PHC 管樁在基坑支護結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

吳連祥

（啟東市建筑設(shè)計院有限公司，江蘇 啟東 226200）

0 引言

PHC 管樁由于單樁承載力高、施工速度快、工期短、造價低、施工現(xiàn)場文明等許多優(yōu)點，在基礎(chǔ)工程中得到廣泛應(yīng)用。 目前PHC 管樁大量用作抗壓樁，承受豎向壓力，少量用作抗拔樁，承受豎向拉力，但用作基坑支護的抗彎樁，承受水平力，用量還很少。 近年來理論研究和工程應(yīng)用表明，PHC 管樁在適宜條件下用作基坑支護結(jié)構(gòu)是可行的，且同樣具有工效快、工期短、造價低、環(huán)境佳等優(yōu)點，應(yīng)大力推廣應(yīng)用。

1 管樁支護結(jié)構(gòu)設(shè)計要點

1.1 搜集設(shè)計資料

首先詳細(xì)分析工程地質(zhì)資料，特別是基坑影響深度范圍內(nèi)的地質(zhì)情況，熟悉地下室結(jié)構(gòu)施工圖和樁基施工圖，根據(jù)地下室要求確定基坑的挖土范圍和挖土深度，摸清基坑周邊建筑物及各種地下管線的詳細(xì)資料，在此基礎(chǔ)上，確定基坑支護結(jié)構(gòu)安全等級。

1.2 確定結(jié)構(gòu)類型

管樁支護結(jié)構(gòu)屬于排樁支護結(jié)構(gòu)的一種形式，可分為三種結(jié)構(gòu)類型：懸臂結(jié)構(gòu)、單支點結(jié)構(gòu)、多支點結(jié)構(gòu)。

懸臂結(jié)構(gòu)：無錨無撐，依靠自身的剛度和強度維持穩(wěn)定的支護結(jié)構(gòu)。 當(dāng)重力式擋墻因場地寬度不夠而不能采用時， 懸臂式擋墻就能克服這個缺點，但懸臂式擋墻的位移比較大，難以滿足周邊環(huán)境的嚴(yán)格要求，一般只能用于淺基坑。

單支點結(jié)構(gòu)： 依靠一道撐或一道錨來維持基坑穩(wěn)定，一般用于挖深不大的基坑工程。 錨一般采用土層錨桿； 土層錨桿要求具有比較好的地質(zhì)條件， 同時必須有足夠開闊的場地條件或者容許錨桿可以伸入紅線以外的土層中。

多支點結(jié)構(gòu)： 依靠多道撐或多道錨來維持基坑穩(wěn)定， 對于深基坑可以采用多道撐或多道錨來平衡土壓力，因而可以適用于開挖較深的基坑。

根據(jù)基坑挖深、周邊環(huán)境和地質(zhì)條件，選擇管樁支護結(jié)構(gòu)類型。

1.3 計算側(cè)向荷載

1.3.1 土壓力、水壓力

關(guān)于土壓力的計算，《建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程》（JGJ120-2012）規(guī)定：采用朗肯理論計算，在考慮土中水對側(cè)向壓力的影響時， 砂土和粉土采用水土分算，粘性土采用水土合算。

所謂水土合算和水土分算， 就是在計算公式中，土的重度是用天然重度還是浮重度，在物理概念上是土中水對擋墻的作用如何考慮的問題。 假定不同，采用的強度指標(biāo)不同，計算方法也不同。

1.3.2 施工荷載產(chǎn)生的側(cè)壓力

施工荷載通常按20 kPa 考慮， 如果過大的荷載無法避免，則應(yīng)在設(shè)計時加以考慮。 設(shè)計時沒有考慮的超載，施工過程中必須禁止出現(xiàn)。

1.3.3 永久性荷載產(chǎn)生的側(cè)壓力

基坑設(shè)計的永久性荷載主要是：基坑周邊建筑物的基底荷載，這種荷載對基坑穩(wěn)定性有一定的影響。 當(dāng)建筑物距基坑比較近，由這些永久性荷載產(chǎn)生的土壓力就不能忽視。

1.4 計算結(jié)構(gòu)內(nèi)力及變形

管樁支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力及變形的計算方法很多，包括古典分析方法、解析方法和數(shù)值分析方法。

