談PRC管樁在黃土地區(qū)基坑支護中的應用

李 騰 訾 凡

(中國有色金屬工業(yè)西安勘察設計研究院有限公司，陜西 西安 710054)

0 引言

“關于新時代推進西部大開發(fā)形成新格局的指導意見”的提出，勢必會引起西安等黃土地區(qū)新一輪的城市建設熱潮。對城市地下空間的開發(fā)、建設也將迎來更高的建設要求。深基坑支護工程也勢必會在安全、經(jīng)濟、工期等方面迎來更高的挑戰(zhàn)。

PRC管樁即混合配筋預應力混凝土管樁，作為一種新的深基坑支護結(jié)構，其主筋配筋形式為預應力鋼筋和非預應力鋼筋組合布置。有研究表明PRC管樁比PHC管樁有更高的抗剪承載力、抗剪剛度和抗彎承載力[1,2]，這便解決了PHC管樁在深基坑支護應用中抗彎、剪承載力小的弊端。PRC管樁綠色環(huán)保，施工效率高，機械化、自動化水平高、可以定規(guī)格的批量生產(chǎn)，在深基坑支護中應用更加經(jīng)濟、可以縮短工期。目前國內(nèi)不少地區(qū)(如河南省、江蘇省)已經(jīng)出臺了PRC管樁作為支護結(jié)構的標準[3]，在國內(nèi)沿海地區(qū)使用PRC管樁進行基坑支護也已經(jīng)有不少成功案例[4,5]。然而，在深基坑支護設計中使用較多的理正深基坑支護軟件沒有PRC管樁模型，且黃土地區(qū)仍沒有形成明確的標準來規(guī)范PRC管樁在基坑支護中的應用。因此，有必要討論PRC管樁在黃土地區(qū)深基坑支護設計中的應用。

本文以西安曲江新區(qū)某學校深基坑支護工程為案例，以等剛度代換法結(jié)合理正深基坑支護軟件對PRC管樁的樁身內(nèi)力、基坑整體穩(wěn)定性和變形進行了計算，討論了PRC管樁在黃土地區(qū)深基坑支護的應用，以期為黃土地區(qū)PRC管樁深基坑支護設計選型提供參考。

1 工程概況

擬建項目位于西安市公田二路以東，金輝公園里以西。擬建場地±0.000對應的高程494.70 m，地面整平高程為491.00 m～496.00 m，車庫基坑底面高程為483.53 m(-11.17 m)，基坑實際開挖深度為7.47 m～12.47 m?；颖眰?cè)紅線以外為天地源小區(qū)多層建筑物，基坑東側(cè)紅線以外金輝公園里5號、6號、7號高層住宅樓及地下車庫，基坑南側(cè)紅線以外為在建建筑物，基坑西側(cè)為曲江三中已建成教學樓及宿舍樓(4F～6F)，均為框架結(jié)構，獨立承臺+管樁基礎。周邊建構筑物與基坑的相對位置關系見圖1。經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查，基坑開挖及支護影響范圍內(nèi)暫無受影響的管道等地下構筑物存在。

2 場地工程地質(zhì)條件

該基坑地層自上而下依次為人工填土、上更新統(tǒng)及中更新統(tǒng)風積黃土、殘積古土壤等，具體物理力學參數(shù)詳如表1所示。

表1 地層條件統(tǒng)計表

3 方案選型

基坑支護選型結(jié)合場地水文地質(zhì)條件及周邊環(huán)境、基坑開挖面積、開挖深度等因素，在保證周邊建筑物及基坑工程安全的前提條件下，盡量縮短施工周期、減少對周邊居民正常生活的影響。

根據(jù)以上要求，按照西安周邊黃土地區(qū)常規(guī)設計思路一般會采用鉆孔灌注樁圍護體系+錨索的支護形式進行設計。

現(xiàn)分別從經(jīng)濟、工期等方面將本工程鉆孔灌注樁和PRC支護管樁各自優(yōu)缺點進行對比，如表2所示。

表2 鉆孔灌注樁與PRC管樁對比

基坑為學校建設項目，工期緊，若按混凝土灌注樁設計，不能滿足工期要求，綜合以上分析，最終考慮用PRC管樁+錨索的支護形式。通過設計選型，所得基坑支護平面圖、PRC管樁支護剖面圖如圖1，圖2所示。

