预应力悬臂支护结构在基坑工程中的应用

张 颖

(云南建投第一勘察设计有限公司,云南 昆明 650011)

0 引言

随着老城区地下空间的利用程度越来越高，建设场地的环境条件日趋复杂。这些新建建筑普遍设置2层地下室，开挖深度在10.0 m左右，悬臂排桩支护体系非常适合。但悬臂排桩支护体系变形偏大的缺点，严重威胁周边建筑物、道路、地下管线安全的问题，需要重点解决。龙湖天琅中心基坑工程在预应力技术和施工工艺上做出了成功的探索，希望能对类似工程的设计和施工中提供一点参考。

1 工程概况

建设场地位于昆明市主城核心区，毗邻环城南路主干道，东西长115.0 m，南北宽90.0 m，基坑周长417.0 m，整体设2层地下室，基坑深度9.5 m～10.0 m。项目建筑包括2栋住宅、2栋商业(办公)楼及配套用房。

1.1 工程地质

基坑施工影响深度范围内的地层主要为第四系全新统人工堆积层、冲洪积层和冲湖积层，见表1。

表1 土层物理力学指标

1.2 水文地质

地下水类型主要为孔隙型潜水，稳定水位埋深为0.8 m～4.3 m。

地下水主要赋存于①,②1,③2,④2层中，富水性较好、地层渗透系数较大。

1.3 基坑周边环境概况

1)建筑。场地东侧距昆明市第十二中学6层和7层教学楼16.0 m，建筑为框架结构，浅基础。场地西侧距云南省公路局6层职工宿舍11.0 m，建筑为砖混结构，浅基础。场地北侧距银杏金川小区28层民房10.0 m，建筑为框架结构，桩基础，两层地下室(见图1)。

2)道路。场地南侧紧邻环城南路，东侧和北侧紧邻银杏金川小区道路。

3)管线。场地周边市政管线密布，主要有供电、供气、给排水、雨污水管和电信、照明线路，基坑环境保护要求高。

2 基坑支护设计

根据基坑工程的规模和所处的环境条件来分析，本基坑工程具有以下几个特点：

1)场地狭窄，基坑周边环境保护要求高。

2)基坑开挖影响范围内的土层物理力学性质较好，为可塑～硬塑状态的黏性土和稍密～中密粉土、砾砂。

3)业主单位对工期要求高，不希望使用内支撑。

2.1 挡土结构优化设计

本项目拟建的4栋高层分布于东西两侧，出土口位于环城南路侧中段，为减小土方开挖对主体施工的影响，加快主体施工进度，东、北和西侧采用普通悬臂支护排桩，南侧采用预应力悬臂支护排桩。

2.1.1考虑预留土台作用

参考文献[1]～[3]，支护挡土结构前预留土台对挡土结构的水平位移起一定限制作用，也可以提高基坑开挖侧一定深度内的土体的水平向基床系数，相当于增加了挡土结构的嵌固深度。

参考文献[4]，在反压土的高度范围内设置弹簧以反映对挡土结构水平位移的限制作用；对被动区坑底以下土进行刚度修正，以考虑反压土的影响，计算简图见图2。

参考文献[4]，于任意深度z处的水平向基床系数按如下方法确定：

当：

0≤z≤z0时，k=αβmz

(1)

当：

z0≤z≤zL时，k=αβmz0+m(z-z0)

(2)

当：

zL≤z≤zc时，k=m(z-z0)

(3)

其中，z为从预留土台顶面到计算点的深度，m；z0为预留土台的高度,m；m为地基基床系数随深度变化的比例系数；α为预留土台的形状系数；β为由于预留土台存在临空面，使得土体产生变形，考虑这种影响而引入的松弛修正系数，可根据土质条件、反压土顶宽、坡度、高度、降水效果、工期，并结合经验综合确定。

当0≤z≤z0时，计算得到：αmin=0.90,βmin=0.5；当z0≤z≤zL时，计算得到αmin=0.75,βmin=0.85,在0≤z≤zc深度范围内，分布为③1层黏土和③2粉土互层，取③1层黏土m=6.0 MN/m4，③2粉土层m=9.0 MN/m4，对比计算结果见表2。

表2 验算成果一览表

上述结算显示，预留土台的存在对坑底以上悬臂段支护结构的变形、内力起到了明显地抑制作用。

2.1.2考虑预应力作用

1)挡土结构配筋优化。

参考文献[6][7]，悬臂式挡土结构可视为受弯构件,所受弯矩是定向的,可根据计算结果只在受拉一侧配置受力钢筋,而在受压侧只需配置构造钢筋，受拉钢筋可用高强度预应力钢绞线代替。挡土结构在同样荷载作用下配置高强度预应力钢绞线的数量比普通钢筋的少,而且适当的预应力可减小桩顶位移。为了尽量发挥预应力筋的作用,可以考虑在配筋角度内不均匀布置钢筋。

根据文献[6][7],可推出截面一侧均匀配置预应力筋的计算公式：

(4)

(5)

其中，α1为系数,当混凝土强度等级不超过C50时,取1.0,当混凝土强度等级为C80时,取0.94,其间按线性内插法确定；R为圆形截面半径；Rs为预应力筋重心所在圆周的半径；Ac为圆形截面面积；Ap为全部预应力筋的截面面积；σpu为预应力筋的极限应力,对无粘结筋取0.9fpy,fpy为抗拉强度设计值；α为对应于受压区混凝土截面面积的圆心角,rad；αs为对应于预应力钢筋分布范围的圆心角(配筋角度)。

根据式(5)，受拉侧配置预应力筋所需的预应力钢绞线面积和配筋角度总体呈正相关的关系；当配筋角度在90°范围内时，增长速率较缓,当配筋角度超过90°增长速率陡增。通过对计算结果的分析，把配筋角度控制在90°左右可实现较好的经济性和施工便利性。

