高強預應力混凝土支護樁在軟土基坑工程中的應用
楊玉貴
（南華大學城市建設學院，湖南 衡陽421001）
[摘要]預應力高強混凝土支護樁是近幾年在沿海軟土地區(qū)大力推廣的一種新型支護樁。通過對預應力支護樁在工程中的應用，結(jié)合變形監(jiān)測以及經(jīng)濟效益檢驗，得出將預應力支護樁應用在軟土基坑中，不僅在安全質(zhì)量上有保證，并在很大程度上提高了基坑支護的經(jīng)濟性及施工便捷性，同時可以有效減少對周邊環(huán)境的負面影響。
[關鍵詞]基坑；樁；支護；預應力；監(jiān)測
[中圖分類號]TU753.3 [文章編號]1002 -8498( 2016) 07 -0050-05
0 引言
預應力高強混凝土支護樁近幾年在沿海軟土地區(qū)大力推廣，目前以江蘇省運用最為廣泛。預應力支護樁源于PHC管樁技術，不同之處在于預應力支護樁是一種專門為基坑支護而設計的預制樁。就其截面形式而言，目前國內(nèi)有矩形支護樁、三角形支護樁及圓管型支護樁。
預應力支護樁具有無噪聲、無振動、無環(huán)境污染、樁身質(zhì)量可靠、強度高、穿透力強、耐腐蝕、沉樁不易偏心、節(jié)約材料、造價低廉等特點。同時具有樁型規(guī)格多、設計選用范圍廣、對持力層起伏變化較大的地層適應性強、運輸?shù)跹b方便、接樁快捷、施工速度快、工效高、工期短等設計與施工優(yōu)點。將預應力支護樁應用于軟土深基坑中能極大縮短基坑施工周期，明顯降低基坑圍護成本，且樁的質(zhì)量比灌注樁更有保障。同時它可以與土釘、錨桿、內(nèi)支撐、雙排樁等支護形式組合使用，是一種非常理想的基坑支護結(jié)構(gòu)。
中山市位于珠三角中南部，其軟土沉積時間較短，地下水位較高，絕大部分由淤泥、淤泥質(zhì)土、粉細砂或三者混合物構(gòu)成。其物理力學性質(zhì)非常復雜，具有高含水量、高壓縮性、低承載力、滲透系數(shù)小、結(jié)構(gòu)性強、流變性明顯且土層多為欠固結(jié)等工程特性。比較常見的軟土厚度一般在20m左右，局部地區(qū)軟土厚度可達40m以上。這樣的土層非常不利于基坑開挖。隨著用地日益緊張，1～3層的地下室基坑十分常見，這時采用預應力支護樁進行基坑支護將會是一種可行并且經(jīng)濟的方案。
本文結(jié)合中山市愛琴灣花園基坑工程實例，對預應力支護樁在軟土基坑支護工程中的應用進行了研究，可供類似工程參考。
1工程概況
本工程為中山市愛琴灣花園，擬建建筑由4棟29~ 31層塔樓及1~3層裙樓組合而成，擬建地下車庫1層，地下車庫面積約為17503.5m2。本工程基坑周邊環(huán)境比較復雜，鄰近住宅區(qū)和市政道路，周圍管線密集，用地緊張。地下室及周邊環(huán)境如圖1所示，基坑開挖周長為550. 0m，深度為4.5m，局部電梯井開挖7. 5m。基坑東側(cè)離住宅區(qū)圍墻僅4. 0m，南側(cè)離道路人行道僅4.0m，西側(cè)臨近綠化帶，北側(cè)離相鄰工地臨時圍擋約4. 0m。
2 工程與水文地質(zhì)條件
項目位于中山市石岐區(qū)，屬珠江三角洲海陸交互相沉積平原地貌單元。各土層條件如下：①素填土稍濕，稍密；②1淤泥飽和，流塑；③砂質(zhì)黏性土稍濕，硬塑；④1全風化花崗巖巖體基本質(zhì)量等級為V級；④2強風化花崗巖 巖體基本質(zhì)量等級為V級；④3中風化花崗巖 中粒結(jié)構(gòu)，其天然單軸抗壓強度值f為16.1~21.7MPa，巖體基本質(zhì)量等級為Ⅳ級。各土層的主要物理力學指標如表1所示。
地下水埋藏淺，屬潛水~承壓水類型，承壓水主要賦存于第四系土層的孔隙及風化基巖的裂隙中�？辈炱陂g測得其混合靜止水位埋深為0. 98~1.17m，標高為1.070~1.210m。地下水主要接受降雨補給，并以大氣蒸發(fā)及側(cè)向徑流等方式排泄。
3基坑支護方案
3.1 支護方案選擇
綜合分析本工程的水文地質(zhì)條件及周邊環(huán)境、基坑開挖面積、開挖深度等因素，在確�；蛹爸苓叚h(huán)境安全的前提下，盡量減少工程造價、縮短施工工期，減少對周邊居民正常生活的影響。
