樁芯水泥土對PRC支護管樁變形控制的影響

吳志佳,楊爍,張坤,劉翼,沈榮鋒,程強強,呂安琪,姚越

(1.中交二公局東萌工程有限公司,陜西 西安 710000;2.江蘇建筑職業技術學院 建筑建造學院,江蘇 徐州 221116 )

隨著科學技術發展及土地資源越發緊張,地下空間這一寶貴資源正在得到人類青睞,人類在開發地下停車場、商場以及綜合管廊等過程中產生種類繁多的基坑支護形式,目前常見有灌注樁、重力式水泥土擋墻、SMW工法樁及鋼板樁等,其各有所長。此中SMW工法樁具有工期短、污染低、場地整潔及噪聲小等優點,自1994年在上海首次使用以來發展迅速、應用廣泛[1]。但若基坑支護完成后H型鋼無條件回收,則該方法相較灌注樁不具成本優勢。

預制混凝土支護管樁作為一種新型支護形式,其兼有SMW工法樁施工速度快、噪聲小及場地整潔等優點,同時相較于灌注樁具有一定經濟優勢。因此,該支護方法得到很多學者和工程人員的青睞[2]。在同樣工況下懸臂樁樁身彎矩一般大于外加支錨的支護樁,且管樁抗彎剛度較低。因此,對變形控制要求較高的基坑,預制支護管樁常需配合樁頂卸載[3-4],或常與支錨體系配合使用,且已取得良好效果[5-9]。目前在已見報道案例中部分基坑支護預制管樁采用擠土法施打,該施工方法先期樁周土體壓縮,在后期土方開挖的過程中應力釋放易引起基坑變形和樁體內力增大[10],且現有規范暫無擠土支護樁設計計算方法[11]。然而,將管樁插入尚未固結的深層水泥土攪拌樁內可較好避免“擠土效應”,其所形成的PCMW工法樁作用機理與SMW工法樁相似,且被灌入的樁芯水泥土固化后對管樁的抗彎剛度起到一定有利作用。對于PRC管樁支護項目,目前常用商業基坑設計軟件暫無相應計算模型,管樁剛度主要有兩種處理方法：①管樁空心部分減小的截面慣性矩不予考慮[7];②等剛度代換為灌注樁[12]。第一種方法計算所得位移偏小,且對薄壁管樁誤差較大。第二種方法考慮混凝土強度、PRC管樁配筋等對剛度的影響,相較于第一種方法更為嚴謹,但其未考慮樁芯水泥土的積極作用,將PRC支護管樁等剛度代換為灌注樁后,依據規程[13]計算的位移偏大。目前,樁芯水泥土對PRC支護管樁變形控制的積極作用未見具體研究數據。因此,對樁芯水泥土作用的支護管樁等剛度代換計算方法進行研究具有實際意義。

1 工程概況

某工程位于江蘇省徐州市淮海國際港務區,該項目占地約395.20畝,主要包括高標準廠房、普通廠房及配套設施,總建筑面積約33萬m2。其中廠房面積約315 709.04 m2,服務中心面積約8 642.68 m2,其他建筑面積約2 800.00 m2。其中需進行基坑支護的為地下消防水池,該水池建設用地面積約652.50 m2,總建筑面積約1 141.84 m2?；用娣e約652 m2,支護周長約120 m。本工程±0.00相當于黃海高程+35.70 m,場地現狀地面標高為-0.80 m,場地坑底標高為-5.20 m,基坑開挖深度約為4.40 m,其中吸水槽底標高為-6.20 m,基坑開挖深度約為5.40 m。

基坑東側距用地紅線約24.00 m,基坑東側至紅線范圍內較開闊,無各類地下管線?；幽蟼葹橐呀?F輕鋼結構建筑(圖1),建筑采用柱下條形基礎,基礎底標高-2.15 m,基礎邊距離支護樁約1.85 m?；游鱾染嘤玫丶t線約20 m,基坑至紅線范圍內較開闊,無各類地下管線?；颖眰葹橐呀?F建筑,建筑采用樁基礎,樁頂標高-1.95 m,基坑距離樁承臺約7.50 m,基坑至承臺范圍內較開闊,無各類地下管線?；悠矫娌贾萌鐖D1所示,基坑南側(圖2中CD區段)因距離已有建筑物較近,后期無拔樁施工場地條件,本文以該區段為例進行計算分析。

