PRC 管樁在深厚淤泥地質(zhì)條件下基坑工程中的應(yīng)用

毛永平 季永光

（建華建材科技（廣東）有限公司）

0 前言

預(yù)應(yīng)力混凝土管樁以高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力鋼筋和高強(qiáng)、高性能混凝土為材料，采用張拉、離心、高溫高壓養(yǎng)護(hù)等工藝，混凝土強(qiáng)度高，相同材料用量時(shí)承載力大，其材料和技術(shù)優(yōu)勢(shì)明顯。我國管樁產(chǎn)量全球第一、管樁生產(chǎn)企業(yè)數(shù)量全球第一，管樁的生產(chǎn)、設(shè)計(jì)、施工市場具大。預(yù)應(yīng)力混凝土管樁具有如下特點(diǎn)：

⑴樁身混凝土強(qiáng)度等級(jí)高；樁土側(cè)摩阻力與端阻力明顯高于灌注樁；單位承載力造價(jià)低，綜合經(jīng)濟(jì)效益好；

⑵采取工業(yè)化生產(chǎn)，成樁質(zhì)量可靠；產(chǎn)品結(jié)構(gòu)合理，品種規(guī)格齊全，選用范圍廣；

⑶運(yùn)輸?shù)跹b方便，樁接駁迅速，機(jī)械化程度高；施工符合環(huán)保要求，檢測方便，施工周期短，效率高；

⑷適應(yīng)面廣，適用于工業(yè)與民用建筑的承臺(tái)樁基礎(chǔ)，鐵路、公路與橋梁、港口、碼頭、水利、市政、構(gòu)筑物及大型設(shè)備等工程基礎(chǔ)。

但是管樁與傳統(tǒng)灌注樁相比，具有抗彎性能差，破壞為脆性破壞，延性差，管樁出現(xiàn)開裂后迅速開展，受拉區(qū)鋼筋很快進(jìn)入屈服和緊縮直至斷裂，極限彎矩和開裂彎矩相差不大。對(duì)于在抵抗彎矩和延性要求很高的工程如基坑支護(hù)、江河和湖泊護(hù)堤、坡體抗滑等領(lǐng)域，管樁的豎向承載力高的優(yōu)勢(shì)很難得到發(fā)揮，而其自身的抗裂彎矩和極限彎矩小及極限彎矩和開裂彎矩相差不大等弱點(diǎn)被放大，管樁的這些天然缺陷限制其在工程領(lǐng)域的使用范圍。

近年來，預(yù)應(yīng)力管樁已從一般民用建筑逐步擴(kuò)大推廣到交通、港口、鐵路、橋梁等工程領(lǐng)域，隨著建設(shè)事業(yè)發(fā)展的需要，混凝土管樁在不同工程領(lǐng)域和不同地域的推廣應(yīng)用，對(duì)管樁產(chǎn)品及其技術(shù)要求將會(huì)越來越高，也給管樁的產(chǎn)品開發(fā)與技術(shù)性能帶來了新的要求。研究適應(yīng)不同地域地質(zhì)條件特別是軟土地區(qū)、地震區(qū)的樁基設(shè)計(jì)使用要求的管樁產(chǎn)品，是預(yù)應(yīng)力混凝土管樁發(fā)展的必由之路。

1 混合配筋預(yù)應(yīng)力混凝土管樁

普通管樁與傳統(tǒng)灌注樁相比，具有抗彎性能差，破壞為脆性破壞，延性差，管樁出現(xiàn)開裂后迅速開展，受拉區(qū)鋼筋很快進(jìn)入屈服和頸縮直至斷裂，極限彎矩和開裂彎矩相差不大。對(duì)于在抵抗彎矩和延性要求很高的工程如基坑支護(hù)、江河和湖泊護(hù)堤、坡體抗滑、斜樁支護(hù)等領(lǐng)域，管樁的豎向承載力高的優(yōu)勢(shì)很難得到發(fā)揮，而其自身的抗裂彎矩和極限彎矩小、極限彎矩和開裂彎矩相差不大等弱點(diǎn)及位移延性系數(shù)低等特點(diǎn)被放大，管樁的這些天然缺陷限制其在工程領(lǐng)域的使用范圍。