古典分析方法不考慮擋墻變形及擋墻與土的相互作用，將土壓力作為外力施加于支護結(jié)構(gòu)，然后通過求解水平方向合力及支撐點的彎矩為零的方程得到結(jié)構(gòu)內(nèi)力。 主要有：靜力平衡法、等值梁法。

解析方法是通過將擋土結(jié)構(gòu)分成有限個區(qū)間，建立彈性微分方程， 再根據(jù)邊界條件和連續(xù)條件，求解擋土結(jié)構(gòu)內(nèi)力和支撐軸力。

古典分析方法和解析方法由于在理論上存在各自的局限性而難以滿足復(fù)雜基坑工程的設(shè)計要求，隨著基坑工程的發(fā)展和計算技術(shù)的進(jìn)步，目前常用的數(shù)值分析方法主要有平面彈性地基梁法和平面連續(xù)介質(zhì)有限元法，如北京理正、同濟啟明星等軟件都是采用此類數(shù)值分析方法。

管樁擋墻雖然由單個樁體組成，但其豎向受力形式與壁式地下連續(xù)墻是類似的，其區(qū)別在于分離布置的管樁之間不能傳遞剪力和水平向的彎矩，在設(shè)計中一般通過在水平向設(shè)置圍懔來加強樁墻的整體性。 計算時，一般將樁墻按抗彎剛度相等的原則等價為一定厚度的壁式地下連續(xù)墻進(jìn)行內(nèi)力分析，僅考慮樁體豎向受力和變形。 采用北京理正或同濟啟明星等軟件可以方便地對管樁支護結(jié)構(gòu)進(jìn)行內(nèi)力和位移計算， 自動繪出內(nèi)力及位移包絡(luò)圖，有撐或有錨時還給出水平力。

1.5 驗算管樁強度

PHC 管樁的抗彎性能是用作支護樁的重要指標(biāo)，一般PHC 管樁圖集中對各種規(guī)格的PHC 管樁設(shè)計彎矩值和設(shè)計剪力值均在力學(xué)性能參數(shù)表中給出。

根據(jù)管樁支護結(jié)構(gòu)的內(nèi)力計算結(jié)果， 將PHC管樁所受的最大彎矩標(biāo)準(zhǔn)值及最大剪力標(biāo)準(zhǔn)值，換算成最大彎矩設(shè)計值及最大剪力設(shè)計值，與參數(shù)表中對應(yīng)型號的樁比對，選定PHC 管樁型號，如果前者小于后者，則所選管樁樁身強度滿足要求。

1.6 驗算穩(wěn)定性

穩(wěn)定性驗算，實際上就是驗算支護結(jié)構(gòu)在土壓力和水壓力作用下是否滿足靜力平衡條件，并是否具有所要求的、必要的設(shè)計安全度。

驗算包括：懸臂結(jié)構(gòu)嵌固穩(wěn)定性；單支點結(jié)構(gòu)嵌固穩(wěn)定性；懸臂結(jié)構(gòu)、錨拉式結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性（圓弧滑動）；支護結(jié)構(gòu)的抗隆起穩(wěn)定性；多支點結(jié)構(gòu)最下層支點為軸心的圓弧滑動穩(wěn)定性（小圓弧滑動）；地下水滲透穩(wěn)定性等。

目前常用的北京理正、同濟啟明星等軟件均可對上述各種穩(wěn)定性進(jìn)行驗算，重要的是設(shè)計人員應(yīng)用時必須要有清晰的結(jié)構(gòu)概念和土力學(xué)概念。

2 工程實例

2.1 工程概況

啟東市東辰公寓二期工程由2 棟高層住宅和沿街商業(yè)建筑組成，建筑面積21 870 m2，設(shè)一層地下室，建筑面積57 80 m2。該工程采用靜壓樁，整體樁筏基礎(chǔ)，基坑呈矩形，南北向長92 m，東西向?qū)?0 m，基坑周長324 m，基坑面積約6 500 m2?！?.00相當(dāng)于絕對標(biāo)高（85 高程）3.07 m，自然地面整平后標(biāo)高約為2.47 m，相對標(biāo)高為-0.60 m，基坑挖深5.6 m，擬建高層住宅樓處挖深6.3 m，坑中坑挖深達(dá)7.6 m。

