吳志佳,楊爍,張坤,劉翼,沈榮鋒,程強(qiáng)強(qiáng),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(yè)技術(shù)學(xué)院 建筑建造學(xué)院,江蘇 徐州 221116 )

隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展及土地資源越發(fā)緊張,地下空間這一寶貴資源正在得到人類(lèi)青睞,人類(lèi)在開(kāi)發(fā)地下停車(chē)場(chǎng)、商場(chǎng)以及綜合管廊等過(guò)程中產(chǎn)生種類(lèi)繁多的基坑支護(hù)形式,目前常見(jiàn)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(zhǎng)。此中SMW工法樁具有工期短、污染低、場(chǎng)地整潔及噪聲小等優(yōu)點(diǎn),自1994年在上海首次使用以來(lái)發(fā)展迅速、應(yīng)用廣泛[1]。但若基坑支護(hù)完成后H型鋼無(wú)條件回收,則該方法相較灌注樁不具成本優(yōu)勢(shì)。

預(yù)制混凝土支護(hù)管樁作為一種新型支護(hù)形式,其兼有SMW工法樁施工速度快、噪聲小及場(chǎng)地整潔等優(yōu)點(diǎn),同時(shí)相較于灌注樁具有一定經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。因此,該支護(hù)方法得到很多學(xué)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(hù)樁,且管樁抗彎剛度較低。因此,對(duì)變形控制要求較高的基坑,預(yù)制支護(hù)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(jiàn)報(bào)道案例中部分基坑支護(hù)預(yù)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(kāi)挖的過(guò)程中應(yīng)力釋放易引起基坑變形和樁體內(nèi)力增大[10],且現(xiàn)有規(guī)范暫無(wú)擠土支護(hù)樁設(shè)計(jì)計(jì)算方法[11]。然而,將管樁插入尚未固結(jié)的深層水泥土攪拌樁內(nèi)可較好避免“擠土效應(yīng)”,其所形成的PCMW工法樁作用機(jī)理與SMW工法樁相似,且被灌入的樁芯水泥土固化后對(duì)管樁的抗彎剛度起到一定有利作用。對(duì)于PRC管樁支護(hù)項(xiàng)目,目前常用商業(yè)基坑設(shè)計(jì)軟件暫無(wú)相應(yīng)計(jì)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(jì)算所得位移偏小,且對(duì)薄壁管樁誤差較大。第二種方法考慮混凝土強(qiáng)度、PRC管樁配筋等對(duì)剛度的影響,相較于第一種方法更為嚴(yán)謹(jǐn),但其未考慮樁芯水泥土的積極作用,將PRC支護(hù)管樁等剛度代換為灌注樁后,依據(jù)規(guī)程[13]計(jì)算的位移偏大。目前,樁芯水泥土對(duì)PRC支護(hù)管樁變形控制的積極作用未見(jiàn)具體研究數(shù)據(jù)。因此,對(duì)樁芯水泥土作用的支護(hù)管樁等剛度代換計(jì)算方法進(jìn)行研究具有實(shí)際意義。

1 工程概況

某工程位于江蘇省徐州市淮海國(guó)際港務(wù)區(qū),該項(xiàng)目占地約395.20畝,主要包括高標(biāo)準(zhǔn)廠房、普通廠房及配套設(shè)施,總建筑面積約33萬(wàn)m2。其中廠房面積約315 709.04 m2,服務(wù)中心面積約8 642.68 m2,其他建筑面積約2 800.00 m2。其中需進(jìn)行基坑支護(hù)的為地下消防水池,該水池建設(shè)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(hù)周長(zhǎng)約120 m。本工程±0.00相當(dāng)于黃海高程+35.70 m,場(chǎng)地現(xiàn)狀地面標(biāo)高為-0.80 m,場(chǎng)地坑底標(biāo)高為-5.20 m,基坑開(kāi)挖深度約為4.40 m,其中吸水槽底標(biāo)高為-6.20 m,基坑開(kāi)挖深度約為5.40 m。

