁
张 宁
上海山南勘测设计有限公司 上海 201206
上海地区赋存有深厚的软土层,含水量高、易扰动,基坑周边环境的保护要求一般较高,对围护结构的安全性、经济性及环境保护效果提出了越来越高的要求。
PC工法组合桩以钢管桩挡土、采用小企口与钢板桩连成整体作为挡水结构,形式简洁、施工便利。近几年的基坑围护工程实践表明,PC工法组合桩具有整体性好、刚度大、施工效率高等优点,在软土地区也具有较好的适用性。且在围护工程结束后,围护桩可以完全回收,与传统支护结构相比,对环境更加友好、经济性较好[1-3]。
目前,PC工法组合桩在上海地区的应用较少,对其受力性能的研究也尚不深入[4]。本文基于上海市普陀区某基坑围护工程,介绍了PC工法组合桩的应用效果。
1 基坑工程概况
1.1 基坑规模及周边环境
本工程位于上海市普陀区武威路、敦煌路区域,拟建1层地下室,基坑开挖面积72 737 m2,开挖深度5.9~6.8 m。基坑周边环境复杂,东侧为已建地下管廊(埋深5.4 m,距离基坑1.8~3.3 m)、南侧为道路(距离基坑4.0 m)、西侧为已建地下管廊(埋深5.4 m,距离基坑1.8 m)、北侧为在建地下通道(距离基坑10.0 m)及已建车行环路(距离基坑1.8 m),如图1所示。
图1 基坑工程周边环境
1.2 地质条件
场地属于滨海平原地貌。场地内原为受污染的工业用地,工程开工前已对污染区采取挖出换填法进行处理,造成基地内①1层填土较厚,一般厚度为1.8~3.0 m,局部达7.3 m,上部以建筑垃圾为主,土质松散且不均匀;第②层微灰黄-灰色粉质黏土,大部分区域缺失或较薄。工程涉及深度范围内土层由上至下主要为①1填土、③灰色淤泥质粉质黏土、④淤泥质粉质黏土、⑤1-1灰色粉质黏土、⑤1-2灰色黏土。
1.3 围护结构选型
本工程基坑开挖面积巨大,周边环境保护要求高,地下室退界少,工期要求较高,对围护结构选型要求较高。
施工方式选型:由于地下室施工工期较为紧张,分坑施工不能满足工期要求,故地下室须整体施工。由于地下室退界及基坑深度原因,重力式坝体的围护形式不具有可行性,故本工程选用板式围护的形式。
围护桩选型:考虑到东西两侧管廊用围护桩(SMW工法)尚未拔除,故考虑利用既有围护桩;南侧环境保护要求一般,故采用SMW工法;北侧施工空间有限,三轴搅拌桩设备无法施工,故选用PC工法组合桩。
支撑形式选型:考虑到基坑面积巨大,不宜采用超长水平支撑,故设置前撑式注浆钢管作为内支撑[5]。
综上,基坑围护选型结果如下:东侧、南侧和西侧采用SMW工法+1道前撑式注浆钢管支撑(角部为混凝土支撑);北侧采用PC工法组合桩+1道前撑式注浆钢管支撑(角部为混凝土支撑),围护形式如图2所示。
图2 PC工法组合桩围护形式
该围护形式的施工顺序如下:施工钢管桩及钢板桩→施工前撑式注浆钢管并注浆→施工混凝土围檩→开挖坑边土方至坑底,并立即施工坑边配筋垫层→施工底板及开挖其余区域土方→待底板及换撑达到设计强度后,视监测情况逐步拆除底板上钢管支撑(“隔二留一”作为换撑)→地下结构施工完成并回填基坑后,割除其余钢管支撑。
2 监测结果分析
2.1 监测结果
图3为CX1在不同施工阶段的测斜值曲线和桩顶、桩底位移曲线。其中,CX1开挖深度5.90 m,采用长14 m的φ630 mm×14 mm钢管桩@1 100 mm+长12 m拉森Ⅳ号钢板桩+长27 m的φ377 mm×10 mm钢管@3 025 mm(倾角45°)。图3(a)为基坑施工过程中从开挖到支撑拆除各个阶段的测斜曲线形态,曲线为典型的板式围护形态:顶部位移较小,随深度增加,变形逐渐增加,坑底附近变形达最大值,然后随深度增加,变形逐渐减小。图3(b)为基坑施工过程中桩顶位移及坑底附近位移随时间的变化趋势,从图3(b)可见,围护桩的变形可分为4个阶段:
