高强预应力混凝土管桩在基坑支护工程中的应用

摘要：高强预应力混凝土管桩是一种新型的桩基类型，具有诸多的优点，在城市深基坑工程中有所应用及推广。本文结合工程实例，介绍了支护工程的地质条件，重点就高强预应力混凝土管桩在基坑支护工程中的应用进行探讨，并阐述了支护桩施工控制要点，以供参考。关键词：预应力；混凝土管桩；支护工程；施工要点

中图分类号：TU375 文献标识码：A 文章编号：

随着我国社会经济建设的快速发展，城市建设规模不断扩大，高层建筑深基坑支护工程数量日益增加，对基坑支护工程的设计及施工质量的要求也越来越高。深基坑工程是一项危险性较大的工作，具有建设规模大、施工周期长和施工环境复杂等特点，若建设单位没有选择符合工程需要的支护方案，不仅会影响到高层建筑深基坑工程的整体质量，而且也会延误了深基坑后续的施工。因此，如何选择合理的支护方案就成为建设人员亟待解决的问题。高强预应力混凝土管桩作为一种新型桩基类型，具有单桩承载力高、质量可靠、工艺简单和造价低等优点，是一种较好的抗震性桩材。高强预应力混凝土管桩+锚索是一种合理的支护设计方案，能够有效提高基坑支护工程的施工质量，确保深基坑工程后续施工的进行。

1 工程概况

某建筑工程主楼为14层，裙楼为3层，设1层地下室。建筑总用地面积7012m2，其中建筑面积3333m2。结构为钢筋混凝土结构，基础形式采用桩基础。

根据地质勘察报告，现场地面标高在3.45m左右，又根据建筑施工图，基础底板标高为－1.05m，底板厚度为300mm，故该部分大开挖深度约为4.8m。电梯井部分原地面标高为3.3m，基础底板顶标高－2.6m，底板厚300mm，故电梯井部分开挖深度为6.2m。

2 设计方案

2.1 支护方案选择

本基坑支护工程基坑开挖深度较浅，场地西北、西南是街道，距离基坑底边线较小，最小处只有6m多，东北、东南较空旷。有多种方案可供初步选择，如重力式水泥土墙、钻孔桩+内支撑、PHC桩+锚杆支护。现分别从经济、环境、工期等方面将各自优缺点对比如下。

1)水泥土重力式挡墙优点是造价较低，施工技术成熟，开挖前施工，与开挖工序间施工干扰小，同时可作止水帷幕，有多种工法可供选择，如深层搅拌法、高压旋喷法等。缺点是施工周期长，有时还需设置多排桩，隐蔽施工，桩与桩之间需搭接，质量难以保证，水泥土重力式挡墙抗弯、抗折强度低。

2)钻孔桩加内撑优点是超前支护，对后续开挖影响小，钻孔桩现场施工，直径、桩长配筋率可根据现场计算设计，节约材料；强度高，尤其是根据土压力计算值来灵活配筋，抗弯强度可很好地保证。缺点是现场施工，清孔、掏渣不彻底时质量比较难保证，易形成蜂窝、空洞、夹泥层或级配不均等病害，造成质量隐患；需制备大量泥浆，不利于环保；另外选用内支撑则工期长，给土方开挖与上部结构施工造成干扰。

本基坑中选用上述基坑围护设计方案均有较大的缺陷。结合本工程地质水文、周边环境等情况，基坑围护设计最终采用PHC管桩+锚索，另外辅以单排搅拌桩止水的方案。该方案既可节约工程造价、节省工期、保证工程质量，又可不干扰土方开挖与地下室施工。

2.2 设计计算过程

2.2.1 设计方案简介

本工程最终采用搅拌桩+PHC管桩+锚索复合支护技术。现就本工程的主要支护剖面——1-1剖面为例进行分析计算。距地下室外边线外3m处从原地面开挖放坡，坡度为1∶0.5，坡面挂20号铁丝网，压抹M10水泥砂浆，厚度为60mm，坡底用M10水泥砂浆硬化，厚度也是60mm。

1)止水帷幕采用单排550@450搅拌桩，桩长12.5m。桩与桩之间搭接100mm是为了更好地止水。桩顶与围护管桩的冠梁顶平，为2.15m。

2)围护桩采用600mmC型PHC管桩，间距700mm，长度为13m。

3)拉锚结构采用注浆预应力锚索，隔桩设置，竖向间距为2500mm，第1排设置在桩顶的冠梁上。

4)PHC管桩内用C30素混凝土填芯，并设置冠梁与腰梁。

5)降水采用一般降水。坑内外均设排水沟，坑内设集水井，坑壁设泄水孔。

2.2.2 设计方案计算

采用基坑支护通用计算软件理正深基坑F-SW5.5计算。计算参数如表1所示。

表1 基坑计算土层参数

开挖到坑底后，计算结果如图1所示。

图1 基坑计算结果

从图1可以看出最大位移为18.63mm，根据工程经验，满足要求。

极限弯矩为211.74kN·m，根据规范《先张法预应力混凝土管桩》GB13476-2009，φ600mmC型110管桩抗裂弯矩为285kN·m，极限弯矩为569kN·m。该工程中支护桩最大弯矩Mmax=211.74kN·m

1)整体稳定性验算采用圆弧滑动法计算，土体宽度取为0.4m，如图2所示。

图2 整体稳定性验算示意

图2中:圆弧半径R=16.961m；圆心坐标:x=－1.328，y=5.551；整体稳定安全系数Ks=2.131。整体稳定满足规范要求。

2)抗倾覆计算抗倾覆安全系数:

(1)