基坑?xùn)|側(cè)距用地紅線約24.00 m,基坑?xùn)|側(cè)至紅線范圍內(nèi)較開(kāi)闊,無(wú)各類(lèi)地下管線?；幽蟼?cè)為已建2F輕鋼結(jié)構(gòu)建筑(圖1),建筑采用柱下條形基礎(chǔ),基礎(chǔ)底標(biāo)高-2.15 m,基礎(chǔ)邊距離支護(hù)樁約1.85 m?；游鱾?cè)距用地紅線約20 m,基坑至紅線范圍內(nèi)較開(kāi)闊,無(wú)各類(lèi)地下管線?；颖眰?cè)為已建4F建筑,建筑采用樁基礎(chǔ),樁頂標(biāo)高-1.95 m,基坑距離樁承臺(tái)約7.50 m,基坑至承臺(tái)范圍內(nèi)較開(kāi)闊,無(wú)各類(lèi)地下管線?；悠矫娌贾萌鐖D1所示,基坑南側(cè)(圖2中CD區(qū)段)因距離已有建筑物較近,后期無(wú)拔樁施工場(chǎng)地條件,本文以該區(qū)段為例進(jìn)行計(jì)算分析。

圖1 基坑施工前南側(cè)現(xiàn)場(chǎng)

圖2 基坑平面布置

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

場(chǎng)地地下水類(lèi)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(bǔ)給來(lái)源主要為大氣降水和地下水的側(cè)向徑流,以自然蒸發(fā)為主要排泄途徑。場(chǎng)地孔隙潛水水位隨季節(jié)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(jié)6～9月水位達(dá)到高值,枯水季節(jié)12月～次年2月水位達(dá)到低值。勘察期間,測(cè)得鉆孔中地下水初見(jiàn)水位埋深1.80～2.30 m,相應(yīng)標(biāo)高32.25～32.34 m;穩(wěn)定水位埋深1.90～2.40 m,相應(yīng)標(biāo)高32.15～32.24 m?；釉O(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 基坑設(shè)計(jì)參數(shù)

本文案例CD段支護(hù)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(hù),管樁樁長(zhǎng)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(zhǎng)15.00 m。豎向布置如圖3所示(圖中未注明長(zhǎng)度單位為mm,余同)。設(shè)計(jì)計(jì)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(jì)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(jié)構(gòu)假定為平面應(yīng)變問(wèn)題,支錨簡(jiǎn)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(hù)結(jié)構(gòu)的抗彎剛度;y為支護(hù)結(jié)構(gòu)的側(cè)向位移;z為深度;ea(z)為z深度處的主動(dòng)土壓力;bs為水平荷載計(jì)算寬度;m為地基土水平抗力比例系數(shù);hn為第n步的開(kāi)挖深度。

圖3 CD段支護(hù)剖面

2.2 等剛度代換

王新玲等[14]對(duì)PRC樁進(jìn)行抗彎和抗剪試驗(yàn),提出PRC樁開(kāi)裂前抗彎剛度修正公式：

(3)

I0=W0×r

(4)

式中：r,r1為管樁環(huán)形截面的外環(huán)、內(nèi)環(huán)半徑;Ec0為預(yù)制管樁混凝土彈性模量;I0為管樁換算截面慣性矩,可通過(guò)公式(4)求得,W0為PRC樁換算截面抵抗矩,可根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)[15]查詢。

根據(jù)規(guī)范[16],對(duì)于不出現(xiàn)裂縫的實(shí)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(shí)心樁截面慣性矩。

同理,對(duì)于不出現(xiàn)裂縫的實(shí)心水泥土,其抗彎剛度可用下式表示：

Bs2=0.85Ec2I2

(6)

采用文獻(xiàn)[12]中方法,依據(jù)代換樁混凝土強(qiáng)度等級(jí)查得Ec1,聯(lián)立式(3)、式(5)可求得不考慮樁芯水泥土?xí)r的代換實(shí)心樁截面慣性矩I1。同理,聯(lián)立式(3)、式(5)及式(6),即代換實(shí)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(jìn)而可求得考慮樁芯水泥土?xí)r代換實(shí)心樁截面慣性矩I1。依據(jù)代換實(shí)心樁截面慣性矩進(jìn)而求得代換灌注樁直徑D。