混合配筋預(yù)應(yīng)力混凝土管樁（以下簡稱PRC 管樁）為預(yù)應(yīng)力鋼筋和非預(yù)應(yīng)力鋼筋復(fù)合配筋結(jié)構(gòu)形式,見圖1、圖2。在適當(dāng)?shù)膮^(qū)域增加非預(yù)應(yīng)力螺紋鋼，減少鋼筋間的間距，有效約束整個(gè)管樁的核心區(qū)域，從而達(dá)到增加整個(gè)PRC 管樁的抗裂能力和極限承載能力，有效增加樁身的延性。國內(nèi)對(duì)于PRC 管樁作為構(gòu)件的靜力抗彎、抗剪實(shí)驗(yàn)以及抗震實(shí)驗(yàn)有很多研究。

圖1 PRC 管樁（全截面）

圖2 PRC 管樁（扇形截面）

天津大學(xué)的教授鄭剛等對(duì)4 根直徑500mm 不同配筋率的灌注樁、2 根作為比對(duì)的PHC500AB100、累計(jì)8 根不同配筋率的PRC 管樁進(jìn)行樁土共同作用的足尺抗震性能實(shí)驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：

⑴增加非預(yù)應(yīng)力筋配筋率，管樁水平承載力略有提高，幅度不大。增加非預(yù)應(yīng)力筋配筋率，極限位移顯著提高了100%～400%，由55mm 最大提高到約300mm。非預(yù)應(yīng)力筋的配置使骨架曲線出現(xiàn)了下降段，改善其延性；

⑵PRC 管樁的位移延性系數(shù)3～4 之間。非預(yù)應(yīng)力鋼筋與預(yù)應(yīng)力鋼棒數(shù)量按1:1 間隔對(duì)稱布置，直徑與預(yù)應(yīng)力鋼棒相近時(shí)，位移延性系數(shù)最大，達(dá)到4.0。如果以延性系數(shù)3 作為構(gòu)件滿足抗震延性要求標(biāo)準(zhǔn)，常規(guī)管樁不滿要求，管樁適當(dāng)配置非預(yù)應(yīng)力筋后可滿足抗震延性要求；

⑶隨著非預(yù)應(yīng)力筋的直徑越大，構(gòu)件的滯回曲線越飽滿，耗能性能越好。滯回曲線趨于飽滿，”捏縮效應(yīng)”得到了極大改善，提高了管樁的耗能特性；

⑷隨著非預(yù)應(yīng)力筋配筋率的提高，延性系數(shù)呈先增大后略微降低，原因在于隨著非預(yù)應(yīng)力筋配筋率的提高，極限位移的增長速率落后于屈服位移的增長，導(dǎo)致其比值減小；

⑸灌注樁延性總體優(yōu)于管樁，但適當(dāng)配置非預(yù)應(yīng)力筋后，可以實(shí)現(xiàn)管樁的延性與灌注樁相近；

⑹當(dāng)非預(yù)應(yīng)力鋼筋與預(yù)應(yīng)力鋼棒數(shù)量按1:1 間隔對(duì)稱布置，直徑與預(yù)應(yīng)力鋼棒相近時(shí)，PRC 管樁頂水平荷載-位移骨架曲線將各灌注樁型完全包絡(luò)；

⑺樁土共同作用達(dá)到極限承載時(shí)，配筋率相對(duì)較低的PHC 樁先于土體破壞，而土體破壞時(shí)配筋率相對(duì)較高且有配置部分非預(yù)應(yīng)力鋼筋的PRC 管樁未失去承載能力。

