PHC管桩应用于深基坑工程局限性实践探析

陈淑芳

(福建省水文地质工程地质勘察研究院 福建漳州 363000)

0 引言

预应力管桩具有单桩承载力高、施工速度快、工程造价低、不污染周围环境等优点，被广泛应用于基础工程中，以承受竖向荷载为主。而在基坑支护工程中，围护桩主要承受土体水平作用力，这就要求桩身具有足够的抗弯能力，如何将传统管桩的优点应用在基坑支护工程中，同时克服自身抗弯性能不足的缺点，成为一项极具价值的研究[1]。

基于此，本文以福建漳州港某深基坑工程为例，通过设计方案的比选、设计与工程实际应用效果几个方面，探讨预制管桩在深基坑工程中的应用及其局限性，为类似工程提供经验参考，并对管桩生产、设计应用等环节提出建议，扩大管桩在基坑工程中的应用范围[2]。

1 工程概况

1.1 项目概况

该工程位于漳州市招商局漳州开发区，拟建地下室大部为二层地下室，局部一层地下室，其中负一层地下建筑面积约38 000m2；负二层地下建筑面积约29 000m2。基坑开挖深度二层地下室为8.0～9.6m；一层地下室为4.1m～7.2m。

1.2 地质概况

根据该工程地勘报告，基坑支护影响范围内岩土分层如下：①杂填土，②淤泥，③粉质粘土，④土状强风化花岗岩。上层滞水稳定水位埋深为3.12m～4.95m。拟建场地地貌类型属于残坡积台地和冲洪积阶地的过渡地带，原为沿海养殖场，整体呈北高南低趋势，通过回填厚2.0m～9.0m，平均为6.73m杂填土后整平而得，杂填土主要成分为块石、碎石和粘性土等，块石、碎石等硬质物含量约占60%～90%。块石、碎石粒径一般为10cm～30cm，最大可达100cm以上，杂填土以下有淤泥等软弱土层，地质条件较复杂。

2 主要基坑支护技术问题

(1)拟建场地位于南滨大道以南，寨山六路以东，寨山五路以西，除南侧为该工程的二期用地外，其它各侧基坑边坡顶边线均受已建成的道路限制，而地下室开挖深度较深，基坑如出现较大变形将严重影响到周边道路及埋设于道路下管线安全。

(2)由于该工程的地质情况较复杂，基坑开挖面积较大，深度较深，杂填土层较厚，且块石、碎石等硬物质含量约占60%～90%，在这种硬物质含量很高且厚的地层中钻孔、成桩普遍存在成孔难、易塌孔等技术难题，且基坑底部有软弱下卧土层、水位较浅等不利条件，基坑支护结构作为临时设施又要比较经济，这对该基坑工程设计和施工都提出严峻的挑战。

3 基坑支护设计

3.1 设计方案比选

与该工程类似的基坑工程中，漳州地区运用较多且可行的支护体系方式主要有以下几种：

(1)排桩+内支撑

优点是：技术成熟，超前支护，基坑开挖对周边建(构)筑物影响小，可靠性高。缺点是：工程造价高，工期长。该基坑同时存在一层地下室与二层地下室，基坑深度差别较大，面积大且不规则，支撑体系布置困难，选用此方案成本高且设计困难。

(2)冲(钻)孔灌注桩+锚索

优点是：施工技术成熟，桩直径、桩长、配筋率可灵活调配，适用各类地层，抗弯强度可很好得到保证。缺点是：工程造价高，场地内存在较厚杂填土，硬物质含量高，冲(钻)孔灌注桩成孔、护壁困难，易形成夹泥层、蜂窝、空洞等病害，造成桩身质量隐患；另外，钻孔中需制备大量泥浆，也不利于环保[3]。

(3)PHC管桩+锚索

优点是：与灌注桩相比，PHC管桩具有能够批量生产、施工速度快、造价相对较低、不产生泥浆等特点。缺点是：管桩对地质条件要求较高，不适合应用在含有大块石的杂填土、坚硬土层和风化岩等地质条件下，受抗弯强度、桩长限制，其支护深度一般不大。而该工程场地内存在较厚且块石含量较高的杂填土， 若想采用管桩作为围护桩，必须先将上部填土挖出才能进行管桩施工，或者采用引孔施工，但是引孔造价相对较高，价格优势不明显。