圖1 基坑施工前南側現場

圖2 基坑平面布置

擬建場地屬徐淮黃泛平原區泛濫沖積平原地貌單元,原為預留地,場地地勢較平坦?；娱_挖影響范圍內土層情況如下： 1層雜填土,雜色,松散,土質不均勻,主要以灰渣、粉土、黏土為主夾植物根系,工程性質較差;2-1層粉土,黃褐色,稍濕～很濕,稍密,土質不均勻,夾黏性土薄層,含云母片,搖振反應迅速,干強度低,韌性低,為砂質粉土;2-1-1層黏土,黃褐色～灰褐色,軟塑,土質不均勻,混粉土,切面有光澤,干強度高,韌性高; 2-2層黏土,黃褐色～灰褐色,軟～可塑,土質不均勻,混粉土,切面有光澤,干強度高,韌性高;2-3層粉土,黃褐色,很濕,稍密,土質不均勻,夾黏性土薄層,含云母片,搖振反應迅速,干強度低,韌性低,為砂質粉土;2-4層黏土,黃褐色～灰褐色,軟～可塑,土質不均勻,混粉土,切面有光澤,干強度高,韌性高;2-5層黏土,黃褐色,可塑,土質均勻,切面光澤,干強度高,韌性高;3層黏土,黃褐色,硬塑,土質不均勻,局部夾粉土薄層,切面有光澤,干強度高,韌性高。

場地地下水類型主要為孔隙潛水,孔隙潛水主要賦存于1層雜填土、2-1層粉土、2-2層黏土及2-3層粉土中,補給來源主要為大氣降水和地下水的側向徑流,以自然蒸發為主要排泄途徑。場地孔隙潛水水位隨季節變化明顯,雨季水位上升,旱季水位下降,變化幅度為2.00 m左右。豐水季節6～9月水位達到高值,枯水季節12月～次年2月水位達到低值?？辈炱陂g,測得鉆孔中地下水初見水位埋深1.80～2.30 m,相應標高32.25～32.34 m;穩定水位埋深1.90～2.40 m,相應標高32.15～32.24 m?；釉O計參數見表1。

表1 基坑設計參數

本文案例CD段支護選用PRC-Ⅱ-Φ700(130)B型工法管樁@1 200 mm+φ609 mm鋼管水平支撐支護,管樁樁長14.00 m,支撐最大水平間距5.80 m?；硬捎忙?50 mm@1 200 mm三軸深攪樁作為止水帷幕,深攪樁長15.00 m。豎向布置如圖3所示(圖中未注明長度單位為mm,余同)。設計計算超載：取25 m寬條形建筑荷載30 kPa,超載作用深度1.00 m。

2 計算理論

2.1 平面彈性地基梁法

平面彈性地基梁法[1]將擋土結構假定為平面應變問題,支錨簡化為彈簧支座,坑底以下土體采用彈簧模擬。彈性地基梁變形微分方程如下：

(1)

(2)

式中：EI為支護結構的抗彎剛度;y為支護結構的側向位移;z為深度;ea(z)為z深度處的主動土壓力;bs為水平荷載計算寬度;m為地基土水平抗力比例系數;hn為第n步的開挖深度。

圖3 CD段支護剖面

2.2 等剛度代換

王新玲等[14]對PRC樁進行抗彎和抗剪試驗,提出PRC樁開裂前抗彎剛度修正公式：

(3)

I0=W0×r

(4)

式中：r,r1為管樁環形截面的外環、內環半徑;Ec0為預制管樁混凝土彈性模量;I0為管樁換算截面慣性矩,可通過公式(4)求得,W0為PRC樁換算截面抵抗矩,可根據標準[15]查詢。

根據規范[16],對于不出現裂縫的實心圓樁或矩形樁,其抗彎剛度可用下式表示：

Bs1=0.85Ec1I1

(5)

式中：Ec1為樁混凝土彈性模量,I1為實心樁截面慣性矩。

同理,對于不出現裂縫的實心水泥土,其抗彎剛度可用下式表示：

Bs2=0.85Ec2I2

(6)

采用文獻[12]中方法,依據代換樁混凝土強度等級查得Ec1,聯立式(3)、式(5)可求得不考慮樁芯水泥土時的代換實心樁截面慣性矩I1。同理,聯立式(3)、式(5)及式(6),即代換實心樁抗彎剛度Bs1等于PRC管樁抗彎剛度Bs0與樁芯水泥土抗彎剛度Bs2之和,進而可求得考慮樁芯水泥土時代換實心樁截面慣性矩I1。依據代換實心樁截面慣性矩進而求得代換灌注樁直徑D。

