談PRC管樁在黃土地區基坑支護中的應用

李 騰 訾 凡

(中國有色金屬工業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新一輪的城市建設熱潮。對城市地下空間的開發、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、經濟、工期等方面迎來更高的挑戰。

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管樁綠色環保，施工效率高，機械化、自動化水平高、可以定規格的批量生產，在深基坑支護中應用更加經濟、可以縮短工期。目前國內不少地區(如河南省、江蘇省)已經出臺了PRC管樁作為支護結構的標準[3]，在國內沿海地區使用PRC管樁進行基坑支護也已經有不少成功案例[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，且黃土地區仍沒有形成明確的標準來規范PRC管樁在基坑支護中的應用。因此，有必要討論PRC管樁在黃土地區深基坑支護設計中的應用。

本文以西安曲江新區某學校深基坑支護工程為案例，以等剛度代換法結合理正深基坑支護軟件對PRC管樁的樁身內力、基坑整體穩定性和變形進行了計算，討論了PRC管樁在黃土地區深基坑支護的應用，以期為黃土地區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。基坑北側紅線以外為天地源小區多層建筑物，基坑東側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，基坑南側紅線以外為在建建筑物，基坑西側為曲江三中已建成教學樓及宿舍樓(4F～6F)，均為框架結構，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。經現場調查，基坑開挖及支護影響范圍內暫無受影響的管道等地下構筑物存在。

2 場地工程地質條件

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

表1 地層條件統計表

3 方案選型

基坑支護選型結合場地水文地質條件及周邊環境、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。

根據以上要求，按照西安周邊黃土地區常規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。

現分別從經濟、工期等方面將本工程鉆孔灌注樁和PRC支護管樁各自優缺點進行對比，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JGJ 120—2012建筑基坑支護技術規程第4.1.1條：擋土結構宜采用平面桿系結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

計算結果顯示，基坑支護最大位移、最大彎矩、最大剪力均出現在第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。整體穩定安全性系數Ks=2.750。滿足規范要求。利用等剛度代換法，如本文4.1節代換過程，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管樁物理力學參數如表3所示。

表3 PRC管樁物理力學參數

本案例中，管樁在基坑支護的設計過程經歷兩個步驟：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值計算與校核，保證基坑支護有更安全的儲備。

5 基坑監測

在基坑西側PRC管樁支護位置布置6個監測點，監測時間90 d，對監測數據進行整理統計，如表4所示。

表4 基坑監測數據統計

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

將現場監測水平位移最大值、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測最大值較接近。表明在黃土地區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 結論

本文以西安市曲江新區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力、基坑整體穩定性和變形。用基坑變形監測結果與等剛度代換樁錨模式進行了對比。結合工程實例從經濟、工期等方面對比了黃土地區PRC管樁與混凝土灌注樁的優缺點。得出了以下結論：

1)在黃土地區，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，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。