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摘要：PHC管桩由于其造价低、施工工期短、桩身质量可靠，广泛应用于桩基工程中，在基坑围护结构中应用较少。本文以实际工程为例，介绍了PHC管桩围护体在软土深基坑支护中的应用，取得良好效果，同时探讨了PHC管桩应用于支护工程的局限性，为类似工程提供经验。
关键词：深基坑；PHC管桩；支护设计；局限性；
1.引言
PHC 管桩即高强预应力管桩，工厂化批量生产，具有施工快、桩身质量可靠、工程造价低、承载力高等优点，已广泛应用与工程桩基础及地基处理中，技术成熟。目前管桩主要应用于抗压桩，承受竖向承载力，也少量用于抗拔。由于管桩抗弯性能较低，深基坑支护工程中应用较少。在某些沿海软土地区深基坑工程中，由于理论研究及经验不足，直接禁止管桩作为基坑支护结构。近年来理论研究及工程实例表明，在一定的条件下，管桩也可用于基坑支护工程。本基坑工程中采用管桩+锚索的围护结构，取得了良好的效果，为今后类似工程提供了实践经验。
2.工程概况
2.1基坑概况
拟建项目场地位于佛山市高明区西江新城明国路以北，总用地面积约97350m2，拟建多栋34层建筑，管桩基础。场地设一层地下室深约6.0m，局部负二层深约8.2m，基坑整体呈矩形，南北向长约280m，东西向宽约330m。
2.2周边环境情况
项目北侧及东侧为菜地鱼塘；西侧新建市政道路，距地下室边线约10m；南侧中部为已建1～2层商业中心，距离约4.0m；南侧两端为明国路，距离10～15m。南侧地下埋有一条燃气管，东西走向，燃气管，东西走向，目前为空置状态，未投入使用；明国路上有一条地下雨水管，人行道两盘有路灯电线。如图1所示。
2.3工程地质条件
基坑开挖影响范围内主要为填土、粉质粘土、粉细砂、砾砂和残积土，自上而下分述如下：
①填土，堆填时间超过3年，灰褐色、灰白色、灰黄色为主，局部灰色，松散，稍湿～湿，局部含较多砂土及大厘米的碎石。
②1粉质粘土：灰黄色，局部浅灰色，可塑，局部软塑，干强度中等，韧性中等，土质不均匀，局部为粘土、粉土或粉砂。
②2淤泥质土：深灰色，流塑，含少量腐殖质及粉砂，土质不均匀，局部为淤泥、粉质粘土、粉土或粉砂。
②3粉质粘土：灰黄色，局部浅灰色、灰色，可塑，干强度中等，韧性中等，土质不均匀，局部为粘土、粉土或粉砂。
②4粉细砂：灰色、浅灰色，局部灰白色、褐黄色，松散稍密，饱和，石英质，局部含较多淤泥及少量小贝壳，粒度不均匀，局部为中砂或粉土。
②5砾砂：黄褐色、灰黄色，局部灰色，中密，饱和，石英质，粒度不均匀，含较多粘性土，局部为角砾。
③残积土：为粉质粘土，棕红色，局部灰黄色、灰色，由泥质粉砂岩风化残积而成，可塑，局部硬塑，干强度中等，韧性中等，土芯遇水易软化。
图1 基坑周边环境示意图
各土层物理力学参数见表1。
表1 土层物理力学参数表
2.4水文地质条件
场地位于珠江三角洲冲积平原区，地下水类型为孔隙潜水，主要赋存于砂层孔隙中，浅层地下水主要接受大气降水补给，以蒸发为主的方式排泄，水位受季节影响，年变化幅度约1～2米；深层地下水由于上覆相对隔水层，补给、排泄作用微弱，具微承压性，场地稳定水位埋深,1.5m。
3基坑支护方案选型分析
3.1基坑支护安全等级确定
基坑支护设计时，应综合考虑场地地质条件、开挖深度及周边环境的复杂程度，特别是开挖深度影响范围内的地质情况。首先摸清周边各种建筑物及管线情况，在此基础上，根据基坑开挖深度，考虑其破坏后果，综合确定基坑安全等级。本工程基坑安全等级：南侧一级，西侧二级，其余三级。
