PHC管桩在深厚软土地区驳岸挡墙中的应用研究——以福州青口某工程为例

石金华

(福州市建筑设计院 福建福州 350001)

0 引言

福州属于河口盆地，整个城市的发展与闽江乌龙江等水系关系密切，随着经济的不断发展，许多沿河建筑拔地而起，在建设过程中，为了保证场地的安全，临河面通常需要设置驳岸。驳岸根据场地周边环境等条件选取不同的支护型式，当场地空间允许，一般以生态护岸为主。当场地局限时，一般以重力式挡墙为主，挡墙下采用冲(钻)孔灌注桩或者水泥土搅拌桩加固[1-2]。然而，在福州一些地区，由于深厚淤泥存在，若灌注桩或水泥土搅拌桩桩底未达到稳定地层，驳岸挡墙的工后沉降往往非常大。先张法预应力高强混凝土管桩(以下简称PHC管桩)作为当前承受竖向荷载的一种主力桩型，在驳岸挡墙支护中应用的却不多，主要是因为管桩的水平承载力较低；因此，如何在具体的驳岸挡墙设计中，既充分发挥PHC管桩竖向承载力，又能最大程度利用PHC管桩的水平承载力，值得探讨。本文以福州青口某项目的驳岸挡墙工程为例，根据该项目特点和现场的实际情况，探索PHC管桩在驳岸挡墙中的实际应用。与传统的驳岸挡墙支护型式相比，该方案节省了工期和造价，减少了工后沉降，为今后类似工程项目设计提供借鉴。

1 工程概况

福州青口某项目，位于福州市青口尚干祥谦3镇交界处，场地北侧为新榕路，南侧为民房，东西两侧分别为淘江及其支流青潭溪。该项目由8栋33层住宅楼及其裙楼开闭所组成，下设一层联体地下室，地下室面积约25 146m2，地下室底板面标高为黄海高程1.75m。淘江属潮汐河，日平均最低水位为0.50m，日平均最高水位为3.70m，场地东西两侧毗邻淘江及其支流，系淘江堤岸，因建筑规划需要，该项目场地将整平至7.00m，淘江后期清淤至0.00m，因此将形成高7.00m的临空面。

2 工程地质水文条件

2.1 工程地质条件

根据勘察报告，驳岸挡墙影响范围内岩土层，由上到下分述如下：

①杂填土：黄色，湿-饱和，松散为主，为新近堆填，以粘性土为主，含建筑垃圾30%～50%，堆填时间约1～5年，厚度5.5m。

②淤泥-淤泥质土：深灰色灰黑色，流塑，饱和，局部夹0.5cm～10cm厚或薄片状粉细砂层，厚度26.0m。

③卵石：灰黄色浅灰色青灰色，饱和，稍中密为主，局部有夹层地段或层顶与上部淤泥层直接接触地段，呈松散状态，为冲洪积成因。卵石粒径大多为2cm～10cm，呈次棱角状次圆状，个别大于10cm(个别较大可达25cm)，充填石英砂平均约20%，含少量粘性土，厚度9.0m。

根据岩土工程勘察报告，土体物理力学参数如表1所示。

表1 土层计算参数

2.2 工程水文条件

该工程影响范围内地下水类型，按埋存条件划分为上层滞水(潜水)和承压水两种类型。上层滞水(潜水)主要赋存于填土中，水量主要受大气降水补给，水量一般不大。承压水主要赋存于卵石中，卵石层埋深较深，承压水对该工程无影响。该工程中的驳岸挡墙紧邻淘江，系淘江堤岸，淘江为潮汐河且水流量大，日平均最高水位为3.70m，20年一遇洪水位为4.47m，涨潮水位和洪水位对驳岸挡墙施工影响较大。

3 驳岸挡墙设计

该项目东西两侧地下室外边界线，距离河道蓝线较近，河道蓝线外侧斜坡原始坡度10°～30°，场地空间有限。若按传统的重力式挡土墙结合冲(钻)孔灌注桩的支护型式，工期较长，造价相对较高；同时，淘江在涨潮期水位达到3.70m，需设置围堰，以保证重力式挡土墙施工期间不受潮水影响。另外，挡墙与地下室外墙线间为后期小区道路，若采用重力式挡墙，挡墙与地下室外侧间土体则另需加固，否则，后期淤泥固结沉降较大，维护成本较高。

