管樁在懸臂圍護結構中的適用性研究

邵 楨 杭海朋 馬懷章 彭影星

中建八局第三建設有限公司 江蘇 南京 210046

PHC管樁即預應力高強度圓管形混凝土預制樁。在無錫地區基坑施工中，懸臂PHC管樁較為普遍，考慮到PHC管樁應用時間不長且無錫地區尚無完善的懸臂PHC管樁工程規范。因此，探索適合無錫當地施工開展的懸臂PHC管樁施工技術以指導實際施工很有必要[1-2]。

PHC管樁作為當前研究的熱點，具有運輸方便、施工便捷、力學性能優良等優勢，同時施工進度快、施工成本低，施工過程中不需要養護，符合工地文明施工要求，綠色環保。

目前，PHC管樁在豎向構件中的應用較為廣泛，作為橫向構件應用于懸臂圍護結構中并結合無錫當地實際施工環境的實踐尚不充分，理論研究的發展跟不上工程實踐的需要，結合無錫當地情況對懸臂PHC管樁進行研究顯得尤為重要[3]。

李仕良[4]提出采用填芯樁、腰梁、水平或者豎向斜撐可提高PHC管樁整體力學性能，錨桿設計、管樁長徑比、管樁錨固深度亦是優化的方向。

葛琪[5]提出無錫地區土層有“中間弱，兩頭強”（即深層和淺層土力學性能高，中部土力學性能低）的特點，在懸臂圍護結構不適用于現場的情況下，可以采用組合型支護，科學運用各種支護方式，因地制宜。

趙祥[6]認為，坑底土質的錨固作用、錨桿所在土層能提供的抗拔力、受施工工藝限制的單樁長度等，會影響PHC管樁的應用。

依托無錫新吳太科園萬達廣場實際工程，對比分析各類基坑支護方案并得出最優方案，介紹PHC管樁懸臂支護情況，采用理正軟件用多種計算方法對懸臂PHC管樁進行建模分析，得到懸臂樁支護的坡頂沉降、工況-內力數值及其發展趨勢，結合基坑監測得到相應工況下的坡頂測斜、冠梁頂水平位移數值，并將理論計算和實測數據進行對比分析。

分析得出懸臂PHC管樁在深度4.6 m基坑圍護結構中的合理應用情況，確保施工的可行性，通過動態調整工程進度和作業的方式避免了施工的盲目性。

工程應用豐富了懸臂PHC管樁在無錫當地的實踐數據，為類似工程的開展提供了參考。

1 工程概況

1.1 建筑與基坑概況

無錫新吳太科園萬達廣場工程位于無錫市新吳區，震澤路南、凈慧西道東。地面上主要為1棟4層（局部為5層）的多層商業樓，帶整體1層的地下室，基礎類型為筏板+下柱墩。

該工程為二級基坑，黃海高程6.10 m，底板厚為400 mm，基底標高為-6.20 m，場地開挖深度4.6 m，局部7.6 m。

該基坑圍護工程有以下幾個特點：

1）基坑規模大：施工面積40 000 m2，周長913 m。

2）土質情況復雜：場地南側局部暗塘填埋區的雜填土較厚，基坑側壁都為①層雜填土。其余部位雜填土有2～3 m厚。

3）地表水情況：基坑南側和東側鄰河。

4）地下水情況：①層土的含水量較大，影響基坑開挖施工。

1.2 環境條件

1）基坑西側為地鐵8號線，北側為地鐵4號線，因此變形控制要求比較嚴格，地鐵保護范圍線內基坑不能采用土釘、錨桿等施工工藝。

2）基坑四周修建施工道路，除北側施工道路距離地下室外墻有一定距離外，其余部位施工道路距離地下室外墻普遍僅3 m，場地狹隘。

1.3 工程地質條件

地質為第四紀沖積、淤積層，長江沖擊平原地貌，湖相軟土地區。場地20 m勘探深度內以粉質黏土為主，表層廣泛分布有較厚雜填土層。

場地的穩定水位標高基本在-2.99～3.11 m之間，水位年變化幅度約0.50 m，近3～5 a該上層潛水最高水位為3.60 m。

2 基坑支護方案的對比分析

常見基坑支護形式的適用性分析如下：

1）雙排樁支護：結構有多余約束，土方開挖擾動小，經濟合理，施工方便，效果優異；占用施工場地較大。該工程土層主要為雜填土和粉質黏土，合理。

2）鉆孔灌注樁+錨桿支護：支護形式的應用較為廣泛，土方開挖擾動小；施工工序繁雜，有噪聲污染，時間長、成本高。該方法不能滿足建設方對工期和成本的要求，不合理。

3）水泥土擋墻噴錨支護：施工工序簡單，可操作性好，抗滲性優異，經濟合理；剛度較差，變形較難控制。該工程近地鐵、近河道，場地緊張，不合理。

4）地下連續墻：抗滲性優異，剛度強，強度高，可以兼作止水帷幕、支護結構和地下室外墻。該方法成本高，常用于3層以上地下工程，不合理。

5）內支撐：技術成熟可靠，對變形有很好的控制，土方開挖擾動小；不經濟，對施工工序組織要求較高。該工程淤泥質土較厚，基坑面積較大，大面積施工成本高昂，考慮局部使用。