综上分析：该工程地质情况较复杂，基坑开挖面积较大，深度较深，基坑工程设计时考虑到各坑段的地质情况、周边条件和施工可行性，若在基坑东、西、南侧采用第二种方案进行支护，测算造价约为2500万元；若采用第三种方案，其预算造价约为230万元。从经济合理性及类比周边基坑设计施工经验，且考虑到基础工程桩采用管桩，最后确定采用第三种方案。具体支护方案：在围护桩施工前，先将上部杂填土挖除，再分别采用管桩+锚索、土钉墙、分级放坡等多种支护形式配合。该方案既可大大节约工程造价、节省工期、保证工程质量，又可不干扰土方开挖与地下室施工。具体基坑支护平面布置如图1所示。

图1 基坑支护平面布置图

3.2 支护方案的主要设计思路及设计特色

(1)由于杂填土层较厚，且块石、碎石等硬物质含量约占60%～90%，施工前先将水位以上的杂填土挖除，然后在基坑底部周边挖排水沟和集水坑排水，拟在打排桩的桩位处提前挖出块石，按设计坡度进行刷坡和喷射砼护面施工，利用南侧二期用地修设坡道，使打桩施工设备能进入到基坑内施工，以最大限度地减少在杂填土层中的打桩成本。

(2)为使预应力管桩的抗弯强度能满足抵抗土压力，控制土体变形的要求，基坑支护工程在支护管桩顶部设置一层预应力锚索，局部剖面设置两层预应力锚索，由于冠梁标高以下仍有2m～3m杂填土层，因此该基坑支护设计建议采用空气潜孔锤偏心跟管钻具跟管钻进到杂填土以下地层，然后再用普通的钻孔设备施工，有效地解决了杂填土层中施工预应力锚索时无可避免的成孔难、易塌孔等技术难题。

(3)在硬物质含量高的杂填土中施工搅拌桩、旋喷桩等常规的桩间土支护方法，基本上是不可行的，基此，该基坑支护工程采用注浆锚管土钉墙作为桩间挡土支护形式，同时用泄水管将填土层中少量的滞水引出，并通过排水沟排掉，给桩间土的支护和排水探寻到一个比较可行的方案。

3.3 典型剖面计算

3.3.1设计方案简介

该工程的主要支护剖面——6-6剖面为例进行计算分析，支护剖面如图2所示，基坑支护方案如下：

图2 典型支护剖面图

(1)基坑上级放坡高度为5m，坡比为1∶1.0，坡面内挂14#2″×2″铁丝网，表面采用厚度为50mm的C20喷射混凝土护面。

(2)围护桩采用PHC500-100-AB管桩，桩间距为900mm，桩长为10m。

(3)拉锚结构采用注浆预应力锚索，钻孔直径110mm，锚杆体采用φ15.2的全粘接钢绞线，竖向设置两排，第一排设置在冠梁上，第二排在锚索锚头处设置20#槽钢拼接腰梁，距第一排竖向间距为2.60m，锚索横向间距为2.70m。

(4)管桩内采用C30无收缩细石混凝土填芯，填芯长度不小于2m。

(5)桩间土设置一排锚管φ48×3.0，竖向间距为1.50m，长度为2.0m，坡面内设φ8@200×200钢筋网，表面采用C20喷射混凝土，厚度为100mm。

3.3.2设计方案计算

基坑支护设计计算，采用北京理正软件设计研究院的深基坑支护结构软件F-(SPW7.0版)，计算参数如表1所示。

表1 岩土体基坑支护计算参数表

开挖至坑底后，计算结果如图3内力位移包络图、表2内力取值表所示。

图3 内力位移包络图

表2 内力取值表

3.3.3PHC管桩设计

从图3及表2可看出，排桩最大位移为15.72mm，根据工程经验，满足要求；桩身最大弯矩Mmax=106.53kN·m(取内力设计值)，根据《建筑桩基技术规范》(JGJ 94-2008)：PHC500-100-AB型管桩的抗裂弯矩检验值Mcr=121kN·m，极限弯矩检验值Mu=200kN·m，该桩Mmax=106.53kN·m

4 施工效果及监测结果分析

该工程自2013年12月初开始开挖上级土方，至2014年3月下旬基坑土方开挖完成，历时约4个月，合计开挖土方约310 000m3。因土方开挖、工程桩施工、基坑支护等工序能穿插进行，一定程度上缩短了施工工期。