根據(jù)以上設計條件，常規(guī)的做法可采用重力式擋墻、鉆孔灌注樁加錨索的支護形式。經(jīng)過對比分析，綜合考慮了安全、經(jīng)濟及施工影響等方面因素，最終選擇卸載+預應力支護樁+錨索+網(wǎng)噴的支護形式。本文介紹其中2個典型斷面，其支護剖面如圖2，3所示。
3.2預應力支護樁選型
常用預應力支護樁外徑600mm，壁厚140mm，混凝土強度等級為C80，其他參數(shù)如表2所示。根據(jù)土質(zhì)條件及環(huán)境情況選取不同剖面計算支護樁彎矩。當基坑開挖到底時，兩區(qū)段計算樁身彎矩設計值分別為177. 85kN．m和284. 82kN．m，剪力設計值分別為133.76kN和255. 78kN。對應選擇D600-140 I型預應力支護樁能滿足抗彎抗剪要求，且整體穩(wěn)定安全系數(shù)、抗隆起安全系數(shù)及抗傾覆安全系數(shù)均能滿足要求。
4 支護結(jié)構(gòu)施工
在軟土地區(qū)經(jīng)常發(fā)生如擠土效應明顯、地面隆起、陷機、支護樁上浮等問題，合理處理這些問題是預應力支護樁施工的關鍵。對于擠土效應、地面隆起等則應在沉管前挖設防擠溝、應力釋放孔等，并合理安排壓樁順序等措施加以解決；對于陷機事故，可通過增大施工現(xiàn)場地基承載力，如回填碎石塊、鋪設大量鋼板等方法加以解決；對于支護樁上浮應密切觀測，注意變化，及時采用鉆機引孔、開口樁尖及復壓等方法，達到最佳沉樁效果。
預應力支護樁在深基坑中的施工應符合以下幾個原則。
1)保證嵌固深度，盡量避免接樁。如果樁長過長，需要接樁，密切關注接樁質(zhì)量，在有類似設計或施工經(jīng)驗的專家指導下進行接樁。嚴禁在開挖深度以內(nèi)接樁，保證接樁位置設于基坑開挖面H(H為基坑深度)以下位置，以減小接樁對整個樁身力學性能的影響。采用內(nèi)扣式機械接頭加焊接的接樁方式，使上下兩端支護樁連接牢靠，保證不影響樁身穩(wěn)定性及受力特性。
2)支護樁樁底采用開口樁尖，利用土塞效應減少擠土效應。
3)支護樁沉樁過程中遇到硬土層不得停打，保證支護樁在接樁時樁尖未到硬土層或已經(jīng)穿過硬土層。
5 基坑監(jiān)測及分析
本工程監(jiān)測周期為3個月，1個月基坑開挖期，2個月基礎及地下室施工。本文將詳細分析基坑的冠梁水平位移、土體深層水平位移、周邊地面沉降的監(jiān)測數(shù)據(jù)�；颖O(jiān)測點布置如圖4所示。
5.1冠梁水平位移
整個基坑冠梁水平位移觀測點共計20個，約15~ 20m布設1個觀測點，選取其中6個測點進行分析。GW3，GW5位于南側(cè)市政道路，GW11，GW12位于東側(cè)緊鄰周邊住宅區(qū)，GW17，GW19位于北側(cè)臨近隔壁施工工地。冠梁水平位移曲線如圖5所示。由圖5可知，在基坑監(jiān)測過程中，位移最大為南側(cè)中部冠梁，達23. 0mm，其余三側(cè)冠梁水平位移均較小。
從圖5可以看出，在土方開挖過程中，冠梁水平位移變化速率隨著開挖深度的增加而增大。CW3，GW5監(jiān)測點在基坑開挖第1周變化速率很大，是由于土方承包單位沒有按照設計要求逐層開挖，而是打算一挖到底。叫停土方開挖后，經(jīng)過1周監(jiān)測發(fā)現(xiàn)無問題后才繼續(xù)開挖。而后其他兩側(cè)在開挖過程中嚴格遵守施工順序，分層有序開挖，監(jiān)測發(fā)現(xiàn)冠梁水平位移基本穩(wěn)定增長。監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，在10月29日至11月6日期間（大部分斷面此時已經(jīng)開挖到底）位移變化速率已經(jīng)趨于穩(wěn)定，尚有進一步增長的趨勢。后期隨著基礎墊層及底板的澆筑，位移變化速率趨于穩(wěn)定。
5.2 土體深層水平位移