6）PHC管樁+錨桿支護：PHC管樁不占用地下結構施工工期，采用成品樁靜壓成樁工藝，環保無污染。相比同直徑鉆孔灌注樁，PHC管樁造價較低，可以節約大量施工成本。基坑上部通過土坡開挖減載，頂部加冠梁，PHC管樁+錨桿支護的綜合造價比灌注樁和鋼管樁都要低，是該基坑工程支護的理想選擇。

對比幾種常用的支護體系，綜合考慮施工環境、環保、經濟效益以及工期等因素，局部優化為PHC管樁+錨桿支護[7-10]。

考慮該基坑西側、南側可利用場地有限，不具備完全放坡條件，進一步優化為如下方案：場地的南側鄰近河道，土質較好位置，采用管樁懸臂支護；在場地西側地鐵8號線安全保護區范圍內，該部位土質較好，采用管樁懸臂支護。

3 基坑支護結構施工

基坑南側部分選用PHC管樁懸臂支護的施工方案。

PHC管樁和三軸攪拌樁施工結束后，開挖基坑并在基坑頂部預留厚1 m土層自然放坡，坡比1∶1，錨桿支護φ16 mm@1 500 mm，長1 500 mm，掛網噴漿。管樁分層挖土，同時進行厚40 mm的C20樁間掛網噴漿。掛網噴漿配合比為水泥∶石∶砂＝1∶2∶2，采用100 mm×50 mm×2.4 mm鋼網片從坡頂到坑底布置，邊開挖邊施工（圖1）。

圖1 基坑支護剖面示意

懸臂管樁選用PHC-600（110）AB-C80-9，混凝土強度為C80，樁長9 m，圓形截面，間距0.9 m。管樁頂設置通長冠梁，以提高整體剛度。

4 基坑支護結構分析

4.1 土壓力模型及參數設定

采用理正軟件對懸臂PHC管樁進行建模分析。模型采用經典法和彈性法。

表1為荷載加載情況，表2為土壓力系數。

表1 荷載加載情況

表2 土壓力系數

基坑開挖為單一工況，深度4.6 m。

4.2 結構計算分析

圖2為施工工況-內力分析，藍線代表采用彈性土壓力法分析，紅線代表采用經典郎肯土壓力法分析。下方數值表示計算的最大值。

圖2 施工工況-內力

基坑深度1 m以內采取放坡支護，1.0～4.6 m采取懸臂樁支護。

由圖2得出：彈性法得出土壓力值為111.80 kN，經典法為185.74 kN；懸臂PHC管樁利用彈性法計算時達到29.35 mm的位移極大值，利用經典法計算的數值極小；完全開挖后管樁自由端長3.6 m，樁身彎矩為114.96 kN·m，遠小于規范206 kN·m的開裂彎矩；管樁樁身剪力為-47.05～33.82 kN，管樁結構完好。

圖3表示坡頂沉降，x軸表示距離左側坑邊的位置，y軸表示坡頂沉降數值。

圖3 坡頂沉降

由圖3得出：三角形法和指數法得出的最大沉降量分別為31 mm和47 mm，數值隨著距坑邊的距離愈遠愈小，距坑邊8 m處出現極小值，距坑邊2.5 m處出現極大值；拋物線法得出最大沉降量21 mm，距坑邊3 m處出現極大值，數值呈現凹字形。

5 基坑監測

5.1 監測內容

根據國家相關規范對基坑側壁安全等級Ⅱ級的監測要求以及本基坑實際情況，確定基坑監測內容如下：坡頂測斜、冠梁頂水平及垂直位移、支撐軸力、坑外水位、周邊道路沉降。

5.2 觀測要求

測點間距不大于20 m，每2 d進行1次，異常情況下應24 h連續觀測。報警值如下：

1）冠梁頂水平位移數值不大于5 mm/d，累計不大于0.6%挖深和35 mm；冠梁頂豎向位移不大于3 mm/d，累計不大于0.4%挖深和30 mm。

2）坡頂水平位移數值不大于12 mm/d，累計不大于0.7%挖深和30 mm；坡頂豎向位移數值不大于7 mm/d，累計不大于0.7%挖深。

3）錨樁軸力達到設計值的75%。

4）周邊道路沉降累計不大于規范數值的80%。

5.3 數據分析

監測組在管樁處基坑開挖和冠梁施工時，在冠梁上埋設長0.5 m的釘頭作為監測點，共布置了30個水平和沉降監測點，編號ZD1—ZD30；土體上設置14個測斜監測孔，編號CX1—CX14。通過這些監測點的位移監測，動態控制整個基坑工程的進程。

