预应力管桩在基坑支护工程中的设计与施工

陶勇

(四川省川建勘察设计院，四川 成都 610000)

1.前言

基坑支护工程是高层建筑基础工程中的重要技术之一。近年来，在基坑支护工程中，由于预应力管桩具有桩身质量稳定、力学性能好、施工效率高等优点而在工程中得到越来越多的应用。为了拓展预应力管桩的应用范围，本文将其使用引入深基坑支护结构中，做了一种很好的尝试。

2.工程概况及地质条件

某建筑地上12层，地下1层，采用框剪结构，基坑开挖深度4.0米。由于工程地处人口稠密的旧城区，毗邻交通主干道，基坑开挖对周围环境的影响受到严格限制，要求支护结构能有效控制周边变形和确保交通干道周围民宅的安全。该场地土层自上而下为上部由素填土、粉质粘土、淤泥组成。其素填土属新近回填，密实度差，强度低；粉质粘土分布均匀有一定强度，淤泥为流塑，厚度大，强度低。中部由粘质粉土，淤质土，含砾粘土，含泥中砂，泥质卵砾石、卵砾石、含砾细砂等组成，粘质粉土软硬塑、淤质土流塑、工程性能差，含砾粘土、含泥中砂，厚度薄，有一定强度，泥质卵砾石，卵砾石、含砾细砂只是相变原因呈透镜体分布，下部由残积土，强风化、中等风化岩组成。此三层是由花岗岩风化而成，其特点是硬——坚硬、强度高，各土层厚度及物理力学指标见表1。

表1 基坑工程地质参数

3.基坑支护设计计算

本工程采用排桩加内支撑支护体系，基坑周围附加地面荷载按15kPa。围护桩采用φ500@900排桩，原设计为沉管灌注桩，由于沉管灌注桩施工周期长，桩身质量较难保证，后经论证改用φ500预应力管桩，桩长12m，围护预应力管桩顶端嵌入锁口梁，支护结构平面布置见图1。

采用上海同济启明星科技发展有限公司研制的深基坑支挡结构分析计算软件FRWS2006进行计算，计算简图如图2，内力计算结果如图3。由计算结果可知，计算宽度取0.9m，每根支护桩承受最大弯矩值为135kN·m，计算支护最大水平位移为11.8mm。

锁口梁按多跨连续梁进行计算，通过计算确定截面尺寸为700×700，每边配置5φ25钢筋。围护结构支撑布置必须确保传力和变形协调，保证整个支护体系的结构强度、刚度与稳定。支撑结构通常采用多次超静定结构形式，其目的即使局部构件失效也不导致整个支撑结构体系的失稳。锁口梁与支撑结构体系由现浇钢筋混凝土拉梁、斜梁及钢管支承桩组成。

采用预应力管桩作为支护桩设计时应注意以下几个问题：

图1 支护结构平面布置简图

图2 支护结构计算简图

图3 支护桩内力计算结果

(1)由于支护桩以承受弯矩为主，设计预应力管桩选型时应选择桩身抵抗弯矩值较高的桩型，比如AB型、B型桩；(2)由于基坑开挖深度范围主要土层为淤泥，若管桩桩端在淤泥层中，竖向承载力很低，势必造成支护结构产生较大的竖向变形，对整个支护结构将产生不良的影响。为此，确定支护桩嵌固深度时应将预应力管桩的桩端落在较好的土层面 (本工程如粘质粉土层)上，保证支护结构的整体稳定；(3)由于预应力管桩对水平位移比较敏感，应严格控制支护结构的水平位移，最大位移值不宜超过20mm。为减少水平位移量，支护结构宜选择内支撑体系，不宜采用悬壁型体系。

4.预应力管桩选型

预应力管桩是使用高强度低松驰率的预应力钢筋使桩身具有较高的有效压力，因此预应力管桩具有较好的抗弯和抗拉能力，管桩的弯矩设计值可按沿周边均匀配筋的环形截面抗弯承载力计算，即上式中若混凝土和钢筋采用强度标准值进行计算，则可得预应力管桩的极限弯矩值Mak，使用预应力混凝土管桩标准图集可省去管桩环形截面抗弯承载力的繁复计算。因为预应力管桩标准图集中已经提供经计算好的各型号管桩的弯矩设计值和极限弯矩值，设计人员使用起来非常方便。

根据计算求得的预应力管桩内力，从省建筑标准设计《先张法预应力高强混凝土管桩》标准图集中选用PHC500-100B型管桩，管桩外径φ500，壁厚 100，混凝土等级 C80，桩长 12m，预应力钢筋数量及直径为14φ10.7，其弯矩设计值为144kN·m，极限弯矩值为258kN?m，从上述计算中求得的预应力管桩承受的最大弯矩值Mmax=135<144kN·m，满足设计要求。

5.管桩支护施工

本工程桩基础采用预应力管桩，施工时用一台YZY-680全液压静力压桩机施工，当工程桩施工完毕后，开始支护桩施工。支护桩压桩施工时应注意以下几个问题：

(1)压桩时应严格控制桩顶标高一致，便于锁口梁施工；

(2)由于管桩施工挤土效应明显，且支护桩间距小，为避免因挤桩产生桩身质量事故，压桩时应严格跳打施工；

(3)为避免支护桩未达持力层使支护结构产生较大的竖向沉降，施工时应将支护桩压至较好的持力层，地质情况变化时可适当增加桩长。

(4)由于预应力管桩的接头刚度较差，支护桩施工时应以单节桩为宜，避免接桩。

6.结束语

(1)预应力管桩桩身质量可靠，混凝土强度高，具有一定的抗弯能力，在不超过管桩能承受的允许弯矩值时，作为支护排桩是完全可行的。

(2)使用预应力管桩作支护时，应选用桩身抵抗弯矩值较高的桩型。确定支护桩嵌固深度时，应注意使支护桩桩端进入较好持力层。

(3)采用预应力管桩对提高施工效率和缩短工期非常有利，同时对施工环境也无污染。施工时应严格控制桩顶标高一致，并采用跳打施工。

(4)内支撑式支护结构整体性好，刚度高，大大增强预应力管桩的抗弯能力，基坑位移容易控制，被设计人员乐于采用。

[1]徐醒华.高强预应力混凝土管桩设计和施工中的若干技术问题[J].广东土木与建筑，2004.01期.

[3]葛鹏.佴小彬预应力砼管桩支护体系的设计与施工地质学刊.2010，01期.