3.2基坑方案初步选型
根据本基坑特点，因地制宜选择不同的支护形式。对具备放坡空间的优先采用自然放坡，北侧、东侧红线外为鱼塘菜地，无需保护建筑，采用1:1.5放坡，坡面挂网喷射混凝土；西侧由于放坡受到限制，采用土钉墙支护；西侧局部两层地下室部位，开挖深度8.2m，且淤泥层厚4.0m，若采用土钉墙，土层滑动面较大，整体稳定难以满足要求，故选用桩锚支护；南侧地下室边线距已建商业楼仅4.0m，一级基坑，土钉墙位移难以满足要求，双排桩施工位置不够且造价较高，选用桩锚支护。坡顶设φ800@550大直径搅拌桩止水帷幕。
3.3支护桩形式的比选
南侧及西侧两层地下室部位采用桩锚支护，根据当地经验，桩型通常可为钻孔灌注桩、SMW工法桩、管桩，三者均能满足一级基坑变形及稳定性要求。若采用SMW工法桩，由于南侧施工空间仅4.0m，基坑开挖完成后，不具备型钢拔出工作面，不满足要求。钻孔灌注桩、管桩两种桩型造价对比。
3.3.1钻孔灌注桩
钻孔灌注桩造价计算：常用φ800 mm 的钻孔灌注桩，材料约900元/m3，人工约300元/m3，综合单价1200元/m3。桩长按12m，水平间距1.1m，折合每水平米单价6580元。
3.3.2管桩
管桩造价计算：φ600AB（110） 管桩，材料约228元/m，人工约26元/m，综合单价305元/m。桩长按12m，水平间距0.9m，折合后每水平米单价4066.7元.
经试算对比发现，PHC 管桩相比灌注桩造价较低，节省约38.2%，经济效益明显。同时管桩较灌注桩施工快，无需处理泥浆，场地整洁，具有工期短、造价低、环保等优点，故选用PHC 管桩。
4基坑支护设计计算
4.1各剖面支护设计
结合本基坑特点，南侧采用单排PHC管桩+一道预应力锚索（剖面1），桩型φ600AB（110），间距900mm，桩长12.0m；西局部两层地下室部位，上部3.5m采用1:1.5放坡，下部采用单排PHC管桩+两道预应力锚索（剖面2），桩型φ600AB（110），间距900mm，桩长15.0m。管桩支护剖面如图2、3所示.
图3 基坑支护剖面图2
4.2内力变形计算
采用理正深基坑7.0进行单元计算，参照《建筑基坑支护技术规程( JGJ 120—2012) 》进行单元计算，由于理正深基坑7.0没有专门管桩模块，可选用排桩形式计算，开挖后最大位移、弯矩、剪力大小如图4、5所示。
4.3管桩选型
根据内力计算结果，合理选择管桩型号，管桩的抗弯性能是衡量支护的重要标准。《建筑地基基础设计规范（GB 5007-2011）》及《建筑基坑支护技术规程( JGJ 120—2012)》对管桩承受水平荷载的抗弯性能尚无明确规定。查阅文献表明，对支护工程中管桩的抗弯性能取值说法不一，有的认为取支护弯矩最大值不大于管桩抗裂弯矩，有的认为不大于取管桩极限弯矩。笔者认为基坑作为临时工程，一般有效使用期1年，把抗裂弯矩作为取值标准偏于保守，建议采用极限弯矩。
本工程中根据内力计算结果，选用采用弹性法数值可知，剖1、剖2最大弯矩标准值分别为193.5kN•m、241.1kN•m，最大值出现在基坑开挖最深处。
剖1管桩弯矩设计值：193.5×1.25×1.1=266 kN•m＜346 kN•m
剖2管桩弯矩设计值：241.1×1.25×1.0=301kN•m＜346 kN•m
查PHC管桩图集，选用φ600AB桩，壁厚110mm，桩身强度满足要求。
由图4、图5可知，围护结构变形分别满足安全等级要求。经验算基坑整体稳定性满足要求。说明本基坑采用管桩作为围护结构是可行的。
