PC工法支护桩在某深厚软土地区基坑中的应用及分析

1 概 述

江浙一带沿海地区场地地基存在深厚软土层,该层土性质差,高含水量,灵敏度高且易扰动,因此这些地区的基坑工程造价往往较高[1]。在当前高效、绿色环保的城市建设背景下,PC工法支护桩作为一种临时性结构,在满足变形及稳定要求的同时,能兼顾施工效率及环保节能的基坑支护形式,具有很大的应用前景。

PC工法支护桩是通过钢管桩与拉森钢板桩的组合式连接,形成一个抗弯刚度大、整体性强、止水效果好的竖向支护体系。钢管桩相比同直径钻孔灌注桩具有更大的抗弯刚度,且根据基坑开挖深度及地质条件可选择钢管桩与拉森钢板桩的不同组合形式,方便灵活,见图1。同时,PC工法支护桩作为一种可完全回收,重复使用的竖向支护体系,在施工效率、节能环保及工程造价等方面具有明显优势。

图1 不同组合形式的PC工法支护桩

2 工程概况与地质条件

2.1 工程概况

某工程位于浙江省宁波市,总建筑面积为11 102.4 m2,地下建筑面积2 338.4 m2,主要包括1栋5F综合大楼和1层地下室,基础工程桩为钻孔灌注桩。基坑开挖深度为4.25～6.75 m,坑中坑高差为2.50 m。基坑西北侧为学府路,道路边线离基坑上坎线最近距离约为1.5 m；东南侧为7层的已建学术交流中心,距基坑上坎线约为9.5 m；南侧为临时施工道路,道路边线离基坑上坎线最近距离约为5.8 m；北侧为景观河道小洋江,河道边线离基坑上坎线最近距离约为14.5 m,见图2。

图2 基坑支护总平面图

2.2 地质条件

根据岩土工程勘察报告,本工程所涉及的各地基土层为：①-0填土,杂色,松散,高压缩性，主要成分为建筑垃圾,系近期人工堆积,土块结构松散,土质不均匀,强度低；①-1黏土,褐黄色,可塑,中压缩性，含氧化铁锈斑及铁锰质结核,局部夹粉质黏土,切面有光泽、高干强度、高韧性；②淤泥质黏土,灰色,层上部颜色为灰褐色,流塑,高压缩性，含云母及粉砂,切面稍有光泽、中等干强度、中等韧性；③粉质黏土,灰色,软塑,高压缩性，含云母及少量粉砂,局部为黏土,切面稍有光泽、中等干强度、中等韧性。土层的物理力学性质指标见表1,其中2号淤泥质黏土为典型的软土,含水量高达48.8%,层厚达15 m,约3倍基坑开挖深度,工程性质极差。

表1 各地基土层的物理力学性质指标

3 基坑支护设计

3.1 本工程的特点

1)地质条件差 基坑开挖影响范围内存在深厚软土层,流塑状态,高含水量,高灵敏度。

2)周边环境复杂 地下室结构距现有建筑物、市政道路和管线、河道及临时施工道路很近。

3)工期与造价 工程施工工期非常紧,且建设单位资金有限,对基坑工程造价控制要求高。

3.2 支护结构的选型

根据上述特点,由于基坑地质条件差,变形控制要求严格,采用土钉墙,搅拌桩重力式挡墙及复合土钉墙的形式是不适合的；若采用悬臂排桩的形式,桩顶水平位移难以控制,会对周边环境产生很大影响；地下连续墙加支撑的形式虽然安全可靠,但造价较高[2-3]。经综合考虑,采用排桩加一道钢筋混凝土支撑的形式,排桩采用PC工法支护桩,相对钻孔灌注桩或SMW工法支护桩而言,该支护体系具有整体刚度大、止水效果好、施工速度快、无泥浆、无污染、且可完全回收等优点,能满足本工程的各项要求。

如图2所示,钢筋混凝土支撑体系采用角撑结合对撑的形式,既控制了基坑变形,又提供了足够的开挖工作面。支撑截面尺寸为700 mm×600 mm(主撑)、600 mm×600 mm(副撑)。PC工法支护桩采用φ630 mm×14 mm螺旋焊接钢管桩与拉森Ⅳ钢板桩的“1+1”组合,钢管桩间距为1 100 mm,桩长为14～18 m,拉森钢板桩间距为1 100 mm,桩长为9～12 m。其中φ630 mm×14 mm钢管桩单桩抗弯刚度EI为270 075 kN·m2,相当于同直径钻孔灌注桩的1.2倍,因此在桩间距相同的情况下,PC工法支护桩体系的变形要小于钻孔灌注桩排桩支护体系。

图3 PC工法支护桩现场施工情况

3.3 施工工艺要求

PC工法支护桩采用高频液压振动打桩机施工,钢管桩要确保平整度和垂直度,不允许有扭曲现象,插入时要保证垂直度,钢管若有接头,应保证接头的抗弯、抗剪及抗拉的等强度,接头应位于开挖面以下1 m,且相邻两根钢管接头应错开1 m以上；所有焊缝应连续焊满,焊缝高8 mm。拉森钢板桩应选用未明显变形,无扭曲的拉森Ⅳ钢板桩,且施工前应进行修整。钢管桩与拉森钢板桩必须控制好下沉速度,一般为1 m/min,两者之间采用小止口施工。桩打入前将桩尖处的凹槽底口封闭,避免泥土挤入,锁口宜涂以黄油或其他油脂。

图3为现场施工情况,可见PC工法支护桩排列整齐,钢管桩与拉森钢板桩连接紧密,无渗水和流土现象,为基坑开挖与基础结构施工创造了非常良好的工作环境。

4 监测结果分析

本工程基坑开挖过程中进行了全面的监测工作,各监测项目的实测结果见表2,各测点的最大累计值均在设计预警值范围之内,支护体系稳定,对周边环境影响小。深层土体水平位移曲线见图4,可见各测点均在坑底深度范围处的水平位移最大,且由于软土层较厚,土体变形直至性质相对较好的③号粉质黏土层才迅速收敛。

图4 深层土体水平位移曲线

表2 基坑监测结果

5 结 语

1)PC工法支护桩整体刚度大,能有效控制基坑变形,小止口连接工艺止水效果好,坑壁无渗漏,适合软土地区的基坑。

2)施工效率高,速度快。由于钢管桩为空心圆管,送桩过程中地基土直接进入管体并填充,既增加了单桩抗弯刚度,又有效地减少了挤土效应。基坑完成后,支护桩可完全回收,绿色环保。

3)经施工造价分析测算,本工程若采用传统的排桩加止水帷幕的施工工艺,基坑支护工程造价约16 500元/m,而采用PC工法支护桩作为竖向支护体系,造价约14 300元/m,能节约10%的工程造价。并且从节约施工工期、无泥浆、无污染及低噪音的角度而言,会带来更大的经济效益和社会效益,是值得推广的一种基坑支护桩形式。

参 考 文 献

[1] 建设综合勘察研究设计院. GB 50021—2001岩土工程勘察规范[S].北京：中国建筑工业出版社,2009.

[2] 中国建筑科学研究院.JGJ 120—2012建筑基坑支护技术规程[S].北京：中国建筑工业出版社,2012.

[3] 浙江省建筑设计研究院，浙江大学.DB 33/T 1096—2014浙江省建筑基坑工程支护技术规程[S].杭州：浙江工商大学出版社,2014.