图3 PC工法桩位移变化曲线
1)从开挖至垫层形成,此阶段发展变形速率最快,所产生变形占围护结构最终总变形的50%左右。
2)底板形成前阶段,在垫层形成后,底板形成过程中,变形速率逐渐衰减。
3)底板形成后阶段,变形基本稳定。
4)拆撑阶段:坑底附近变形不显著,但桩顶变形有一定程度的发展,随后变形稳定。桩顶和坑底附近位移均较大,是典型的斜撑板式体系的变形特点。
2.2 支撑形式对PC工法桩变形特性的影响
图4为不同支撑形式的PC工法桩变形曲线,其中,CX6开挖深度5.90 m,采用长14 m的φ630 mm×14 mm钢管桩@1 100+长12 m的拉森Ⅳ号钢板桩+混凝土角撑,从图4中可以看到:
图4 CX1与CX6测点数据对比
1)水平支撑对控制桩顶变形及坑底变形更为有利,不论桩顶变形还是坑底变形,水平支撑均小于斜撑工况,说明支撑刚度对控制围护结构变形作用显著。
2)在水平支撑作用下,垫层形成以后,不论桩顶变形还是坑底变形收敛速度都更快。
3)在支撑拆除后,角撑和斜撑桩顶增量位移及总位移相差不大,表明PC工法桩本身整体性较强。
2.3 PC工法桩——理论值与实测值
图5为PC工法桩应用启明星软件计算得到的测斜理论值与实测值的对比。从图5可知,在坑底以上段,围护体测斜变形较计算值小,尤其是桩顶变形远小于计算值,主要原因是PC工法桩整体性较好,钢管桩相互的拉结作用显著,且在打桩过程中钢管内土体形成土塞,同样会增大桩体刚度。
图5 理论与实测变形曲线对比
由于围护体变形会对外侧环境产生影响,可以用围护体变形的体积来衡量总变形量Q(变形曲线与深度围成的区域面积),得到的曲线如图6所示。
图6 PC工法桩理论与反演变形面积比随深度变化曲线
从图6可以看出面积比值随深度的增加而增加,从0.40发展为0.97,在坑底附近比值为0.77,坑底下1 m附近比值为0.80。由于围护体在坑底以上的变形对坑外环境影响较大,故可近似将Q的值作为衡量围护桩刚度的参考指标,故可认为PC工法桩的实际表现刚度比理论值高约20%。
2.4 经济性分析
通过本工程实测数据分析可以发现,P C 工法桩(φ 630 mm×16 mm钢管桩+长12 m钢板桩)与SMW工法(H700 mm×300 mm×13 mm×21 mm+φ850 mm@600 mm三轴水泥土搅拌桩)的实测变形相当,基于以上数据计算得,相同工况下,PC工法桩的造价较SMW工法节约20%左右。
3 结语
1)适用性好,在厚填土、污染土等对搅拌桩质量有较大影响的区域,止水效果良好。
2)整体性好,由于钢板桩的联结作用,PC工法组合桩表现出较好的整体性。同时由于钢管中土塞的作用,以变形体积来衡量,实测刚度较计算刚度大20%。
3)经济性好,在同等条件下,围护桩造价较SMW工法可节省20%左右。考虑养护工期,优势更加突出。
4)环境友好,在基坑施工完成后,钢管桩、钢板桩可完全回收,不遗留地下障碍物。
[1] 陈赟.PC工法支护桩在某深厚软土地区基坑中的应用及分析[J].浙江建筑,2018,35(5):32-35.
[2] 柯灵潮.PC工法桩在地下车库基坑工程中的应用[J].建筑施工,2018,40(7):1092-1094.
[3] 杨绍红.PC工法组合钢管桩在基坑工程中的应用与分析[J].城市住宅,2018,25(7):121-122.
[4] 邓帅,张晨光,李明广,等.基于三维精细化模型的PC工法桩支护体系刚度研究[J].特种结构,2019,36(6):83-87.
[5] 惠彬永.前撑式注浆钢管支撑在基坑围护中的应用与研究[J].建筑施工,2018,40(11):1868-1870.