黄河中下游冲洪积地层PRC管桩深基坑支护

朱会强，张 明，张 波，张建设，郭波锋

（1.中赟国际工程有限公司，郑州 450000；2.郑州航空工业管理学院，郑州 450015；3.建华建材（河南）有限公司，郑州 451192）

在以郑州、开封为代表的黄河中下游冲洪积地层中，灌注桩是深基坑支护常用桩型［1-6］.近些年，随着城市内涵式发展要求，基坑支护设计在满足必要技术要求同时，需有更具竞争力的经济、环保和工期优势，作为装配式支护构件，管桩开始受到关注.然而，传统管桩抗水平荷载和抗弯能力不足、延性差，使其在基坑支护领域一直没有广泛应用［7］.周同和等在综合国内外研究成果的基础上，提出了混合配筋预应力混凝土管桩（PRC管桩）［8］，可有效克服传统管桩的上述天然缺陷.PRC管桩同普通预应力管桩一样，亦由混凝土、钢筋骨架组成，不同之处在于钢筋骨架中除了预应力钢筋外，还加入一定数量的非预应力钢筋，配筋率为普通管桩的1.5～2.0倍.事实上，PRC管桩自身的抗弯与抗剪性能研究已经比较充分［9-11］.工程实践也证明，PRC管桩作为新型支护桩，在我国沿海的软土地层中可以有效使用［12-16］.

但是，岩土工程的地域差异性表现很强，深基坑支护更为明显，甚至黄河流域不同地区冲洪积地层匹配的本构模型各不相同［17］.PRC管桩在沿海软土地层中的应用经验并不能直接指导我国其他地区.与沿海地层相比，黄河冲洪积地层土体粒径、力学强度明显增大，并伴随着液化.针对黄河冲洪积地层，PRC管桩技术是否适用，经济、工期是否优势明显，亟需工程验证.此外，基坑支护设计开始从承载能力极限状态设计（强度设计）转向正常使用极限状态设计（变形设计）［18］.桩-土之间相互作用，尤其是基坑变形受到前所未有的关注.由于桩-土之间相互作用研究尚不深入，这直接制约了PRC管桩在深基坑支护中的应用.

基于此，本研究采用PRC管桩技术代替灌注桩支护，首次开展黄河中下游冲洪积成因场地10 m以上深基坑支护技术研究，现场实测基坑周围土体深层水平位移数据，评价管桩支护效果.从技术、经济和工期上与传统的灌注桩进行全面对比，探讨PRC管桩在黄河中下游冲洪积地层中推广应用的可行性.

图1 基坑平面位置图Fig.1 Layout of the deep foundation pit

1 研究场地

研究场地位于河南省开封市大梁路与夷山大街交叉口东南角，如图1所示.拟建建筑物为两层地下车库、多栋商业及主楼，商业及主楼基础形式为PHC管桩基础，地下车库为筏板基础，±0.00绝对高程为74.0 m，基坑深度为5.0～11.7 m，3-3’断面基坑深度达11.7 m，基坑全周长约1245 m.

2 地质条件

依据钻探、静力触探及土工试验成果，勘探深度范围内地层共分为11层，其中①层为杂填土（Q4ml）；②～ 11层为第四系全新统冲积（Q4al）而成的粉质黏土、粉土、粉砂或细砂.地层的物理力学指标由室内试验、标贯试验、静探试验等方法取得，经综合分析认为整个场地同一层位土体性质无大的变异，属于同一工程地质单元，场区主要地层岩土物理力学特性指标如表1所示.

表1 场区主要地层岩土物理力学特性指标Tab.1 Geotechnical and mechanical properties of soil in the research field

本研究选取支护最深处3-3’剖面为分析对象，对应的地质剖面如图2所示.

图2 3-3’支护剖面地层图Fig.2 Stratigraphic diagram of 3-3’foundation pit support profile

3 基坑支护设计

结合当地工程经验与规范要求，本研究拟采用桩锚支护，设置三排预应力锚索，锚索配置见表2，桩锚支护概念图如图3所示.基于上述概念模型，开展桩径、桩长与桩间距对支护效果影响分析，提出适宜的桩基设计参数.