3 對比分析

對于本項目,樁+支撐體系中支護樁樁身彎矩及變形均較小,其對比差異性不及懸臂樁支護明顯。因此,為凸顯變形計算時考慮樁芯水泥土與否的差異性,假定CD段為無支撐支護,即將CD段假定為懸臂PRC樁支護,如圖4所示。管樁選型同圖3,樁間距為1 200 mm,對不考慮樁芯水泥土和考慮樁芯水泥土兩種情況分別進行計算。本文等剛度代換理論基于樁身未出現開裂,為避免假定情形下樁身彎矩超過樁身開裂彎矩,所以計算基坑開挖深度h=4.40 m情形。

圖4 CD段假定懸臂支護剖面

3.1 不考慮樁芯水泥土

將PRC-Ⅱ-Φ700(130)B型管樁等剛度代換為灌注樁,灌注樁混凝土強度等級選用C30,依據本文3.2所述得I1=7.719109mm4。將I1代入圓形截面慣性矩公式求得代換灌注樁直徑D=629.80 mm,如圖5所示。

由計算結果圖5可知,支護樁樁身最大彎矩為334.22 kN·m,小于PRC-Ⅱ-Φ700(130)B型管樁樁身開裂彎矩Mcr=392 kN·m,支護樁樁身最大剪力為128.28 kN,小于樁身抗裂剪力398 kN[15],樁身內力符合本文等剛度代換計算前提條件。

3.2 考慮樁芯水泥土

將考慮樁芯水泥土的PRC-Ⅱ-Φ700(130)B型管樁等剛度代換為灌注樁,灌注樁混凝土強度等級選用C30,依據本文3.2所述得I1=7.788109mm4。將I1代入圓形截面慣性矩公式求得代換灌注樁直徑D=631.20 mm,如圖6所示。

圖6 考慮樁芯水泥土懸臂支護PRC管樁位移和內力

由計算結果圖6可知,支護樁樁身最大彎矩為334.56 kN·m,小于PRC-Ⅱ-Φ700(130)B型管樁樁身開裂彎矩Mcr=392 kN·m,支護樁樁身最大剪力為128.42 kN,小于樁身抗裂剪力398 kN[15],樁身內力符合本文等剛度代換計算前提條件。

3.3 結果對比分析

兩種代換方法計算結果見表2。

表2 等剛度代換方法對比分析

由表2可知：1)雖基坑計算開挖深度僅為4.40 m,但由于本項目管樁抗彎剛度較低、樁間距較大,兩種代換方法計算所得樁頂水平位移均較大,超過了標準允許值[19],樁頂水平位移和地表沉降無法滿足對鄰近建筑物的保護要求;2) 考慮樁芯水泥土時計算所得樁頂位移略小于不考慮樁芯水泥土時計算結果,對于本案例相差0.22 mm;3)兩種代換方法計算所得最大樁身彎矩均小于樁身開裂彎矩,最大樁身剪力均小于樁身抗裂剪力,PRC管樁可滿足基坑支護強度要求;4) 考慮樁芯水泥土時計算所得最大樁身彎矩和最大樁身剪力均略大于不考慮樁芯水泥土時計算結果,對于本案例最大樁身彎矩相差0.34 kN·m,最大樁身剪力相差0.14 kN;5)對比兩種代換計算結果可知,支護樁抗彎剛度越大,越有利于控制基坑變形,但樁身內力會同步增大。

4 項目應用

4.1 設計計算

同本文4.2,將圖3所示支護PRC管樁等剛度代換為直徑D=631.20 mm的灌注樁,代換樁身混凝土強度等級為C30,對本項目CD段支護剖面(圖3)進行計算,為包絡不同基坑開挖深度工況,計算時取開挖深度h=5.40 m,計算所得每延米支撐軸力(平均到每延米冠梁上的支撐軸力值)、支護樁位移內力和坑外地表沉降如圖7～圖9所示。

圖7 CD段支撐軸力計算結果(kN/m)

圖8 CD段支護PRC管樁位移和內力包絡

圖9 CD段坑外地表沉降

4.2 計算分析

經計算由圖8和圖9可知：1)支護樁樁身最大彎矩為216.73 kN·m,小于PRC-Ⅱ-Φ700(130)B型管樁樁身開裂彎矩Mcr=392 kN·m,支護樁樁身最大剪力為119.54 kN,小于樁身抗裂剪力398 kN[15],樁身內力符合本文等剛度代換理論前提條件;2)支護樁頂水平位移為21.42 mm,坑外地表最大沉降量為12 mm,滿足標準允許值[19]及對鄰近建筑的保護要求;3)本項目采用大間距PRC管樁結合水平鋼支撐方案,相較于本文4.2所述懸臂樁方案,樁身變形得到較好控制,該方案在基坑位移控制和支護造價兩方面均有較大優勢。