取αs=π/2时，代入式(5)得：

(6)

根据式(6)，当受拉侧预应力筋设计参数不变时，桩所能承受的极限弯矩对桩径变化更敏感。因此,当需要承担较大弯矩时,优先考虑增大桩的截面以及增加预应力筋的数量。

根据式(6)，分别计算直径为1.5 m的圆形截面在弯矩为1 810.69 kN·m作用下,单侧配置普通钢筋和单侧配置预应力筋的配筋方案，挡土结构采用C30混凝土,fc=14.3 N/mm2；当采用HRB400级普通钢筋时,fy=360 N/mm2；当采用预应力钢绞线φ15.24(1×7)时,fptk=1 860 N/mm2,fpy=1 320 N/mm2,单根钢绞线公称面积为139 mm2，配筋方案见表3。

表3 配筋表

由表3可见,方案一计算的支护桩桩径、嵌固段深度和配筋量最大，经济性差；方案二(配置普通钢筋)的计算配筋量大于方案三(配置预应力筋)。方案三与方案二比较，用钢量减小43.1%,桩顶水平位移减少了19.98 mm，经济优势明显；由于增加了预应力，它控制桩顶位移的优势与普通钢筋混凝土支护桩相比是明显的。支护结构剖面如图3所示。

2)考虑预应力作用的桩顶位移。

配置预应力钢绞线时,桩顶HA=0,MA=-Mpe。其中Mpe为预应力钢绞线引起的有效偏心弯矩,经计算得Mpe=845.5 kN·m,桩顶位移XA=22.7 mm。

3)预应力筋构造要求。预应力支护桩中配置无粘结预应力钢绞线,采用后张法施工，夹片式锚具作为张拉端，钢绞线与浇筑的混凝土形成粘结而作为固定端。钢绞线与混凝土的粘结长度可按现行混凝土结构设计规范计算。

2.2 施工总体部署

土方和主体施工分四个阶段进行,文献[8][9]。

1)第一阶段：土方分层分段开挖至-6.5 m后，进行工程桩施工。

2)第二阶段：采用“盆式开挖”法进行土方开挖，周边预留土台采用1∶1放坡，土台高度和宽度取4.0 m。

3)第三阶段：采用分层、分段、跳仓法进行土方开挖施工，挖除东、西和北侧三侧预留土台，土方开挖至筏板垫层底后，24 h内完成分区垫层浇筑，7 d内完成筏板浇筑，预应力悬臂桩段预留土堤暂不开挖。

4)第四阶段：“盆底”筏板封闭后，按10.0 m～15.0 m分段长度，分层、跳仓开挖预应力悬臂桩段预留土台，前序开挖范围内筏板封闭，强度达到设计要求后方可开挖后续预留土台。筏板边至支护桩间采用400 mm厚C20素混凝土浇筑，形成板底支撑。

2.3 截水帷幕设计

根据桩距不同，与支护桩咬合布置2颗～3颗直径550.0 mm的单轴水泥土搅拌桩，隔断坑内、外地下水的联系。

3 施工过程问题处理

3.1 处理北侧地块锚索越界问题

基坑北侧(银杏金川花园小区)段存在相邻地块基坑支护时使用的预应力锚索等地下障碍物，原截水帷幕方案无法实施，后期调整为φ800双重管高压旋喷桩(与排桩咬合布置)，顺利施工完成。

3.2 处理北侧坑壁局部渗水问题

基坑开挖过程中，在基坑北侧转角处圆砾层中出现一处水量较大的漏水点，水体浑浊，有臭味，经调查确认渗漏水体源自一条废弃的污水管。处理方案首先采用砂袋围堰蓄水反压缓解漏水情况，然后在漏水点处排桩外侧采用双液灌浆处理，漏水点随即被有效封堵。

2019年5月19日，基坑西侧率先开挖至设计标高，见图4。

4 基坑监测结果

本项目基坑监测项目包括：桩顶位移、土体深层水平位移、支护结构内力、周边建筑(管线)位移、地下水位等，严格按照既定的施工总体部署组织现场施工。2019年5月，基坑西侧首先开挖至设计标高，同年10月，全部基坑完成回填，典型剖面深层水平位移监测结果，见图5。南侧预应力悬臂桩支护结构冠梁上每隔20.0 m布置一个桩顶水平位移观测点(编号：ZD-1～ZD-7)，监测数据见图6。

监测结果显示，土体深层水平位移实测值均小于理论计算值。方案二最大深层水平位移实测值为39.5 mm，方案三最大深层水平位移实测值为19.2 mm，采用预应力悬臂支护桩技术可大幅度减小支护结构变形。在采用方案二的支护剖面内，两端受相邻支护桩支承作用变形较小，中部支护结构水平变形最大。

5 结论

1)在基坑深度不大，预留土台范围内土体物理力学性质较好的情况下，基坑内侧预留反压土是一种经济的支护形式。本文工程实例中，采用预留土反压时，降低了悬臂支护桩桩径、嵌固段深度和配筋量，节约了投资，满足了工期要求，现场施工方便、文明。

2)工程实践表明：预应力悬臂桩技术与普通悬臂排桩支护结构相比，可以有效地降低含钢量和支护结构的水平变形，有较大的工程应用价值。

3)悬臂支护结构的位移随着基坑暴露时间和土压力释放速率的增加而增加，工程实践中通过支护工程、土方工程和主体结构施工的密切配合，有效地缩短了基坑暴露时间，土压力在受控的状态下逐渐释放。监测数据显示，悬臂支护结构对周边环境的保护是有效的。