桩芯水泥土对PRC支护管桩变形控制的影响

2024-01-22吴志佳杨烁张坤刘翼沈荣锋程强强吕安琪姚越

江苏建筑职业技术学院学报 2023年4期

吴志佳,杨烁,张坤,刘翼,沈荣锋,程强强,吕安琪,姚越

(1.中交二公局东萌工程有限公司,陕西西安 710000;2.江苏建筑职业技术学院建筑建造学院,江苏徐州 221116 )

随着科学技术发展及土地资源越发紧张,地下空间这一宝贵资源正在得到人类青睐,人类在开发地下停车场、商场以及综合管廊等过程中产生种类繁多的基坑支护形式,目前常见有灌注桩、重力式水泥土挡墙、SMW工法桩及钢板桩等,其各有所长。此中SMW工法桩具有工期短、污染低、场地整洁及噪声小等优点,自1994年在上海首次使用以来发展迅速、应用广泛[1]。但若基坑支护完成后H型钢无条件回收,则该方法相较灌注桩不具成本优势。

预制混凝土支护管桩作为一种新型支护形式,其兼有SMW工法桩施工速度快、噪声小及场地整洁等优点,同时相较于灌注桩具有一定经济优势。因此,该支护方法得到很多学者和工程人员的青睐[2]。在同样工况下悬臂桩桩身弯矩一般大于外加支锚的支护桩,且管桩抗弯刚度较低。因此,对变形控制要求较高的基坑,预制支护管桩常需配合桩顶卸载[3-4],或常与支锚体系配合使用,且已取得良好效果[5-9]。目前在已见报道案例中部分基坑支护预制管桩采用挤土法施打,该施工方法先期桩周土体压缩,在后期土方开挖的过程中应力释放易引起基坑变形和桩体内力增大[10],且现有规范暂无挤土支护桩设计计算方法[11]。然而,将管桩插入尚未固结的深层水泥土搅拌桩内可较好避免“挤土效应”,其所形成的PCMW工法桩作用机理与SMW工法桩相似,且被灌入的桩芯水泥土固化后对管桩的抗弯刚度起到一定有利作用。对于PRC管桩支护项目,目前常用商业基坑设计软件暂无相应计算模型,管桩刚度主要有两种处理方法：①管桩空心部分减小的截面惯性矩不予考虑[7];②等刚度代换为灌注桩[12]。第一种方法计算所得位移偏小,且对薄壁管桩误差较大。第二种方法考虑混凝土强度、PRC管桩配筋等对刚度的影响,相较于第一种方法更为严谨,但其未考虑桩芯水泥土的积极作用,将PRC支护管桩等刚度代换为灌注桩后,依据规程[13]计算的位移偏大。目前,桩芯水泥土对PRC支护管桩变形控制的积极作用未见具体研究数据。因此,对桩芯水泥土作用的支护管桩等刚度代换计算方法进行研究具有实际意义。

1 工程概况

某工程位于江苏省徐州市淮海国际港务区,该项目占地约395.20亩,主要包括高标准厂房、普通厂房及配套设施,总建筑面积约33万m2。其中厂房面积约315 709.04 m2,服务中心面积约8 642.68 m2,其他建筑面积约2 800.00 m2。其中需进行基坑支护的为地下消防水池,该水池建设用地面积约652.50 m2,总建筑面积约1 141.84 m2。基坑面积约652 m2,支护周长约120 m。本工程±0.00相当于黄海高程+35.70 m,场地现状地面标高为-0.80 m,场地坑底标高为-5.20 m,基坑开挖深度约为4.40 m,其中吸水槽底标高为-6.20 m,基坑开挖深度约为5.40 m。

基坑东侧距用地红线约24.00 m,基坑东侧至红线范围内较开阔,无各类地下管线。基坑南侧为已建2F轻钢结构建筑(图1),建筑采用柱下条形基础,基础底标高-2.15 m,基础边距离支护桩约1.85 m。基坑西侧距用地红线约20 m,基坑至红线范围内较开阔,无各类地下管线。基坑北侧为已建4F建筑,建筑采用桩基础,桩顶标高-1.95 m,基坑距离桩承台约7.50 m,基坑至承台范围内较开阔,无各类地下管线。基坑平面布置如图1所示,基坑南侧(图2中CD区段)因距离已有建筑物较近,后期无拔桩施工场地条件,本文以该区段为例进行计算分析。