5.基坑监测
基坑开挖至地下室回填完成期间，为确保围护结构及周边建筑物安全，为动态设计提供依据，根据《建筑基坑工程监测技术规范》GB50497-2009设置坡顶水平位移、竖向位移、深层水平位移、锚索内力、道路及建筑物变形观测点，及时获取变形信息。现基坑已回填，现场监测资料表明，围护结构及周边环境变形值均在警戒值范围内，两层地下室部位PHC管桩有裂缝出现，在可控范围内，桩身质量完好。
6.管桩设计几个局限性问题的探讨
6.1冠梁、腰梁的连接问题
管桩为高强预应力混凝土，不同于灌注桩，冠梁、腰梁设置存在一定的局限性，特别是腰梁。冠梁设置时，为加强冠梁与管桩头的连接，管桩宜锚入冠梁200mm，同时在管桩顶部2m范围内用混凝土填充，同时设置插筋。而对于腰梁的设置，不同于灌注桩可设置植筋，可采取吊筋的形式，吊筋顶部直接锚入冠梁，此时冠梁与腰梁的竖向间距不宜过大，腰梁设置灵活性差。
6.2管桩抗弯问题
在地质条件复杂，淤泥较厚地层，管桩难以使用。以φ600AB（110）为例，极限弯矩值346 kN•m，而软土地层深基坑中弯矩大于800 kN•m时常出现，管桩无法满足要求。因此需要设计者灵活应用，不同支护剖面选择不同的支护形式，根据计算弯矩大小可采用管桩与灌注桩相结合的多种混合支护体系。
6.3管桩长度问题
管桩是工厂成批制造，一般单节桩长6m、9 m、12m，受运输等因素的影响，最长15m。管桩承受水平荷载时，由于接桩不能有效传递水平弯矩，往往形成薄弱环节，严禁焊接接桩。这就决定了桩长最长15m，对于计算桩长超过15m的支护工程无法利用焊接接桩,遇到这种情况，可采用机械接头接桩，但会增加部分施工成本。
6.4管桩入土深度问题
在桩基础工程中，管桩主要承受竖向荷载，收桩标准按竖向最大荷载及沉降控制，对桩长无特别要求。而在支护工程中，嵌固深度有明确规定，必须达到设计嵌固深度才能满足稳定性要求。在实际支护工程中，桩机荷载有一定限值，由于经验不足，往往导致入土深度无法达到要求，在硬塑粘性土、粗砂、砾砂、强风化岩层中，此问题尤为明显。这就要求设计者充分查明地质条件及地区经验，设计时考虑成桩的可能性。笔者建议，管桩设计时，无可靠的经验，建议先试桩，掌握第一手的资料，当前很多工程桩基础都采用管桩，且工程桩一般较基坑支护先施工，为管桩的支护设计的可行性提供了强有力的数据。
6.5管桩的施工工艺问题
管桩主要靠静压或锤击施工工艺，基坑周边有重要管线、道路、浅基础旧房屋时，笔者建议优先选择静压施工工艺，避免锤击震动影响周边环境。同时管桩为挤土桩，施工过程中，应慎重评估挤土效应对周边环境的影响，周边环境复杂时，可采用长螺旋引孔及合理的施工顺序减少挤土效应。
7.结论
1）通过实际工程及监测数据表明，PHC管桩应用于基坑支护工程是成功的，类似工程提供借鉴。其具有工期短、造价低、环保等特点，值得推广。
2）PHC管桩支护工程，抵抗弯矩是关键控制因素，设计时可用管桩极限弯矩作为设计弯矩最大值。
3）由于管桩的若干局限性问题，一般用于土层较好的基坑工程中。设计前应进行充分的调查、试桩，弄清成桩的可行性。
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论文作者:姚守国
论文发表刊物:《基层建设》2018年第27期
论文发表时间:2018/11/8
标签：基坑论文; 管桩论文; 弯矩论文; 工程论文; 局部论文; 预应力论文; 粘土论文; 《基层建设》2018年第27期论文;