至2014年12月20日基坑土方回填完成，经专业的监测单位对工程基坑的变形进行监测，坑顶最大累计水平位移量25mm，桩身最大累计水平位移量15mm，最大累计沉降量5 mm，均未超出预警指标；各个监测点的锚索拉力都未超过其轴向拉力设计值，满足相关设计与规范要求。从基坑变形监测结果看，该基坑在土方开挖及基坑使用期间总体稳定，未出现过基坑险情。

5 管桩作为基坑围护桩的局限性及改进方向探讨

(1)受管桩施工工艺的限制，管桩对地质条件要求较高，如若应用在含有大量块石的杂填土层、坚硬土层和风化岩等地质条件下，存在穿透力弱、易爆桩等缺点，但该工程实践表明，该缺点并非不可克服。该工程场地内存在较厚的硬物质含量高的杂填土，采用先放坡开挖基坑，尽可能挖除杂填土中的块石，再用锤击方式施工管桩的方式，解决了管桩不适宜用在块石占比较高的杂填土中的施工问题，放坡完局部还有2m～3m杂填土，可以利用挖掘机开挖清除块石，然后采用锤击桩也能较为顺利地打入管桩，无需进行引孔。

(2)抗裂弯矩小是管桩在基坑工程中运用的局限性之一，该工程选用PHC500-100-AB型管桩，抗裂弯矩仅为121 kN·m，与灌注桩相比，管桩的抵抗弯矩过小，不适合应用于基坑深度较深，土压力较大的工程，但该工程通过增设锚索降低管桩的桩身所承受的弯矩，这种桩锚支护方式是一种比较好的复合支护方法，选择合理的复合支护方法，也是提高管桩在基坑工程中应用的有效技术途径。同时，也可通过管桩桩芯补强技术，即利用管桩的内径空间，在桩芯内现浇钢筋混凝土，形成桩芯桩，与原管桩形成一个整体共同工作，从而提高管桩的抗弯强度。

市场上也存在抵抗弯矩较大的管桩，如预制高强钢管混凝土管桩(SC桩)、混合配筋预应力混凝土管桩(PRC桩)等通过与钢管结合或增加配筋等方式增强管桩的抗弯抗剪性能，但这几种桩型在漳州地区的基坑支护工程中还不多见且价格上不占优势。厂家应加强生产工艺技术创新，通过增加配筋和合理运用预应力等方式，生产出抗弯能力好又经济的预应力管桩，从而促进其在基坑支护工程中的推广应用。

(3)管桩的桩长受运输条件限制，一般不超过15m，管桩接口一般不具备可靠的抗弯性能，所以就决定了管桩只能应用于基坑深度较浅的工程中，这也是管桩在基坑工程中运用的局限性之一。加强对管桩抗弯接头的研究，可使其突破桩长的限制。管桩接头机械连接技术现已推广应用，该连接方式不仅可以传递压力，也可承受弯矩、剪力及拉力；同时，也可配合管桩桩内填芯补强等方式提高接头的抗弯抗剪性能，但机械连接接头成本较高，且其是否能承受基坑水平荷载还有待今后研究试验和工程实践。

6 结语

通过不同支护形式的对比，结合该工程的实际应用及对管桩局限性的浅析，作出以下总结：

(1)基坑支护设计方案的选择对工程造价的影响非常大，有时甚至会翻倍。基坑工程通过选择合理的复合支护方案，可以取得很好的经济效益，且能大大缩短工期。

(2)现阶段预应力管桩在基坑支护工程的应用中，存在对地质条件要求高、抗弯能力较弱、桩长短且不适宜接桩等缺点，导致其只适用于深度较小的基坑工程中，适用范围有很大的局限性。

(3)通过对管桩局限性的浅析，可以从以下方面进行改进，以促进预应力管桩在基坑工程中的推广应用：①可以通过选择合理的复合支护方式或采用桩芯补强技术等方式，从设计应用上调整方案，扩大管桩在基坑支护工程中的应用范围；②管桩生产厂家应加强生产工艺技术创新，通过增加配筋和合理运用预应力等方式，生产出抗弯能力好又经济的预应力管桩；③加强对管桩接头的研究，从而突破桩长的限制，使管桩更好的运用于较深的基坑工程中。