综合该工程地质水文条件及周边环境影响，经过经济工期等方面比选，驳岸挡墙最终采用PHC管桩+扶壁式挡土墙+生态板桩的支护型式，支护剖面如图1所示。其中，管桩采用PHC 500-125(AB/A)，管桩间距和排距均为2.25m，桩长28m，且进入卵石层不小于1.0m，扶壁式挡墙高4.75m。

图1 支护剖面

在该支护体系中，生态板桩为预制桩，施工速度快，并且很好地解决了传统挡墙施工过程中遇到的围堰施工难度大的问题。驳岸挡墙底板紧贴地下室外墙，并在挡墙墙踵末端设置反坎立板，有效地减少了上部挡墙传递至管桩的水平荷载；同时，利用管桩承担扶壁式挡土墙及填土等竖向承载力，减少了工后沉降。清淤后，管桩不仅受到上部扶壁式挡墙传递下来的竖向力水平力和弯矩，还受到挡墙底部土体的水平作用力。因此，为了较准确地计算管桩在各种荷载效应作用下的内力和变形，本文通过非线性有限元软件ABAQUS，建立支护剖面的有限元数值模型，分析得到清淤后管桩的内力和位移分布曲线，并通过有限元强度折减法，计算支护剖面的整体稳定性。具体论述如下：

(1)施工的可行性是支护选型的必要考量因素，在支护剖面中，上部采用扶壁式挡土墙，挡墙底板面标高为黄海高程2.7m，在施工驳岸底板及垫层过程中，挡墙基底需开挖至黄海高程1.8m，邻近的基坑坑底黄海高程为0.85m，均比淘江的日平均最高水位3.70m低，因此，临时围堰的选择对驳岸和基坑施工至关重要。根据现场条件，最终在挡墙外侧设置一道封闭的生态板桩墙。施工阶段的生态板桩，作为临时围堰兼临时悬臂受力构件，挡住挡墙外侧水土压力。在挡墙完工进入使用阶段后，生态板桩一方面作为清淤后抵抗河水冲刷的有效措施，另一方面作为挡土构件限制挡墙下淤泥向河床方向变形流动。

(2)初步布桩过程中，先确定管桩的单桩水平承载力。当地基土水平抗力系数的比例系数m=2.5MN/m3，水平允许位移10mm，桩的换算深度αh≥4.0时，桩与承台按铰接考虑，根据《建筑桩基技术规范》(JGJ94-2008)[3]中的5.7.2第6款(式5.7.2-2) PHC500-125管桩单桩水平承载力特征值按下式计算为：

在支护体系中，扶壁式挡土墙先行承担墙底以上的水平力，再经扶壁式挡墙底板传递给管桩，当支护采用常规的扶壁式挡墙，则挡墙计算高度为4.75m，计算得到的挡墙传递给管桩的水平力合计98.5kN；若没有有效措施，初步布桩时，每延米需要布置管桩2.74根，这将严重增加造价。为合理减少管桩数量，降低造价，结合该项目特点，扶壁式挡土墙设计过程中,在挡墙墙踵末端设置了2.0m高，并紧贴地下室外墙的反坎立板。此时，这种异型的扶壁式挡土墙，因前后立板平衡了一部分土压力。实际作用在挡墙上的库伦土压力，可按扶壁式挡土墙为2.75m考虑，最后得到的水平力，合计为36.5kN，即每延米仅需管桩数量1.02根；按图1所示支护剖面设置管桩，每延米管桩数量有1.33根，大于1.02根，满足水平承载力要求；同时，挡墙底板及其以上填土荷载车载等竖向荷载均由管桩承担，减少了后期地面沉降。

(3)在图1的支护剖面中，管桩在清淤后的受力最复杂，管桩不仅受到上部扶壁式挡墙传递下来的竖向力水平力和弯矩，还受到挡墙底以下土体的水平作用力。采用一般的设计软件，难以全面地考虑上述外力对管桩受力及变形的影响。为此，下文通过非线性有限元软件ABAQUS建立支护剖面的有限元数值分析模型，如图2所示。模型中的岩土体按莫尔-库仑理想弹塑性材料模拟，管桩采用梁单元模拟；管桩与扶壁式挡土墙底板连接，采用分布耦合约束模拟；因地下室为独立的受力平衡体系，对驳岸挡墙支护的受力体系影响较小，为简化计算，地下室整体采用设置位移边界条件进行模拟。

