PHC管桩在基坑支护工程中的应用研究
混凝土 沈晞[1] 周建凡[2] 夏亮[2] 2008-04-23
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(1. 广东省高教建筑规划设计院, 广东510631; 2. 武汉理工大学, 武汉430070)
摘要: PHC 管桩是一种在工程中应用得越来越多的桩型, 但其在基坑支护工程中却应用得较少 , 这主要是由于PHC 管桩的桩身抗弯能力不强。近几年大量的工程实例表明PHC管桩在基坑支护工程中的应用是可行的，而且有助于提高施工效率，并有很好的环境效应，结合具体的工程实例，探讨了PHC管桩在基坑支护工程中的应用。
高强度预应力混凝土管桩(简称PHC 管桩) 以其单桩承载力高; 桩身耐打, 穿透力强; 运输快捷; 施工文明, 现场整洁等优点, 已经在国内外很多地区和工程中得到广泛的应用。
基坑支护在建筑物的施工过程中是一项非常重要的工作, 它直接关系到建筑物的安全和使用。当前在基坑支护过程中普遍存在以下难题: (1) 基坑的开挖深度不断增大, 施工难度也逐渐增大, 这主要是由于建筑物越建越高的缘故; (2) 建筑物周围的环境很复杂。因此, 在对基坑进行设计和施工时, 就必须选择技术可行、造价合理的支护结构方案, 以确保基坑支护体系有足够的可靠性和安全度。
将PHC 管桩应用于基坑支护工程中是近几年才由一些学者提出来的, 并已经在武汉等很多城市中得到了应用。理论研究和工程应用都表明, PHC吊装方管桩作为承压桩是可行的, 那么它能否作为受弯桩便, 接桩以承受水平向荷载呢? 经过近几年PHC 管桩的工程应用和理论研究, 我们可以得出PHC 管桩在适宜件下作为支护结构是完全可行的, 采用PHC 管桩对提高施工效率和缩短工期非常有利, 同时又有很好的环境效应。本文将就PHC 管桩作为基坑支护桩的受力性能和挤土效应等作出探讨, 并结合工程实例介绍PHC 管桩在基坑支护工程中的应用情况。
1 PHC 管桩在侧向土体作用下的受力性能
在基坑开挖的过程中, 支护桩侧土体将会发生位移, 并对桩体施加侧向作用力。基坑开挖前, 坑底土体尚未移动, 桩在桩周土体的初始应力作用下处于平衡状态, 如图1 (a) 所示; 当基坑开挖时, 桩周土应力逐渐发生变化, 同时使桩产生挠曲和内力, 达到新的平衡状态, 如图1 (b)。在开挖过程中, 桩周土体按照移动情况可分为稳定层和不稳定层, 滑动面介于这2 层之间。可按照土压力理论, 将不稳定土层中承受土体侧向位移的上部桩段称为“被动”部分; 而稳定土层中的下部桩段受到上部桩段传来的荷载, 这与桩头直接承受水平荷载的桩类似, 称之为“主动”部分。在这一过程中, 桩周土可能达到极限状态并产生极限土压力。
基坑开挖后, 坑内土体卸除, 土体的侧向位移由2 部分组成: Δ= Δ1+ Δ2。其中, Δ1 为原状土体侧向卸荷后产生的侧向变形; Δ2 则为重塑区土体卸荷后产生的回弹变形。由于土体侧向变形量相对较大, 这对管桩的变形控制不利, 因此有必要采取设置内支撑或拉锚的措施以控制管桩的位移和减少桩身的弯矩。
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2 PHC 管桩的抗弯性能
用作基坑支护的PHC 管桩主要承受水平向侧压力, 在水平向荷载作用下桩身挠曲, 因此支护工程中发挥的是其抗弯性能。PHC 管桩桩身混凝土强度较高(强度不得低于C80) , 再加上使用了高强度、低松弛率的预应力钢筋使桩身具有较高的有效预压力(4～ 10 N �2) , 因此PHC 管桩具有较大的抗弯和抗拉能力。但PHC 管桩为空心管形截面, 其抗弯刚度较实心桩要小, 故在水平荷载作用下易发生挠曲。工程应用表明, 对于桩周侧向土体压力不是很大时, PHC 管桩都能较好的工作。