式中:Mp为被动土压力及支点力对桩底的弯矩，其中支点力为锚索的锚固力和抗拉力的较小值；Ma为主动土压力对桩底的弯矩。锚固力计算依据锚杆实际锚固长度计算。

1号锚索材料抗力为92.626kN/m，铺固力为104.398kN/m；2号锚索材料抗力为92.626kN/m，铺固力为104.398kN/m。经计算Ks=1.914≥1.200，满足规范要求。

3)抗管涌稳定安全系数(K≥1.5):

1.5γ0h′γw≤(h′+2D)γ′ (2)

式中:γ0为侧壁重要性系数；γ′为土的有效重度(kN/m3)；γw为地下水重度(kN/m3)；h′为地下水位至基坑底的距离(m)；D为桩(墙)入土深度(m)；K=10.536≥1.5，满足规范要求。

3 支护桩施工要点

3.1 打桩步骤

清除障碍物平整场地测量定桩位桩机组装打桩准备喂桩、插桩初打矫正正式打桩、接桩送桩移位施打下一桩。

3.2 管桩施打

1)划线将PHC管桩及送桩器划出1m刻度线，并标识距桩底有效长度，上节桩及送桩器上标识出设计入土深度及间距100mm和50mm刻度线，以此来控制打入深度和贯入度。

2)PHC管桩的运输和吊放PHC管桩达到设计强度的70%以上方可起吊，达到100%运输。PHC管桩采用大平板车运至现场吊放于对应地点。为防止管桩在运输和堆放时产生自重应力作用下的破坏，应堆放在平整、坚实的地面上并用枕木垫在支点0.2L处，叠层堆放不宜超过3层。管桩摆放时要采取防止滚动的措施，用木块等垫在管桩两侧。起吊时最好采用专用吊钩钩住管桩两端内壁进行水平起吊。取桩时严禁用桩架上的卷扬机拖拉管桩取桩。

3)就位打桩桩位处事先用白石灰撒出中心并钉钢筋头，混凝土管桩强度及龄期均应达到施工规范要求，场地准备好后桩机就位进行打桩，用吊车将第1节桩送至桩机前，采用一点绑扎，吊点宜选在1/3处，用桩机上的吊钩喂桩，要求桩位正、桩身直，然后安装桩帽。

4)打桩方法桩尖焊接后，进行插桩，待桩锤重量完全落在桩上后，先调整桩机导杆垂直度，再移动桩机使桩和导杆平行，用两个经纬仪正交90°观测，保证桩及导杆垂直度偏差小于0.5%。打桩过程中桩和打桩架的垂直度超过0.5%时，应将桩及时拔出重新插桩施打，待第1节桩进入本节1/3时再正常施打。要求桩锤、桩帽和桩身应保持在同一纵轴线上，宜重锤低击，低锤重打，桩尖进入硬土层力求连续施打，如需停打，应尽量缩短停锤时间。要求打桩过程中做好记录，在沉桩较困难时必须观察贯入度以防止桩头击碎却没有贯入度的记录，尤其是最后30击(3阵)贯入度的记录，并且注意观察桩身进入速度和反弹情况。

5)PHC桩连接接桩采用钢端板焊接法，用CO2气体保护焊焊接。当下节桩桩顶距地面0.5m左右时就可接桩。接桩时摘去桩帽，先在下节桩钢箍上焊上钢筋棍，然后将第2节桩如前述方法吊至第1节桩的上方，上下节桩段应保持顺直，错位偏差不宜大于5mm，节点弯曲矢高不大于桩段的1‰。焊接时先将对称四点焊牢、然后分层(不少于两遍)连续施焊，焊缝连续饱满、厚度高出桩表面2mm。焊缝完毕后刷沥青船底漆两遍。

6)停锤标准停锤标准应按标高和贯入度双控原则并以标高控制为主，贯入度控制为辅。双控原则:若桩底已达设计标高(－2.85m)时停打；若桩底未达设计标高(－2.85m)，但贯入度满足(4cm/10击～8cm/10击)时，继续锤击3阵，每阵(10击)贯入度均小于2cm/10击～3cm/10击，而且桩长达到设计桩长的90%以上时，可停锤。这里的贯入度控制标准较规范严格，是因为本工程淤泥层很厚，按工程类比原则，将此标准设得更高。

3.3 其它施工注意事项

1)注意保护土坡原状土特性，不受外界扰动，在基坑开挖完成后应立即进行护层施工，以防间隔时间过长，土体受扰动而导致局部塌方。

2)为使保护层与土体紧密结合，修坡与抹灰浆前均应喷水湿润表面，钢丝网位置应设在灰层中层，水泥砂浆薪旧接槎要注意搭接，以保证护层良好的整体性和不透水性。

3)坡面必须清理干净，同时防止雨水、地面水渗入坡体内，以防层土坡脱节剥离或护层沿坡面滑动。

4)打桩时，当遇到贯入度剧变，桩身突然发生倾斜、位移或有严重回弹、桩顶或桩身出现严重裂缝、破碎等情况，应暂停打桩，并分析原因，采取相应措施。

4 结语

通过探讨高强预应力混凝土管桩在基坑支护工程中的应用，笔者总结出了以下几点结论：①基坑支护设计方案需要结合工程地质条件、周边环境及结构设计等因素，进过综合比较，选择经济合理的支护方案；②高强预应力混凝土管桩具有施工速度快、质量可控和经济性好等优点，广泛的应用于软土地基处理中；③目前高强预应力混凝土管桩在基坑支护工程的应用实践方面较少，在往后的工程中应不断探索和积累经验，以确保高强预应力混凝土管桩能够更好地应用于基坑支护工程中。

参考文献

[1] 齐红博.高强预应力管桩在基坑支护工程中的应用[J].科技情报开发与经济.2010年第25期

[2] 张仕雄.探讨高强预应力混凝土管桩施工质量控制要点[J].城市建设理论研究.2012年第04期