图1 基坑施工前南侧现场

图2 基坑平面布置

拟建场地属徐淮黄泛平原区泛滥冲积平原地貌单元,原为预留地,场地地势较平坦。基坑开挖影响范围内土层情况如下： 1层杂填土,杂色,松散,土质不均匀,主要以灰渣、粉土、黏土为主夹植物根系,工程性质较差;2-1层粉土,黄褐色,稍湿～很湿,稍密,土质不均匀,夹黏性土薄层,含云母片,摇振反应迅速,干强度低,韧性低,为砂质粉土;2-1-1层黏土,黄褐色～灰褐色,软塑,土质不均匀,混粉土,切面有光泽,干强度高,韧性高; 2-2层黏土,黄褐色～灰褐色,软～可塑,土质不均匀,混粉土,切面有光泽,干强度高,韧性高;2-3层粉土,黄褐色,很湿,稍密,土质不均匀,夹黏性土薄层,含云母片,摇振反应迅速,干强度低,韧性低,为砂质粉土;2-4层黏土,黄褐色～灰褐色,软～可塑,土质不均匀,混粉土,切面有光泽,干强度高,韧性高;2-5层黏土,黄褐色,可塑,土质均匀,切面光泽,干强度高,韧性高;3层黏土,黄褐色,硬塑,土质不均匀,局部夹粉土薄层,切面有光泽,干强度高,韧性高。

场地地下水类型主要为孔隙潜水,孔隙潜水主要赋存于1层杂填土、2-1层粉土、2-2层黏土及2-3层粉土中,补给来源主要为大气降水和地下水的侧向径流,以自然蒸发为主要排泄途径。场地孔隙潜水水位随季节变化明显,雨季水位上升,旱季水位下降,变化幅度为2.00 m左右。丰水季节6～9月水位达到高值,枯水季节12月～次年2月水位达到低值。勘察期间,测得钻孔中地下水初见水位埋深1.80～2.30 m,相应标高32.25～32.34 m;稳定水位埋深1.90～2.40 m,相应标高32.15～32.24 m。基坑设计参数见表1。

表1 基坑设计参数

本文案例CD段支护选用PRC-Ⅱ-Φ700(130)B型工法管桩@1 200 mm+φ609 mm钢管水平支撑支护,管桩桩长14.00 m,支撑最大水平间距5.80 m。基坑采用Φ850 mm@1 200 mm三轴深搅桩作为止水帷幕,深搅桩长15.00 m。竖向布置如图3所示(图中未注明长度单位为mm,余同)。设计计算超载：取25 m宽条形建筑荷载30 kPa,超载作用深度1.00 m。

2 计算理论

2.1 平面弹性地基梁法

平面弹性地基梁法[1]将挡土结构假定为平面应变问题,支锚简化为弹簧支座,坑底以下土体采用弹簧模拟。弹性地基梁变形微分方程如下：

(1)

(2)

式中：EI为支护结构的抗弯刚度;y为支护结构的侧向位移;z为深度;ea(z)为z深度处的主动土压力;bs为水平荷载计算宽度;m为地基土水平抗力比例系数;hn为第n步的开挖深度。

图3 CD段支护剖面

2.2 等刚度代换

王新玲等[14]对PRC桩进行抗弯和抗剪试验,提出PRC桩开裂前抗弯刚度修正公式：

(3)

I0=W0×r

(4)

式中：r,r1为管桩环形截面的外环、内环半径;Ec0为预制管桩混凝土弹性模量;I0为管桩换算截面惯性矩,可通过公式(4)求得,W0为PRC桩换算截面抵抗矩,可根据标准[15]查询。

根据规范[16],对于不出现裂缝的实心圆桩或矩形桩,其抗弯刚度可用下式表示：

Bs1=0.85Ec1I1

(5)

式中：Ec1为桩混凝土弹性模量,I1为实心桩截面惯性矩。

同理,对于不出现裂缝的实心水泥土,其抗弯刚度可用下式表示：

Bs2=0.85Ec2I2

(6)