研究成果表明，通過合理配筋后的PRC 管樁的位移延性、變形能力相比PHC 管樁顯著提高，抗彎承載性能提高幅度有限。當(dāng)非預(yù)應(yīng)力鋼筋與預(yù)應(yīng)力鋼棒數(shù)量按1:1 間隔對(duì)稱布置，直徑與預(yù)應(yīng)力鋼棒相近時(shí)，PRC 管樁頂水平荷載-位移骨架曲線將各灌注樁型完全包絡(luò)，其抗彎承載性能大于同直徑的灌注樁，位移延性、變形能力與同直徑的灌注樁相近。同直徑同等配筋率的PRC 管樁與灌注樁相比，樁身承載力提高1 倍，位移延性小于灌注樁。同直徑同等配筋量的PRC 管樁與灌注樁相比，樁身承載力提高50%，位移延性達(dá)到灌注樁的水準(zhǔn)。相對(duì)于等直徑灌注樁，節(jié)約混凝土量30%～50%，在合理的地質(zhì)和工程條件下可代替灌注樁，符合當(dāng)前各行業(yè)倡導(dǎo)的節(jié)約化和裝配化的發(fā)展趨勢(shì)。

2 工程應(yīng)用

某市政地下通道的場地原始地貌類型為海岸堆積階地，原始地形為濱海淮涂、魚塘、空地等，現(xiàn)已填土整平，勘察期間，測得鉆孔孔口標(biāo)高介于0.50～4.30m。根據(jù)本次勘察結(jié)果，場地內(nèi)埋藏的地層主要有人工填土層（Qml）、第四系海陸交互相沉積層（Qmc）和第四系花崗巖殘積層（Qel），下伏基巖為燕山期（γy）花崗巖。場地內(nèi)發(fā)育的地層按自上而下的順序?yàn)椋喝斯ぬ钔立伲谒南岛ｊ懡换ハ喑练e層②（Qmc）（由淤泥②-1：灰黑色，含有機(jī)質(zhì)及少量貝殼碎屑，局部不均勻含5%～10%石英質(zhì)砂，具腥臭味，搖震反應(yīng)緩慢，光澤反應(yīng)稍有光澤，干強(qiáng)度高，韌性低，呈飽和，流塑狀態(tài)，局部略固結(jié)呈軟塑狀態(tài)。平均厚度16.59m；淤泥質(zhì)粘土②-2：灰黑色，含有機(jī)質(zhì)，略具臭味，局部含約5%～15%的中砂，搖震反應(yīng)緩慢，光澤反應(yīng)有光澤，干強(qiáng)度高，韌性低，呈飽和、流塑，局部略固結(jié)呈軟塑狀態(tài)。鉆孔JK1、JK11 及各利用鉆孔揭露有此層，平均厚度6.44m；粘土②-3、粗砂②-4 及礫砂②-5 共5個(gè)亞層），第四系殘積（Qel）礫質(zhì)粘性土③，燕山期（γy）花崗巖④（分為全風(fēng)化④-1、強(qiáng)風(fēng)化④-2、中風(fēng)化花崗巖④-3）。淤泥層平均厚度大于15m。

本地質(zhì)條件屬于典型的深厚淤泥地質(zhì)，淤泥質(zhì)土平均厚度大于15m，具有高靈敏度、高含水率且有機(jī)質(zhì)含量高等特征。設(shè)計(jì)坑頂標(biāo)高為3.0m，基坑開挖深度為7.8～9m。基坑距離最近的建筑物為1～3m。

在確保支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全、保證基坑、周圍道路、建（構(gòu)）筑物及地下管線的安全的前提下，做到經(jīng)濟(jì)、合理，滿足國家建設(shè)工程的有關(guān)法規(guī)和規(guī)范要求，施工可行、方便，盡量縮短工期，滿足土方開挖、工程樁及地下室施工的技術(shù)要求。根據(jù)現(xiàn)場周邊環(huán)境及地層情況，本項(xiàng)目采用支護(hù)樁+內(nèi)支撐的支護(hù)型式。其中，支護(hù)樁采用PRC 管樁，樁徑0.8m，樁間距為1.0m；第一道內(nèi)支撐采用鋼筋混凝土支撐，第二道支撐采用鋼支撐。