本次取懸臂管樁施工范圍內的CX4、CX7、CX8、CX9、ZD6、ZD7、ZD13、ZD15、ZD16、ZD17共10個點位進行分析。

坑內土體卸荷導致基坑內、外土壓力值差異，進而引起基坑周邊土體水平位移變化。

圖4為冠梁頂水平位移-時間曲線。

圖4 冠梁頂水平位移-時間曲線

由圖4可知：冠梁頂水平位移曲線數值在地下室底板澆筑前呈現波動狀態，在地下室底板澆筑后呈現線性分布，地下室頂板澆筑后趨于收斂，最大水平位移點ZD6為8.6 mm，發生在結構出±0 m。2019年10月2日左右，此時肥槽尚未回填，在2019年10月20日結構封頂之前，現場處于搶工階段，大量物資進場停靠在基坑邊，導致位移增大。

圖5為測斜水平位移。

圖5 測斜水平位移

由圖5可知：土體最大位移點CX7為6.92 mm，發生在距開挖面以上2.6 m位置，而深度為6 m位置（即1.3倍開挖深度）土體開始收斂。

由于理論計算過程中沒有把冠梁對提高管樁整體剛度的影響考慮在內，故該工程結構計算值偏大，總體符合規范要求。

工程施工過程中，距基坑邊2～3 m范圍內出現2 cm左右的裂縫，從整個監測數據來看，為重車壓載所致，不影響基坑安全。自基坑開挖結束到結構出±0 m，通過對冠梁和土體的監測，圍護樁總體水平位移、土體水平位移均在警戒值范圍內。

該工程理論計算及工程實測數值均符合規范要求，達到了互相驗證的目的。

6 結語

1）懸臂PHC管樁支護冠梁頂的水平位移曲線數值與工程的實際進度有關聯，地下室底板澆筑后呈現線性分布，地下室頂板澆筑后趨于收斂，最大位移點出現在結構出±0 m時，肥槽回填前搶工導致的坑邊堆載對數值亦有一定的影響。

2）土體測斜最大位移點出現在開挖面以上約0.5倍基坑開挖深度處，1.3倍基坑開挖深度處的土體位移曲線開始收斂。

3）懸臂PHC管樁支護坡頂沉降量數值隨著距坑邊的距離愈遠愈小，距坑邊8 m處出現極小值，距坑邊2～3 m處出現極大值。

4）本文利用理正軟件對懸臂PHC管樁進行計算分析，部分驗算過程沒有贅述，通過結構計算及現場監測，表明了無錫新吳萬達項目中懸臂管樁設計和施工的可靠性，驗證了4.6 m深度基坑工程中PHC懸臂管樁的適用性，可指導實際工程的開展，但同類工程中超過此深度的基坑需要結合實際情況做進一步分析。

[1] 翁其平.無錫火車站綜合交通樞紐超大面積基坑工程設計與實踐 [J].土木工程學報,2015,48(增刊2):103-107.

[2] 劉書斌,王春波,周立波,等.硬化土模型在無錫地區深基坑工程中的 應用與分析[J].巖石力學與工程學報,2014,33(增刊1):3022-3028.

[3] 洪家寶,劉嘉,鄭克亞,等.水平荷載作用下排樁受力變形影響因素分 析[J].水利與建筑工程學報,2011,9(2):61-65.

[4] 李仕良.考慮空間效應的深基坑支護優化設計方法研究[D].秦皇 島:燕山大學,2018.

[5] 葛琪.組合支護體系在無錫深基坑中的應用[D].上海:同濟大學, 2007.

[6] 趙祥.PHC管樁在深基坑支護中的工程應用研究[D].西安:西安建 筑科技大學,2008.

[7] 雷亮亮.PHC管樁應用于基坑支護的模擬分析[D].合肥:合肥工業 大學,2012.

[8] 劉會星.無錫百腦匯咨詢廣場基坑現場測試研究[D].北京:中國地 質大學,2008.

[9] 方寧,凌濤,李享松,等.深基坑施工臨近高架橋橋墩變形控制措施 [J].工程建設,2019,51(7):47-50.

[10] 黃春花.懸臂樁基坑開挖與支護的數值模擬[D].西安:長安大學,2013.