表2 预应力锚索配置表Tab.2 Parameters of prestressed anchor cable 单位：m

图3 3-3’支护剖面Fig.3 3-3’foundation pit profile

图4 不同桩径土体深层水平位移分布曲线Fig.4 Distribution curve of deep horizontal displacement of soil with different pile diameters

3.1 桩径不同

以直径为400、600、800 mm PRC管桩为支护结构，桩间距均为1000 mm，桩长为15 m，锚索设置见表2，图4表示桩后土体深层水平位移分布曲线.众所周知，随着桩径变化，基坑单位面积上围护结构的刚度随之变化.当桩径从400 mm增大至800 mm，围护结构的整体刚度增加；相应地，基坑围护结构周围土体变形也随之减小.郎肯土压力理论认为，随着埋深增大，桩后土压力逐渐增大并在悬臂支撑点附近达到极值，所有桩体对应的深层水平位移最大值在悬臂支撑结构点附近，数值模拟规律与理论分析一致.数值分析显示，桩径为400 mm时，水平位移最大值26.5 mm，最终位移量非常接近规范要求的30 mm上限值.因此，桩径选择建议600～800 mm.

3.2 桩长不同

以桩长为13、15、17 m的PRC管桩为支护结构，桩径均为600 mm，桩间距为1000 mm，三层锚索设置不变，土体深层水平位移分布曲线如图5所示.随着桩长增加，土体深层水平位移逐渐减小.总体而言，桩长对水平位移的控制作用并不明显.桩长设置为13～17 m时，桩体入土深度1.3～5.3 m，均能保证基坑稳定.但是，已有经验表明，当桩体入土深度小于2 m时，在不利条件组合情况下，坑底下的土体存在难以约束桩体并向坑内变形的趋势，最终可能导致桩端发生踢脚破坏，引起基坑失稳［19］.此外，从模拟结果可知，当桩长为15 m时，已满足结构稳定性要求，此时再增大桩长，意义不大.因此，从经济实用性角度，桩长建议值为15～17 m.

3.3 桩间距不同

以桩间距为800、1000、1200 mm的PRC管桩为支护结构，桩径均为600 mm，桩长为15 m，三层锚索设置不变，土体深层水平位移分布曲线如图6所示.数值模拟结果显示，随着桩间距增加，土体深层水平位移量逐渐增大.在800～1200 mm范围内，桩间距并不是影响基坑周围土体水平位移的关键因素.从深层水平位移量角度分析，桩间距在800～1200 mm范围内变化，均能满足技术要求.

在深基坑支护工程中，由于桩-土相互作用可在土中形成土拱效应，桩间土能够不从桩间滑出［20-22］.基于土拱效应，支护桩间距［23］：

图5 不同桩长土体深层水平位移分布曲线Fig.5 Distribution curve of deep horizontal displacement of soil with different pile lengths

图6 不同桩间距土体深层水平位移分布曲线Fig.6 Distribution curve of deep horizontal displacement of soil with different pile spacing

其中，

一般认为，在基坑工程中，桩后土压力是主动土压力，采用郎肯主动土压力公式近似得到：

其中：s为桩间距（mm）；d为桩径（m）；c为黏聚力（kPa）；j为内摩擦角（°）；q0为地面荷载（kPa）；r为土体重度（kN/m3）；h为计算点埋深（m）.

地面荷载q0=10 kN/m2，土体重度近似取r=18 kN·m-3.通过式（3）和（4）计算，β=46.1°；通过式（2）和（5）计算，l=0.38 m；通过式（1），s=980 mm.

综合数值分析以及基于土拱效应的理论计算结果，本研究建议桩间距设置为1000 mm.

4 讨论

4.1 PRC管桩“等效替代”灌注桩

经过第3节计算，本研究最终优化出桩径600 mm、桩长15 m、桩间距1000 mm，三排预应力锚索为支护形式.开挖至设计深度后，基坑周围土体深层水平位移云图如图7所示.从图7可知，随着基坑开挖深度增加，基坑开挖的影响范围逐渐增大，在基坑底部靠近内坑位置的水平位移值最大，并且向周边辐射趋于减小.由于锚杆的拉力作用，基坑上部桩周土位移量比下部的位移量小得多.从结果分析得到，坑底最大位移值约14.5 mm.