图2 支护剖面模型

扶壁式挡土墙，管桩物理力学参数参照混凝土结构设计规范汇总如表2所示。

表2 支护剖面结构物材料参数

图3给出了管桩在清淤后的弯矩剪力分布图。从图中可以看到，管桩受到的最大弯矩标准值和剪力标准值，分别为107.8kN·m和74.2kN；对应的设计值，分别为148.2kN·m和100.2kN，均小于闽2012-G-124[4]中PHC500-125(AB)管桩桩身的受弯和受剪承载力设计值186kN·m和273kN，满足设计要求。

图3 清淤后1～3#管桩弯矩和剪力分布曲线

清淤后，临河的1#管桩桩身水平位移最大，在清淤面的水平位移为5.87mm，桩顶水平位移5.398mm，如图4所示，均小于10mm，满足设计要求。

图4 清淤后1～3#管桩桩身水平位移图

(4)由于后期清淤影响，临河的1#管桩接近于高承台桩基，若扶壁式挡墙下土体产生整体失稳破坏，将对管桩产生较大的剪切力甚至引发断桩，从而导致上部扶壁式挡墙失稳。因此，下文采用图2所示的有限元模型，进行清淤后的整体稳定性分析。稳定分析采用有限元强度折减法。目前，采用有限元强度折减法进行边坡稳定分析时，对失稳的判据主要以土体中出现位移突变(位移拐点)且无限发展并结合塑性区(等效塑性应变)临界贯通为主[5]。设计中管桩，按正常使用来考虑，整个支护体系对管桩桩顶水平位移要求较高，因此，本文以临河1#管桩桩顶作为特征点，建立1#管桩桩顶水平位移与折减系数关系曲线，并以曲线上曲率最大拐点，结合1#管桩桩顶水平位移10mm对应的折减系数，作为整体稳定安全系数的判别依据。图5给出了1#管桩桩顶水平位移与强度折减系数的关系曲线。由图5可得桩顶水平位移10mm对应的折减系数Fr为1.50(正好对应位移拐点)，大于1.35，满足规范要求。图6为折减系数Fr=1.50时支护剖面的水平位移等值云，由图6可知，此时扶壁式挡墙底部土体水平位移最大，与周边土体位移形成一个明显的分界面，此分界面即为潜在滑动面。

图5 1#管桩桩顶水平位移与折减系数关系曲线

图6 Fr =1.50时支护剖面的水平位移等值云

4 结论

(1)生态板桩相比于传统的围堰，施工便捷速度快，同时因其自身具有一定的桩身强度，既可作为临时支护结构，又可作为后期防冲刷措施和挡土构件，近年来在驳岸挡墙工程中得到了快速推广。

(2)在驳岸挡墙紧邻地下室外墙的类似工程中，扶壁式挡土墙墙踵末端设置紧贴地下室外墙的反坎立板，可以减少扶壁式挡土墙传递到PHC管桩上的水平推力；反坎立板的设置高度，直接影响到每延米管桩的布桩数量和间距。

(3)PHC管桩，不仅可以作为承受竖向荷载的受力构件和减少工后沉降的有效措施，同时在整个支护体系中承担主要的水平荷载。因此，管桩在受力过程中引起的内力和桩身变位，在桩身强度和允许的位移值以内，是保证整个支护体系安全的关键。有限元分析表明，受土体水平力及管桩协同变形影响，临河前排桩在清淤面弯矩较大，后排管桩桩顶弯矩较大 ，最大弯矩设计值接近管桩受弯承载力设计值，这也间接说明了，挡土墙底板面标高的确定应综合考虑管桩桩身强度，设置过高将会对PHC管桩桩身承载力提出更高的要求；设置过低则使施工阶段作为临时支护结构的生态板桩的尺寸及嵌固长度变大，两者均会导致工程造价的增加。

(4)采用有限元强度折减法进行整体稳定分析，建立桩顶水平位移与折减系数的关系曲线，以管桩的水平位移控制为准，将桩顶位移10mm对应的折减系数，与曲线上的位移拐点对应的折减系数，取小值判定为稳定安全系数是合理的。