采用文献[12]中方法,依据代换桩混凝土强度等级查得Ec1,联立式(3)、式(5)可求得不考虑桩芯水泥土时的代换实心桩截面惯性矩I1。同理,联立式(3)、式(5)及式(6),即代换实心桩抗弯刚度Bs1等于PRC管桩抗弯刚度Bs0与桩芯水泥土抗弯刚度Bs2之和,进而可求得考虑桩芯水泥土时代换实心桩截面惯性矩I1。依据代换实心桩截面惯性矩进而求得代换灌注桩直径D。

3 对比分析

对于本项目,桩+支撑体系中支护桩桩身弯矩及变形均较小,其对比差异性不及悬臂桩支护明显。因此,为凸显变形计算时考虑桩芯水泥土与否的差异性,假定CD段为无支撑支护,即将CD段假定为悬臂PRC桩支护,如图4所示。管桩选型同图3,桩间距为1 200 mm,对不考虑桩芯水泥土和考虑桩芯水泥土两种情况分别进行计算。本文等刚度代换理论基于桩身未出现开裂,为避免假定情形下桩身弯矩超过桩身开裂弯矩,所以计算基坑开挖深度h=4.40 m情形。

图4 CD段假定悬臂支护剖面

3.1 不考虑桩芯水泥土

将PRC-Ⅱ-Φ700(130)B型管桩等刚度代换为灌注桩,灌注桩混凝土强度等级选用C30,依据本文3.2所述得I1=7.719109mm4。将I1代入圆形截面惯性矩公式求得代换灌注桩直径D=629.80 mm,如图5所示。

由计算结果图5可知,支护桩桩身最大弯矩为334.22 kN·m,小于PRC-Ⅱ-Φ700(130)B型管桩桩身开裂弯矩Mcr=392 kN·m,支护桩桩身最大剪力为128.28 kN,小于桩身抗裂剪力398 kN[15],桩身内力符合本文等刚度代换计算前提条件。

3.2 考虑桩芯水泥土

将考虑桩芯水泥土的PRC-Ⅱ-Φ700(130)B型管桩等刚度代换为灌注桩,灌注桩混凝土强度等级选用C30,依据本文3.2所述得I1=7.788109mm4。将I1代入圆形截面惯性矩公式求得代换灌注桩直径D=631.20 mm,如图6所示。

图6 考虑桩芯水泥土悬臂支护PRC管桩位移和内力

由计算结果图6可知,支护桩桩身最大弯矩为334.56 kN·m,小于PRC-Ⅱ-Φ700(130)B型管桩桩身开裂弯矩Mcr=392 kN·m,支护桩桩身最大剪力为128.42 kN,小于桩身抗裂剪力398 kN[15],桩身内力符合本文等刚度代换计算前提条件。

3.3 结果对比分析

两种代换方法计算结果见表2。

表2 等刚度代换方法对比分析

由表2可知：1)虽基坑计算开挖深度仅为4.40 m,但由于本项目管桩抗弯刚度较低、桩间距较大,两种代换方法计算所得桩顶水平位移均较大,超过了标准允许值[19],桩顶水平位移和地表沉降无法满足对邻近建筑物的保护要求;2) 考虑桩芯水泥土时计算所得桩顶位移略小于不考虑桩芯水泥土时计算结果,对于本案例相差0.22 mm;3)两种代换方法计算所得最大桩身弯矩均小于桩身开裂弯矩,最大桩身剪力均小于桩身抗裂剪力,PRC管桩可满足基坑支护强度要求;4) 考虑桩芯水泥土时计算所得最大桩身弯矩和最大桩身剪力均略大于不考虑桩芯水泥土时计算结果,对于本案例最大桩身弯矩相差0.34 kN·m,最大桩身剪力相差0.14 kN;5)对比两种代换计算结果可知,支护桩抗弯刚度越大,越有利于控制基坑变形,但桩身内力会同步增大。