3 對(duì)比分析

對(duì)于本項(xiàng)目,樁+支撐體系中支護(hù)樁樁身彎矩及變形均較小,其對(duì)比差異性不及懸臂樁支護(hù)明顯。因此,為凸顯變形計(jì)算時(shí)考慮樁芯水泥土與否的差異性,假定CD段為無(wú)支撐支護(hù),即將CD段假定為懸臂PRC樁支護(hù),如圖4所示。管樁選型同圖3,樁間距為1 200 mm,對(duì)不考慮樁芯水泥土和考慮樁芯水泥土兩種情況分別進(jìn)行計(jì)算。本文等剛度代換理論基于樁身未出現(xiàn)開(kāi)裂,為避免假定情形下樁身彎矩超過(guò)樁身開(kāi)裂彎矩,所以計(jì)算基坑開(kāi)挖深度h=4.40 m情形。

圖4 CD段假定懸臂支護(hù)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(qiáng)度等級(jí)選用C30,依據(jù)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(jì)算結(jié)果圖5可知,支護(hù)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(kāi)裂彎矩Mcr=392 kN·m,支護(hù)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(nèi)力符合本文等剛度代換計(jì)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(qiáng)度等級(jí)選用C30,依據(jù)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(hù)PRC管樁位移和內(nèi)力

由計(jì)算結(jié)果圖6可知,支護(hù)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(kāi)裂彎矩Mcr=392 kN·m,支護(hù)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(nèi)力符合本文等剛度代換計(jì)算前提條件。

3.3 結(jié)果對(duì)比分析

兩種代換方法計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 等剛度代換方法對(duì)比分析

由表2可知：1)雖基坑計(jì)算開(kāi)挖深度僅為4.40 m,但由于本項(xiàng)目管樁抗彎剛度較低、樁間距較大,兩種代換方法計(jì)算所得樁頂水平位移均較大,超過(guò)了標(biāo)準(zhǔn)允許值[19],樁頂水平位移和地表沉降無(wú)法滿足對(duì)鄰近建筑物的保護(hù)要求;2) 考慮樁芯水泥土?xí)r計(jì)算所得樁頂位移略小于不考慮樁芯水泥土?xí)r計(jì)算結(jié)果,對(duì)于本案例相差0.22 mm;3)兩種代換方法計(jì)算所得最大樁身彎矩均小于樁身開(kāi)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(hù)強(qiáng)度要求;4) 考慮樁芯水泥土?xí)r計(jì)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?xí)r計(jì)算結(jié)果,對(duì)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(duì)比兩種代換計(jì)算結(jié)果可知,支護(hù)樁抗彎剛度越大,越有利于控制基坑變形,但樁身內(nèi)力會(huì)同步增大。

4 項(xiàng)目應(yīng)用

4.1 設(shè)計(jì)計(jì)算

同本文4.2,將圖3所示支護(hù)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(qiáng)度等級(jí)為C30,對(duì)本項(xiàng)目CD段支護(hù)剖面(圖3)進(jìn)行計(jì)算,為包絡(luò)不同基坑開(kāi)挖深度工況,計(jì)算時(shí)取開(kāi)挖深度h=5.40 m,計(jì)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(hù)樁位移內(nèi)力和坑外地表沉降如圖7～圖9所示。

圖7 CD段支撐軸力計(jì)算結(jié)果(kN/m)

圖8 CD段支護(hù)PRC管樁位移和內(nèi)力包絡(luò)

圖9 CD段坑外地表沉降

4.2 計(jì)算分析

經(jīng)計(jì)算由圖8和圖9可知：1)支護(hù)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(kāi)裂彎矩Mcr=392 kN·m,支護(hù)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(nèi)力符合本文等剛度代換理論前提條件;2)支護(hù)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(biāo)準(zhǔn)允許值[19]及對(duì)鄰近建筑的保護(hù)要求;3)本項(xiàng)目采用大間距PRC管樁結(jié)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(hù)造價(jià)兩方面均有較大優(yōu)勢(shì)。

4.3 現(xiàn)場(chǎng)施工

基坑總體施工流程：場(chǎng)地準(zhǔn)備→加固樁施工→PCMW工法樁施工→基坑降水施工→第一層土方開(kāi)挖→冠梁及鋼支撐施工→土方分層開(kāi)挖到底→墊層施工→局部深坑開(kāi)挖→基礎(chǔ)及換撐施工→鋼支撐拆除→地下結(jié)構(gòu)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(jiān)測(cè)

依據(jù)本工程周邊環(huán)境、工程特點(diǎn)、設(shè)計(jì)圖紙及相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn),設(shè)置的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目有支護(hù)結(jié)構(gòu)頂部豎向位移、支護(hù)結(jié)構(gòu)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(jiān)測(cè)[20-21]。監(jiān)測(cè)點(diǎn)平面布置如圖12所示。