2.2 環(huán)境條件

擬建場地位于啟東市人民路北側(cè)， 建設(shè)路東側(cè)，原為鎮(zhèn)衛(wèi)生院，經(jīng)拆除后場地平坦。 基坑南側(cè)距人民路邊線最近處9.05 m；西側(cè)為建設(shè)路，基坑邊離用地紅線最近處3 m， 用地紅線與道路邊線相距6 m；北側(cè)為正在施工的住宅區(qū)，距最近的建筑8.2 m；基坑?xùn)|側(cè)為住宅區(qū)，最近處離車庫3.8 m，距高層住宅樓8.7 m。 如圖1 所示。

2.3 地質(zhì)條件

基坑影響深度范圍內(nèi)，各土層分層描述如下：

（1）填土：褐黃色，土質(zhì)不均勻，主要成分為粉質(zhì)粘土，含碎磚、砼塊和植物根莖，結(jié)構(gòu)松散，力學(xué)性質(zhì)較差。

圖1 基坑周邊環(huán)境示意圖

（2）淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土：灰色，流塑，土質(zhì)不均勻，夾淤泥質(zhì)粉土、粉質(zhì)粘土，屬高壓縮性土。

（3）粉土：灰色，土很濕，稍密，土質(zhì)不均勻，夾淤泥質(zhì)粉土、粉質(zhì)粘土，含云母碎片，屬中壓縮性土。

（4）粉砂：灰色，飽和，稍密，土質(zhì)不均勻，含貝殼碎屑，云母，屬中～低壓縮性土。

場地地下水類型為孔隙潛水，埋藏較淺，為自然地面下0.5～1.8 m 左右。

地基土分層特性見表1。

2.4 基坑支護的方案選擇和設(shè)計

2.4.1 基坑支護方案選擇

根據(jù)基坑挖深、周邊環(huán)境和地質(zhì)情況，支護結(jié)構(gòu)安全等級除放坡開挖段為三級外， 其余均為二級。針對本基坑的特點，區(qū)別不同的環(huán)境條件，因地制宜采用不同的支護方案。

表1 各土層特性表

對具備放坡條件的南側(cè)地段優(yōu)先采用自然放坡細(xì)石混凝土掛網(wǎng)抹面方案，對放坡坡比受到限制的西側(cè)地段，采用土釘墻掛網(wǎng)噴錨支護方案；北側(cè)距分隔圍墻6 m， 采用重力式水泥土擋墻方案，格柵式布置，縱橫向搭接200，擋墻寬3.2 m。

東側(cè)距分隔圍墻最近處僅2.3 m， 經(jīng)過多方案的比較，決定采用預(yù)應(yīng)力混凝土管樁加一道水泥土旋噴加筋錨樁擋土， 管樁外側(cè)設(shè)兩排Φ700 水泥土攪拌樁作止水帷幕的方案，管樁支護剖面見圖2。

2.4.2 東側(cè)管樁支護結(jié)構(gòu)設(shè)計

（1）內(nèi)力變形計算

管樁擋土結(jié)構(gòu)采用同濟啟明星FRWS7 軟件分析計算。 內(nèi)力變形計算結(jié)果如圖3 所示，每根樁抗彎剛度EI=47 752 kN.m2。 內(nèi)力計算結(jié)果是每根樁的，支撐反力是每延米的,見表2。

圖2 管樁支護剖面圖

（2）錨樁抗拔計算（表3）

圖3 內(nèi)力變形計算結(jié)果

表2 支撐（錨）反力范圍表

（3）PHC 管樁強度驗算

表3 錨樁抗拔計算

管樁選用PHC-500（125）B-C80-11，從圖3 中可以看出，PHC 管樁的樁身最大彎矩標(biāo)準(zhǔn)值為173 kN·m，作用點位于樁頂下3 m 左右處。 PHC 管樁的樁身最大剪力標(biāo)準(zhǔn)值為120.2 kN， 作用點位于樁頂下5.8 m 處。由《預(yù)應(yīng)力混凝土管樁》（蘇G03-2012）圖集可查得，PHC-500 （125）B-C80 管樁的彎矩設(shè)計值為254 kN·m，剪力設(shè)計值為307 kN。 最大彎矩驗算：173×1.25×1= 216.25 kN·m＜254 kN·m， 最大剪力驗算：120.2×1.25×1=150.25 kN＜307 kN。 表明以PHC-500（125）B-C80 作為該基坑支護樁時，樁身強度滿足要求。

根據(jù)圖3 計算結(jié)果，PHC 管樁的最大位移為13.6 mm，滿足基坑設(shè)計最大位移小于30 mm 的限值要求。支護結(jié)構(gòu)的變形和基坑側(cè)壁的位移均滿足規(guī)范要求，基坑的穩(wěn)定性驗算也都滿足要求，說明本基坑?xùn)|側(cè)采用PHC 管樁作支護樁的樁錨體系是合理的。