表1 基坑支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)建議值

圖3 設(shè)計(jì)典型斷面圖

圖4 地質(zhì)剖面圖

圖5 計(jì)算基本信息及內(nèi)力包絡(luò)圖

坑底采用單軸水泥攪拌樁進(jìn)行坑底加固，若遇填石施工困難，可采用單管旋噴樁進(jìn)行坑底加固。PRC 管樁樁間設(shè)置單管旋噴樁（φ0.6@1.0m）用于基坑止水，樁長進(jìn)入坑底10m。

由表2 可知，最大彎矩和最大剪力出現(xiàn)的位置位于坑頂以下13m～0m 范圍內(nèi)，且最大設(shè)計(jì)彎矩為1400kN.m，換算極限彎矩為1890kN.m。因生產(chǎn)、運(yùn)輸及施工受限，最大單樁樁長一般為15m，接頭位置剛好處于理論計(jì)算的最大彎矩范圍內(nèi)，對(duì)于接頭的設(shè)計(jì)是項(xiàng)目實(shí)施成敗的關(guān)鍵。PRC 樁接頭設(shè)計(jì)有以下處理方式：

表2 計(jì)算結(jié)果

⑴采用單節(jié)樁，無接頭；

⑵可通過不同樁長配置，避開最大彎矩區(qū)域，可不做等強(qiáng)設(shè)計(jì)；

⑶通過增加端板剛度、限制端板變形等措施加強(qiáng)接頭位置的強(qiáng)度，使其強(qiáng)度大于樁身，端板與樁身變形協(xié)調(diào)，從而實(shí)現(xiàn)等強(qiáng)設(shè)計(jì)。

綜合各項(xiàng)數(shù)據(jù)對(duì)管樁結(jié)構(gòu)及接頭部位進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),見圖6。特別是管樁的接樁位置相比樁身為薄弱環(huán)節(jié)，管樁破壞控制的關(guān)鍵就是接頭的力學(xué)性能。由于接頭的力學(xué)性質(zhì)往往使管樁在基坑工程中受到限制，為了突破限制，本階段對(duì)接頭構(gòu)造進(jìn)行了特別設(shè)計(jì)，提高其抗彎性能。為驗(yàn)證接頭的構(gòu)造設(shè)計(jì)能否滿足工程需求，首先對(duì)接頭抱箍進(jìn)行了現(xiàn)場抗彎測試，其抗彎性能可滿足安全要求；同時(shí)考慮到在施工過程中，由于土層軟弱變化或者施工操作不規(guī)范，接頭容易產(chǎn)生松動(dòng)，甚至斷開，導(dǎo)致管樁喪失整體性，對(duì)工程安全帶來嚴(yán)重的隱患。最后本研究利用低應(yīng)變反射波法對(duì)現(xiàn)場實(shí)施完的管樁做了大量現(xiàn)場檢測，經(jīng)檢測，管樁接頭在施工完成后都能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

圖6 PRC 管樁接頭優(yōu)化設(shè)計(jì)圖

開挖過程中基坑狀態(tài)良好，對(duì)周邊環(huán)境友好，目前已竣工。與傳統(tǒng)的灌注樁相比，本項(xiàng)目節(jié)約了20%的工程造價(jià)和1/3 的工期，為深厚淤泥條件下的基坑工程提供了一定的借鑒意義。

圖7 基坑開挖后現(xiàn)場圖

3 結(jié)論

通過對(duì)于混合配筋預(yù)應(yīng)力混凝土管樁的結(jié)構(gòu)、抗震性能等進(jìn)行簡要介紹，并結(jié)合其在深厚淤泥條件下基坑工程中的應(yīng)用進(jìn)行驗(yàn)證，得出以下結(jié)論：

⑴同直徑同等配筋率的PRC 管樁與灌注樁相比，樁身承載力提高1 倍，位移延性小于灌注樁；

⑵同直徑同等配筋量的PRC 管樁與灌注樁相比，樁身承載力提高50%，位移延性達(dá)到灌注樁的水準(zhǔn)；

⑶高靈敏度、高含水率、有機(jī)質(zhì)含量高的深厚淤泥地質(zhì)條件下的基坑工程可應(yīng)用變形能力與灌注樁相當(dāng)且承載力大幅提高的PRC 管樁，可有效節(jié)約造價(jià)，減少工程建設(shè)周期。