4 项目应用

4.1 设计计算

同本文4.2,将图3所示支护PRC管桩等刚度代换为直径D=631.20 mm的灌注桩,代换桩身混凝土强度等级为C30,对本项目CD段支护剖面(图3)进行计算,为包络不同基坑开挖深度工况,计算时取开挖深度h=5.40 m,计算所得每延米支撑轴力(平均到每延米冠梁上的支撑轴力值)、支护桩位移内力和坑外地表沉降如图7～图9所示。

图7 CD段支撑轴力计算结果(kN/m)

图8 CD段支护PRC管桩位移和内力包络

图9 CD段坑外地表沉降

4.2 计算分析

经计算由图8和图9可知：1)支护桩桩身最大弯矩为216.73 kN·m,小于PRC-Ⅱ-Φ700(130)B型管桩桩身开裂弯矩Mcr=392 kN·m,支护桩桩身最大剪力为119.54 kN,小于桩身抗裂剪力398 kN[15],桩身内力符合本文等刚度代换理论前提条件;2)支护桩顶水平位移为21.42 mm,坑外地表最大沉降量为12 mm,满足标准允许值[19]及对邻近建筑的保护要求;3)本项目采用大间距PRC管桩结合水平钢支撑方案,相较于本文4.2所述悬臂桩方案,桩身变形得到较好控制,该方案在基坑位移控制和支护造价两方面均有较大优势。

4.3 现场施工

基坑总体施工流程：场地准备→加固桩施工→PCMW工法桩施工→基坑降水施工→第一层土方开挖→冠梁及钢支撑施工→土方分层开挖到底→垫层施工→局部深坑开挖→基础及换撑施工→钢支撑拆除→地下结构施工→防水施工及基坑回填,如图10、图11所示。

图10 三轴水泥土深层搅拌桩施工

图11 PRC管桩插入及冠梁施工

4.4 基坑监测

依据本工程周边环境、工程特点、设计图纸及相关工程经验,设置的监测项目有支护结构顶部竖向位移、支护结构顶部水平位移、土体深层水平位移、坑外水位、道路沉降、建筑物沉降、支撑轴力、裂缝监测[20-21]。监测点平面布置如图12所示。

图12 基坑监测平面布置

基坑监测于2023年6月24日进场开始监测,本文采录数据至2023年8月11日,其间水平钢支撑于2023年7月20日(图13监测时间第27 d)开始拆除,如图13所示。

图13 CW4监测点桩顶水平位移及地表沉降

由位移监测数据图13可知：1)桩顶最大水平位移为17 mm,坑外地表沉降最大为5.5 mm,符合标准允许值[19],满足对邻近建筑物的保护要求;2)基坑土方开挖阶段桩顶水平位移及地表沉降有一定增长,但增幅较小,待支撑发挥作用后桩顶水平位移基本稳定;3)支撑拆除后桩顶水平位移较大增长,但很快趋于稳定,地表沉降变化不及桩顶水平位移明显,其主要原因是,拆除支撑时,由于换撑刚性铰作用,支护桩深层水平位移很小,坑外土体形变主要限于浅层土体。

由ZL2轴力监测数据图14可知：1)最大支撑轴力为268.4 kN,对Φ609 mm钢管支撑仍有较大安全储备;2)土方开挖阶段支撑轴力增长较明显,而后有缓慢增长和波动,但总体趋于稳定。

图14 ZL2监测点支撑轴力

对比计算结果图7、图8、图9与监测数据图13、图14可知：

1)实际桩顶水平位移与计算结果总体吻合,坑外地表沉降监测数据与计算结果亦总体吻合,但监测数据略小于计算结果,其主要原因有：①为保证基坑安全,计算坑顶超载应包络所有可能超载值,CD段外侧为轻钢二层建筑,实际超载值不及计算超载30 kPa;②本项目基坑为地下消防水池,基坑开挖面积相对较小,土方开挖量和地下结构工程量均较小,基坑暴露时间短。

2)支护支撑轴力计算结果为67.71 kN/m,支撑最大水平间距为5.8 m,单根支撑轴力计算值为67.71×5.8=392.72 kN,实际监测结果为268.4 kN,其原因同前段所述。

3)基坑监测1～10天桩顶水平位移较快增长,该时间段内支撑轴力亦增长较快,监测10 d之后桩顶水平位移和支撑轴力均处于相对稳定阶段,二者相互吻合、相互验证。