PHC 管桩的弯矩设计值可按沿周边均匀配筋的环形截面(见图2) 抗弯承载力计算。其计算式如下
式中, A 为环形截面面积; Ap 为全部纵向预应力钢筋的截面面积; f py 、f ′py 为预应力钢筋的抗拉、抗压强度设计值; Ρp 0 为预应力钢筋合力点处混凝土法向应力等于零时的预应力钢筋应力; Α为纵向受拉钢t筋截面面积与全部纵向钢筋截面面积的比值, Α1t = -1.5Α。
3 管桩的挤土效应问题
桩按照成桩对环境的影响可分为3 类: 挤土桩、部分挤土桩和非挤土桩。闭口管桩属于挤土桩, 而开口管桩属于部分挤土桩。管桩成桩时的挤土效应是非常明显的, 周围土体受到桩体的挤压作用, 土中超孔隙水压力增长, 土体发生隆起, 对周围环境造成严重的损害。管桩的压入对桩周土产生强烈的挤压、剪切扰动。打桩的强烈扰动将导致桩周土产生重塑区, 对于打入桩, 重塑区范围为离桩表面约0. 5d (d 为桩径)。管桩作为支护桩时, 为密排线状排列, 桩间间隔一般为20～ 30 cm , 压桩时土体以向基坑内外两侧位移为主, 在桩轴线内外一倍桩径范围内土体强烈扰动, 随着距离增加土体扰动逐渐减少。其影响范围还与土层强度有关, 土层强度越低影响范围越大。
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将管桩作为支护桩时, 一般采用单节桩, 其长度为10～ 15 m , 入土深度较小, 土体以侧向挤压为主, 施工时若不使用桩尖, 进土可达到桩长的2�5, 从而大大减小挤土效应, 地表隆起不明显。
4 PHC 管桩在基坑支护中的应用实例
4. 1 工程概况
武汉市大唐新都二期工程由3 栋高层(1 栋24 层、1 栋22 层和1 栋20 层), 及1 栋3 层的商场组成, 二期建筑用地面积为7 581 m 2, 建筑面积为39 987 m 2, 设有一层地下室。场地北侧毗邻大唐新都大楼 (一期), 南侧靠近唐家墩水果批发市场。拟建场地原为2～ 3 层民宅, 经拆除后场地平坦。
4. 2 场地地质条件
本场地内土层条件较差, 基坑开挖深度范围内有深厚软土层。场地地貌属长江冲积一级阶地。地基岩土自上而下划分4 个单元层: 第①单元层为地表人工填土、淤泥; 第②单元层为第四系全新统冲积沉积的一般粘性土、淤泥质粘性土; 第③单元层为第四系全新统冲积沉积的砂土层; 第④单元为强风化岩层。
场地内分布有2 种地下水, 一是上层滞水, 赋存于近地表第①层人工杂填土层中, 无统一地下水位, 接受大气降水和生活用水渗透补给; 二是属孔隙承压水, 赋存于第③层砂性土中, 与长江水系有密切联系。
4. 3 支护设计
该基坑中除AB段和DE段分别采用钻孔灌注支护排桩加角撑时的支护外，其它边坡段由于开挖范围内的土层较差，单纯锚杆支护在软土层效果不良，必须增加超前加固措施，选择增加一排预应力静压管桩联合喷锚网支护，可提高工效；故采用静压管桩联合喷锚网支护形式；为确保整个基坑的安全，降低地下水对基坑的不利影响，沿整个基坑范围设置深层搅拌桩的增强加固体。管桩的布置形式如图3所示。
选用<500 预应力静压管桩, 桩身混凝土强度为C80, 型号为PHC2AB 2500, 壁厚为12. 5mm 。PHC 管桩间距为1. 0m 或0. 8m, 桩顶位于地表下2. 10 m, 桩长11. 0m, 为单桩压入, 不允许有接头。基坑支护结构剖面图如图4 所示。