整個基坑土體深層水平位移觀測點共計13個，約25m布設1個觀測點，選取位于開挖深度為7.5m電梯井基坑側(cè)壁處的1個測點進行分析。深層水平位移曲線如圖6所示。在基坑監(jiān)測過程中，深層水平位移最大為16. 50mm，大大低于預期的25. 50mm。分析原因：①施工時為了保證變形較小，施工班組實際鎖定值大于設計鎖定值。②預應力支護樁本身具有一定的預應力，可能對深層水平位移變化有積極影響。
由圖6可知，土體深層水平位移呈現(xiàn)“中間大兩端小”的趨勢。這主要是樁頂冠梁以及錨索對樁起約束作用，限制了位移。隨著土方開挖，樁體側(cè)向水平變形逐漸增大，且最大位移位置隨開挖深度的增加而逐漸下移，隨著2道錨索的作用，最大位移位置最后趨于基坑開挖深度的中下部。10月31日之后，土體的深層水平位移變化趨于穩(wěn)定。預應力支護樁上部由于受到2道錨索的作用，在基坑開挖到底之后水平位移變化速率很慢，而樁下部則水平位移明顯比上部變化速率大。這是由于基坑尚未開挖時，基坑底土體尚未移動，待基坑開挖到底之后，被動區(qū)有部分土體達到極限平衡遭到破壞，樁周圍的土應力發(fā)生變化，同時樁產(chǎn)生撓曲，而基坑底土體則達到新的平衡狀態(tài)。
5.3周邊地面沉降
整個基坑周邊地面沉降觀測點共計28個，15~20m布設1個觀測點，選取其中6個測點進行分析。ZC4位于西側(cè)綠化帶，ZC9，ZC11位于南側(cè)市政道路，ZC16，ZC18位于東側(cè)緊鄰周邊住宅區(qū)，ZC24位于北側(cè)臨近隔壁施工工地。地面沉降變化曲線如圖7所示。
由圖7可知，在基坑監(jiān)測過程中，沉降最小的為西側(cè)監(jiān)測點ZC4，為19.00 mm。該側(cè)由于放坡，沉降變化速率與基坑其他三側(cè)變化明顯不同，且周邊離道路較遠，所以沉降最少。沉降最大的為基坑南側(cè)ZC11，達27. 40 mm。分析原因：①支護結(jié)構(gòu)南側(cè)距離市政道路很近，日常車輛眾多，偶爾有小型轎車�？俊�②該側(cè)曾有l(wèi)d時間發(fā)生市政污水管破裂，后雖盡快搶修完畢，但大量污水流入周邊土體是導致該側(cè)沉降大的另一原因。
6 結(jié)語
1)本基坑工程采用了預應力支護樁加錨索的支護形式，從實際施工效果來看，預應力支護樁抗彎剛度比常規(guī)PHC管樁有較大提高，更適合于以受水平力為主的基坑支護工程。通過實踐證明，預應力支護樁能夠與錨索協(xié)同控制基坑變形，對其在基坑工程中的應用推廣有良好的參考借鑒作用。
2)根據(jù)現(xiàn)場實際施工情況，支護樁的施工可能對周邊環(huán)境及基坑本身造成一定的影響。因此，在預應力支護樁的施工過程中，須根據(jù)實際情況，采用合理的施工工藝及有效措施，減少對周邊環(huán)境可能造成的影響以及對本基坑的變形影響。
3)據(jù)現(xiàn)場實測結(jié)果，土體深層水平位移均比計算值小很多。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，由于預應力支護樁樁身施加了預應力，錨索進行了二次預應力施加，所以對控制基坑的變形有著非常明顯的作用。
4)相對于常規(guī)樁型，預應力支護樁在保證基坑安全的基礎上，降低了基坑支護的工程造價，且大大縮短了施工周期。對于基坑的經(jīng)濟性及施工便捷性都有進一步提高。
從環(huán)保方面考慮，采用靜壓樁施工大大減少了施工噪聲對周邊居民日常生活的影響。相對于鉆孔（或沉管）灌注樁而言，預應力支護樁施工過程中不會帶來大量水泥、泥漿等污染。
5)對一些受周邊條件限制、基坑周圍有其他重要建筑物、對基坑開挖過程中的變形量要求較高、無放坡開挖空間、工期要求緊張的基坑適宜選用預應力支護樁進行支護。
預應力支護樁在軟土基坑支護的應用在未來將有很廣闊的應用前景。無論從安全、質(zhì)量、經(jīng)濟還是環(huán)境保護方面，其自身具備的優(yōu)勢非常明顯。今后研究的重點將在于開發(fā)出更多型號、形式的預應力支護樁，詳細研究其受力特性，尤其是水平受力特性。結(jié)合基坑工程的特點，研究其在基坑工程中的設計與施工理論。結(jié)合實踐經(jīng)驗，針對不同區(qū)域，研究并推廣其在深基坑中的應用。