4.3 現場施工

基坑總體施工流程：場地準備→加固樁施工→PCMW工法樁施工→基坑降水施工→第一層土方開挖→冠梁及鋼支撐施工→土方分層開挖到底→墊層施工→局部深坑開挖→基礎及換撐施工→鋼支撐拆除→地下結構施工→防水施工及基坑回填,如圖10、圖11所示。

圖10 三軸水泥土深層攪拌樁施工

圖11 PRC管樁插入及冠梁施工

4.4 基坑監測

依據本工程周邊環境、工程特點、設計圖紙及相關工程經驗,設置的監測項目有支護結構頂部豎向位移、支護結構頂部水平位移、土體深層水平位移、坑外水位、道路沉降、建筑物沉降、支撐軸力、裂縫監測[20-21]。監測點平面布置如圖12所示。

圖12 基坑監測平面布置

基坑監測于2023年6月24日進場開始監測,本文采錄數據至2023年8月11日,其間水平鋼支撐于2023年7月20日(圖13監測時間第27 d)開始拆除,如圖13所示。

圖13 CW4監測點樁頂水平位移及地表沉降

由位移監測數據圖13可知：1)樁頂最大水平位移為17 mm,坑外地表沉降最大為5.5 mm,符合標準允許值[19],滿足對鄰近建筑物的保護要求;2)基坑土方開挖階段樁頂水平位移及地表沉降有一定增長,但增幅較小,待支撐發揮作用后樁頂水平位移基本穩定;3)支撐拆除后樁頂水平位移較大增長,但很快趨于穩定,地表沉降變化不及樁頂水平位移明顯,其主要原因是,拆除支撐時,由于換撐剛性鉸作用,支護樁深層水平位移很小,坑外土體形變主要限于淺層土體。

由ZL2軸力監測數據圖14可知：1)最大支撐軸力為268.4 kN,對Φ609 mm鋼管支撐仍有較大安全儲備;2)土方開挖階段支撐軸力增長較明顯,而后有緩慢增長和波動,但總體趨于穩定。

圖14 ZL2監測點支撐軸力

對比計算結果圖7、圖8、圖9與監測數據圖13、圖14可知：

1)實際樁頂水平位移與計算結果總體吻合,坑外地表沉降監測數據與計算結果亦總體吻合,但監測數據略小于計算結果,其主要原因有：①為保證基坑安全,計算坑頂超載應包絡所有可能超載值,CD段外側為輕鋼二層建筑,實際超載值不及計算超載30 kPa;②本項目基坑為地下消防水池,基坑開挖面積相對較小,土方開挖量和地下結構工程量均較小,基坑暴露時間短。

2)支護支撐軸力計算結果為67.71 kN/m,支撐最大水平間距為5.8 m,單根支撐軸力計算值為67.71×5.8=392.72 kN,實際監測結果為268.4 kN,其原因同前段所述。

3)基坑監測1～10天樁頂水平位移較快增長,該時間段內支撐軸力亦增長較快,監測10 d之后樁頂水平位移和支撐軸力均處于相對穩定階段,二者相互吻合、相互驗證。

5 結論

通過結合徐州某PRC樁支護基坑工程實例,考慮樁芯水泥土作用的支護管樁等剛度代換計算方法進行研究,并與已有等剛度代換方法對比分析,結合基坑監測結果初步得到以下結論：

1)限于PRC樁抗彎剛度不高,其作為懸臂樁支護時,較難控制基坑變形,但與支錨相結合,可取得良好的支護效果,在基坑位移控制和支護造價兩方面均有較大優勢。

2)樁芯水泥土對PRC支護樁的變形及內力影響很小,本文給出理論驗證,對本文案例影響小于0.5%,因此,在PRC支護工程中不應高估樁芯水泥土的積極作用,進而避免基坑安全事故。

3)通過等剛度代換計算所得基坑變形及支撐軸力總體與實際監測結果吻合,驗證該方法的正確性。

4)已有學者通過實驗得出水泥土與型鋼混合體的抗彎剛度比相應型鋼的剛度要大20%,而本文未考慮樁外側水泥土對剛度的貢獻,該問題還有待進一步研究。