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4. 4 基坑支护施工
压桩施工前桩位测放要准确, 桩位水平误差小于20 mm , 施工误差小于50 mm , 累计误差不超过70mm , 垂直度偏差小于1% , 高程误差控制在±20 mm 以内。桩顶设置冠梁, 加强支护结构的整体性。冠梁 顶面与自然地面齐平, 冠梁截面设计为宽×高: 700 mm ×500 mm , 支护管桩伸入冠梁300 mm , 以上梁混凝土强度采用C30 。在冠梁混凝土灌注施工时, 同时将PHC 管桩内径注满填实, 以提高桩本身的抗剪能力。
深层搅拌水泥土桩桩径500 mm , 咬合长度150 mm , 桩顶埋深与自然地面持平, 桩长12. 0m; 水泥采用32.5 普硅水泥, 水泥掺量50 kg/ m; 水泥土桩施工采用深层搅拌浆喷工艺, 桩体全长范围复搅, 严格控制水泥掺入量; 轴线误差应小于10 mm , 桩位偏差小于20 mm , 桩体垂直偏差不超过1% ; 桩长误差小于20 mm , 桩径不应小于500 mm 。
锚杆拉筋采用<48 钢管注浆锚杆, 网筋采用<6. 5� 级钢和16# 钢板网; 锚杆孔采用全长注浆, 注浆压力为0. 4～ 0. 6M Pa, 注浆材料为32. 5 普硅水泥纯水泥浆, 水灰比为0. 4～ 0. 5, 注浆应饱满; 锚杆与钢筋网焊接处用加强筋, 要求焊接牢固; 喷射混凝土采用32. 5 普硅水泥、中粗砂、5～ 15 mm 石材料, 混凝土强度等级为C20 。
土方分层、分段开挖, 锚杆施工跟随进行。每层土方开挖深度为该层锚杆下方0. 2～ 0. 3m, 严禁超挖, 每段开挖长度为25～ 35 m, 待此段支护施工完成后, 才可进行临近段边坡的土方开挖; 开挖后及时用喷射混凝土封闭暴露坡面。土方开挖过程中在每层坡脚以外0. 5m 设临时排水沟, 对坑内积水, 采用集水井抽水引排。
4. 5 基坑检测
基坑在开挖过程中, 经常监测周围土体及建筑物的动态变化, 如果发现问题就及时调整方案, 并采取有效措施以确保支护结构及邻近建筑物的安全。在坡顶每20～ 40 m 设一监测点, 观测土体位移, 并在坡顶关键位置布置若干测斜仪, 及时获取准确支护结构及边坡土体深层面的位移变化。监测结果显示基坑开挖到底时支护桩最大位移和圈梁顶最大位移均在容许的变形范围内, 可见采用预应力锚杆和PHC 管桩联合支护对控制支护结构的变形效果显著, 周边道路和已建房屋没有出现任何损坏现象。
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5 结 语
(1) PHC 管桩在适宜条件下用作基坑支护桩是可行的, 但应该使用单节桩, 而不要使用接桩。采用PHC 管桩作为支护桩对提高施工效率和缩短工期工作。
（2）基坑开挖时应该是分层分段开挖，严禁超挖。开挖后尽快进行锚杆施工，并及时用喷射混凝土封闭暴露坡面。另外在基坑开挖过程中还应做好排水工作。
(3) 为控制支护结构的变形, 减少桩身所受弯矩, 可与内支撑和拉锚结合使用。同时为减少压桩的挤土效应, 桩底可不设桩尖。
参考文献
[1] 吴步青. 预应力管桩在基坑开挖中的受力特 性及有限元分析[J ]. 结构工程师, 2005, 3 (21).
[2] 黄广龙, 李 勇, 宰金珉, 等. 预应力混凝土管桩在深基坑支护工程中的应用研究[J ]. 建筑施工, 2005, 27 (4).
[3] 高大钊, 赵春风, 徐 斌. 桩基础的设计方法与施工技术[M]。北京：机械工业出版社，1999。
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