4 PRC管樁的設計選型

4.1 等剛度代換法

根據(jù)JGJ 120—2012建筑基坑支護技術規(guī)程第4.1.1條：擋土結(jié)構宜采用平面桿系結(jié)構彈性支點法進行分析。因此，在使用PRC樁支護時需要考慮樁的剛度對受力及變形的影響。

PRC管樁的剛度：

(1)

其中,EI為管樁樁身剛度,N·mm2，Ec0為樁身混凝土彈性模量，C80混凝土取3.8×104N/mm2；D0為管樁外徑,mm；d為管樁內(nèi)徑,mm。

混凝土灌注樁剛度：

(2)

其中,EI為管樁樁身剛度,N·mm2;Ec1為樁身混凝土彈性模量，C30混凝土取3×104N/mm2；D1為灌注樁直徑,mm。

對PRC管樁與混凝土灌注樁進行等剛度代換(灌注樁選用C30混凝土，PRC管樁選用C80混凝土)，由式(1)、式(2)可得：

(3)

由式(3)可得到等剛度代換下的PRC管樁截面尺寸。

4.2 PRC管樁設計

計算結(jié)果顯示，基坑支護最大位移、最大彎矩、最大剪力均出現(xiàn)在第4工況，即基坑開挖到坑底時，最大位移為3.43 mm，最大彎矩為41.49 kN·m，最大剪力為41.66 kN。整體穩(wěn)定安全性系數(shù)Ks=2.750。滿足規(guī)范要求。利用等剛度代換法，如本文4.1節(jié)代換過程，取D1=500 mm，對照管樁型號表，PRC-Ⅰ-500(100)-C管樁符合要求，且具有一定的安全儲備。PRC管樁物理力學參數(shù)如表3所示。

表3 PRC管樁物理力學參數(shù)

本案例中，管樁在基坑支護的設計過程經(jīng)歷兩個步驟：1)利用理正深基坑支護軟件進行混凝土灌注樁支護設計；2)利用等剛度代換法選擇合適的PRC管樁型號進行代換。將此設計模式稱之為等剛度代換樁錨模式。本案例便是利用等剛度代換法樁錨模式來進行PRC管樁的選型。筆者認為，對于更復雜的深基坑，在經(jīng)歷上述兩個步驟選型后，還應利用專門的有限元計算軟件進行數(shù)值計算與校核，保證基坑支護有更安全的儲備。

5 基坑監(jiān)測

在基坑西側(cè)PRC管樁支護位置布置6個監(jiān)測點，監(jiān)測時間90 d，對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行整理統(tǒng)計，如表4所示。

表4 基坑監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計

從表4可以看出，水平位移監(jiān)測值最大為4.5 mm，沉降位移監(jiān)測值最大為4.6 mm。

將現(xiàn)場監(jiān)測水平位移最大值、平均值與通過等剛度代換樁錨模式計算的水平位移進行對比，見圖3。從圖3中可以看出等剛度代換樁錨模式計算所得的水平位移和監(jiān)測最大值較接近。表明在黃土地區(qū)采用等剛度代換樁錨模式進行PRC管樁基坑支護設計是可行的。

6 結(jié)論

本文以西安市曲江新區(qū)某學校深基坑支護為對象，采用等剛度代換樁錨模式計算樁身內(nèi)力、基坑整體穩(wěn)定性和變形。用基坑變形監(jiān)測結(jié)果與等剛度代換樁錨模式進行了對比。結(jié)合工程實例從經(jīng)濟、工期等方面對比了黃土地區(qū)PRC管樁與混凝土灌注樁的優(yōu)缺點。得出了以下結(jié)論：

1)在黃土地區(qū)，將等剛度代換的樁錨模式運用在PRC管樁基坑支護設計中是可行的。

2)在黃土地區(qū)，采用PRC管樁代替混凝土灌注樁可以縮短25%左右的工期，30%左右的造價。

3)筆者認為，對于周邊環(huán)境、地層條件復雜的深基坑，在進行等剛度代換樁錨模式計算、等剛度代換法選擇PRC管樁型號后，還需利用有限元軟件校核PRC管樁支護設計方案，以確保基坑支護足夠安全。