2.5 支護方案細(xì)節(jié)設(shè)計

（1）選用PHC-500（125）B-C80 管樁，樁頂位于地表下1.3 m，樁長11.0 m，單節(jié)樁壓入，無接頭，間距1.6 m。

（2）樁頂設(shè)置冠梁，加強支護結(jié)構(gòu)的整體性。 冠梁頂面為自然地面下0.8m，冠梁截面為600 mm×500 mm，支護PHC 管樁伸入冠梁100 mm，冠梁混凝上強度采用C30。

（3）深層攪拌水泥土樁樁徑700 mm，搭接長度200 mm，樁頂埋深與自然地面平，樁長12 m；水泥采用32.5 普硅水泥，水泥摻入比14%。

（4）錨樁采用旋噴攪拌加勁水泥土樁，鎖定于管樁頂?shù)墓诹簜?cè)面，水平間距1.6 m，為減少對地面沉降的影響，錨樁的傾角：35～45°，樁徑選定400 mm，擴大頭直徑650 mm，錨筋用2 根12.7 鋼絞線，抗拉強度設(shè)計值1 320 MPa，錨樁長13 m。 在冠梁及錨樁強度達(dá)設(shè)計強度70%后，施加預(yù)應(yīng)力，用錨具鎖定。

（5）管樁布樁盡量形成封閉，特別是在轉(zhuǎn)角處，如不能封閉可在端部加角撐。

2.6 基坑監(jiān)測

基坑在開挖過程中，監(jiān)測周圍土體及建筑物的動態(tài)變化，確保支護結(jié)構(gòu)及鄰近建筑物的安全。 在坡項每20～40 m 設(shè)一監(jiān)測點， 觀測支護結(jié)構(gòu)的位移，并在隔水帷幕的外側(cè)，管樁擋墻邊長的中間附近布置測斜孔，及時獲取支護結(jié)構(gòu)及深層土體位移變化信息。 監(jiān)測結(jié)果顯示：從基坑開挖至地下室施工結(jié)束，支護樁樁頂最大的水平位移在擋墻邊長的中點附近，位移值為10 mm，PHC 管樁樁身的裂縫很小，管樁質(zhì)量完好，基坑開挖后的情況見圖4。

圖4 基坑開挖后的效果

管樁支護邊的東側(cè)，4 號高層住宅樓平均沉降5.65 mm， 最大沉降10.15 mm，2 號高層住宅樓平均沉降5.24 mm，最大沉降9.78 mm。 北車庫平均沉降21.2 mm，西車庫平均沉降31.4 mm，同時，基坑的止水情況良好。單錨式PHC 管樁支護方案，達(dá)到了預(yù)期效果。

3 結(jié)語

（1）在挖深5～8 m 的基坑支護工程中，采用單錨式PHC 管樁支護結(jié)構(gòu)，具有較好的技術(shù)效益、經(jīng)濟效益，同時還具有較好的環(huán)境效益、社會效益。

（2) PHC 管樁用于基坑支護， 一般選用單節(jié)樁。 因為管樁接頭處的抗彎能力較弱，在彎矩作用下容易發(fā)生斷裂。 單節(jié)管樁的長度通常與生產(chǎn)廠家的生產(chǎn)設(shè)備、技術(shù)水平、材料性能等有關(guān)。

（3） 管樁支護結(jié)構(gòu)在錨或撐的支點處為集中力，故應(yīng)對該處進(jìn)行局部承壓驗算，如錨或撐支點力過大會使空心管樁產(chǎn)生局部受壓破壞，致使管樁壓碎，必要時為了提高管樁的局部抗壓強度，可把空心管樁集中力處一定范圍內(nèi)灌實混凝土。

（4）PHC 管樁應(yīng)用于基坑支護，目前還在摸索探討階段。 PHC 管樁本身的材料性能、力學(xué)性能、抗彎性能等， 基坑在開挖過程中PHC 管樁的變形情況、樁土之間的相互關(guān)系等，都有待于進(jìn)一步研究。

[1]JGJ120-2012 建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2012.

[2]中國建筑科學(xué)研究院.GB50010-2010 混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.

[3]劉國彬，王衛(wèi)東.基坑工程手冊[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2009.