圖12 基坑監(jiān)測(cè)平面布置

基坑監(jiān)測(cè)于2023年6月24日進(jìn)場(chǎng)開(kāi)始監(jiān)測(cè),本文采錄數(shù)據(jù)至2023年8月11日,其間水平鋼支撐于2023年7月20日(圖13監(jiān)測(cè)時(shí)間第27 d)開(kāi)始拆除,如圖13所示。

圖13 CW4監(jiān)測(cè)點(diǎn)樁頂水平位移及地表沉降

由位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)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(biāo)準(zhǔn)允許值[19],滿足對(duì)鄰近建筑物的保護(hù)要求;2)基坑土方開(kāi)挖階段樁頂水平位移及地表沉降有一定增長(zhǎng),但增幅較小,待支撐發(fā)揮作用后樁頂水平位移基本穩(wěn)定;3)支撐拆除后樁頂水平位移較大增長(zhǎng),但很快趨于穩(wěn)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(shí),由于換撐剛性鉸作用,支護(hù)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(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)圖14可知：1)最大支撐軸力為268.4 kN,對(duì)Φ609 mm鋼管支撐仍有較大安全儲(chǔ)備;2)土方開(kāi)挖階段支撐軸力增長(zhǎng)較明顯,而后有緩慢增長(zhǎng)和波動(dòng),但總體趨于穩(wěn)定。

圖14 ZL2監(jiān)測(cè)點(diǎn)支撐軸力

對(duì)比計(jì)算結(jié)果圖7、圖8、圖9與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)圖13、圖14可知：

1)實(shí)際樁頂水平位移與計(jì)算結(jié)果總體吻合,坑外地表沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與計(jì)算結(jié)果亦總體吻合,但監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)略小于計(jì)算結(jié)果,其主要原因有：①為保證基坑安全,計(jì)算坑頂超載應(yīng)包絡(luò)所有可能超載值,CD段外側(cè)為輕鋼二層建筑,實(shí)際超載值不及計(jì)算超載30 kPa;②本項(xiàng)目基坑為地下消防水池,基坑開(kāi)挖面積相對(duì)較小,土方開(kāi)挖量和地下結(jié)構(gòu)工程量均較小,基坑暴露時(shí)間短。

2)支護(hù)支撐軸力計(jì)算結(jié)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(jì)算值為67.71×5.8=392.72 kN,實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果為268.4 kN,其原因同前段所述。

3)基坑監(jiān)測(cè)1～10天樁頂水平位移較快增長(zhǎng),該時(shí)間段內(nèi)支撐軸力亦增長(zhǎng)較快,監(jiān)測(cè)10 d之后樁頂水平位移和支撐軸力均處于相對(duì)穩(wěn)定階段,二者相互吻合、相互驗(yàn)證。

5 結(jié)論

通過(guò)結(jié)合徐州某PRC樁支護(hù)基坑工程實(shí)例,考慮樁芯水泥土作用的支護(hù)管樁等剛度代換計(jì)算方法進(jìn)行研究,并與已有等剛度代換方法對(duì)比分析,結(jié)合基坑監(jiān)測(cè)結(jié)果初步得到以下結(jié)論：

1)限于PRC樁抗彎剛度不高,其作為懸臂樁支護(hù)時(shí),較難控制基坑變形,但與支錨相結(jié)合,可取得良好的支護(hù)效果,在基坑位移控制和支護(hù)造價(jià)兩方面均有較大優(yōu)勢(shì)。

2)樁芯水泥土對(duì)PRC支護(hù)樁的變形及內(nèi)力影響很小,本文給出理論驗(yàn)證,對(duì)本文案例影響小于0.5%,因此,在PRC支護(hù)工程中不應(yīng)高估樁芯水泥土的積極作用,進(jìn)而避免基坑安全事故。

3)通過(guò)等剛度代換計(jì)算所得基坑變形及支撐軸力總體與實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果吻合,驗(yàn)證該方法的正確性。

4)已有學(xué)者通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出水泥土與型鋼混合體的抗彎剛度比相應(yīng)型鋼的剛度要大20%,而本文未考慮樁外側(cè)水泥土對(duì)剛度的貢獻(xiàn),該問(wèn)題還有待進(jìn)一步研究。