图7 基坑周围土体深层水平位移云图Fig.7 Cloud map for deep horizontal displacement of soil around the foundation pit

对于基坑工程而言，支护结构的设计参数主要考虑桩体的抗弯和抗剪性能.当桩径相同时，PRC管桩存在某一桩型，能够保证上述力学性能与等直径的灌注桩相等，甚至优于灌注桩，此设计方法可视为基坑支护的PRC管桩“等效替代”.事实上，本研究上述分析过程完全可以用于同等抗弯、抗剪性能的灌注桩（与PRC管桩具有相同直径、桩长与桩间距）.在基坑设计领域，理正基坑支护软件是常用设计软件，但是理正软件并没有针对管桩的输入接口.本研究首先采用600 mm的灌注桩进行基坑支护结构设计，再基于“等效替代”理念，采用PRC-1600B110管桩直接替代灌注桩.事实上，许多技术与研究人员已开始采用这一思想用于软土地区的管桩基坑支护设计.

4.2 PRC管桩支护效果分析

图8为开挖完成后3-3’支护剖面深层水平位移监测曲线，该剖面即为本研究基坑支护断面.图8也包括不同开挖工况对应的模拟位移曲线：基坑开挖3.0 m、施加三道锚索以及开挖至坑底设计标高三种工况.基坑监测点zkq31位于支护面中部，整体位移位于基坑内侧.一般而言，基坑深层土体水平位移分布形态受监测点所在位置影响较大，基坑拐角位置甚至会出现水平位移朝向基坑外侧现象［24］.本研究中，分析对象3-3’剖面处于支护断面中间位置，离拐角距离超过35 m，故可认为图8深层水平位移数值对3-3’剖面具有普适性.

此外，深层水平位移实测值普遍小于数值模拟数值，这与董贵平等［19］、郑轩等［24］的分析结果趋势相同，原因可能是由于岩土工程勘察报告中的土体物理力学参数取值保守所致.这意味着，采用数值模拟分析得到的位移数值是偏安全的.总体而言，实测值与模拟值变化趋势相同，二者具有很好的一致性.这也证明了本文提出的“等效替代”理念的可靠性.

4.3 PRC管桩支护经济与工期优势

本研究依托工程实际用桩数量为412根，总工程量为5100 m.根据市场调查，PRC管桩与灌注桩综合单价分别为406元/m、622元/m.与灌注桩相比，采用PRC管桩比灌注桩节省费用约110万元，占预算数额3 172 200元的34.6%，具有明显的经济效益.

根据附近工程经验，灌注桩一般采用正循环施工，工效约180 m/d，PRC管桩采用静压直接压入，工效约260 m/d.以本工程为例，与灌注桩施工相比，PRC管桩可节约工期8 d.更为重要的是，作为装配式预制件，静压施工不受环保条件限制，能够保证连续施工；同时，PRC管桩施工后无养护时间，无休止期，可直接开挖，对土方工程无影响；此外，PRC管桩静压施工无笼筋焊接、泥浆外运等附加工序.施工中如果遇到沉桩困难或需要完全消除挤土效应，可选择长螺旋引孔处理，对工期并无影响.

图8 zqk31监测点深层水平位移实测曲线Fig.8 Measured curve of deep horizontal displacement for monitoring point zqk31

5 结论

本研究采用数值模拟与工程实测数据相结合的方法，以开封某典型深基坑为工程背景，对PRC管桩支护结构的深层水平位移进行了深入研究，可为黄河中下游冲洪积地层中深基坑支护结构设计提供参考.通过分析，得出以下结论：

1）采用MIDAS软件可用于优化基坑支护结构设计，筛选出合理桩径、桩长与桩间距.并可利用“土拱效应”验证桩间距设置的合理性.

2）根据“等效替代”理念，将灌注桩替代为等直径PRC管桩，对于黄河中下游冲洪积地层的深基坑支护设计是可行的；不同工况条件下，基坑周围土体的深层水平位移与开挖前的数值模拟数值一致，PRC管桩能够达到与灌注桩相同的支护效果.

3）在黄河中下游冲洪积地层采用PRC管桩开展基坑支护工程，相比灌注桩节省费用34.6%，节省工期44.4%；PRC管桩亦不受环保条件限制，可施工性优势明显.