深基坑预应力管桩施工技术要点

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　　摘要：本文结合某工程的基坑支护，对预应力管桩用于深基坑支护的施工工艺和技术要点进行了探讨。
　　关键词：基坑支护；预应力管桩；施工要点
　　
　　1引言
　　本文针对预应力管桩用于深基坑支护工程的特点，对其设计方法进行了探讨，结合广州市某工程的基坑支护，对其施工工序和技术要点进行了阐述，这也是该桩型在深基坑支护工程中的首次应用，最后根据该工程的实际情况进行了技术经济比较。
　　2支护桩正截面抗弯承载力设计
　　2.1环形截面均匀配筋设计
　　对于基坑支护工程，桩身截面的竖向力很小，主筋的配置一般按正截面受弯承载力设计。对于预应力管桩的受弯承载力配筋计算，可根据文献中的偏心受压承载力公式，并将式中左端的N、Nη•ei分别换为0和M，并将“≤”取为“=”，即可得到预应力管桩均匀配筋的计算公式：
　　式中，A为环形截面面积；Ap为沿周长均匀配置的纵向预应力钢筋的截面面积；r1、r2为环形截面的内外半径；rp为纵向预应力钢筋重心所在圆周的半径；σp0为预应力钢筋合力点处混凝土法向应力为零时的预应力钢筋应力；α为受压区混凝土截面面积与全截面面积的比值；αt为受拉钢筋截面面积与全部纵向钢筋截面面积的比值，大于2/3时取0；联立公式1～3，即可求得预应力钢筋的配筋量。
　　2.2环形截面的非对称配筋设计
　　由式（1）～（3）沿周长均匀配置纵筋，如此可抵抗压力及来自不同方向的弯矩，但如支护桩只承受定向的水平力和弯矩，在弯矩设计值较大的情况下，采用均匀配筋往往导致很高的配筋率，或需要更大的桩径，而且受压区钢筋难以发挥作用，这无疑是一种很大的浪费，因此在配筋设计时可采用非均匀布置，以节约投资。由文献的推导原理，按照尽量将钢筋布置在屈服区的原则（钢筋应变εs≥fy/Es的区域），可得
　　式中，αstAp0为受压钢筋总量，配置在2αscπ对应的圆弧上；αstAp0为受压钢筋总量，配置在2αstπ对应的圆弧上；Ap0为纵筋数量基数，单位αsc或αst时的配筋量。
　　3环形截面抗剪承载力的计算方法
　　由于管桩并非实心截面，因此管桩与支撑或圈梁连接部位的抗剪能力较实心桩薄弱。除了采用相应的构造措施外（见下文），其斜截面承载力V的计算公式可按矩形截面的相应公式推得。对于矩形截面，有
　　将式（9）中的b，h0分别以1.76r和1.6r代替，可得
　　式中，Vcs为混凝土和箍筋的受剪承载力设计值；Vp为预应力对抗剪承载力的提高；Np0为计算截面上混凝土法向预应力等于零时的钢筋合力，按文献计算；fyv、Asv、s分别是箍筋抗拉强度设计值、截面积和环矩。
　　4支护桩施工工艺
　　根据预应力钢筋张拉时间的前后，支护体系中的管桩可分为先张式和后张式。对于不需要接长的管桩，宜采用先张式；若管桩需要接长，可采用后张式。两种管桩的沉桩工序相似，下面主要介绍后张式管桩的施工工序，主要包括：沉桩、桩身连接和预应力钢筋张拉等。
　　视不同的土质情况，管桩的沉桩工艺可选择振动、锤击、钻孔或几种方法的组合。振动法或锤击法适合在淤泥质粘土等较软土层中施工，钻孔法适用于粉质粘土、砂性土等较硬的土层。图1、图2给出了一种新的支护形式，即在深层搅拌桩施工之后（初凝前），利用吊机将管桩拎起，靠管桩的自重使其插入到深搅桩内，形成管桩-深搅桩复合挡墙（类似于SMW工法，但其承载力大大提高），使支护挡土合二为一，管桩内的水泥土在有侧限的状态下强度可以得到进一步提高（无侧限水泥土抗压强度一般在1～4MPa），经试验发现带有水泥土的管桩的抗弯承载力可与同直径的C30灌注桩相接近（相差仅3%）。以在上海地区完成的先张法预应力管桩试桩为例（20m长、管径800、壁厚110mm），管桩在深搅桩中的沉桩过程仅为1～3min，考虑到搅拌桩施工以及桩基就位等工序的时间，一天成桩的数量可达10根以上，而相同条件的钻孔桩每天仅可成桩1～2根。
　　
　　图1管桩-深搅桩复合挡墙
　　
　　图2复合挡墙的现场施工
　　对于后张法管桩，其桩节的连接性能将直接影响到整桩的承载力。对于桩身混凝土可采用环氧砂浆进行粘结，而预应力钢筋接头可采用螺旋直纹套筒，如必要，也可以在管桩连接处焊加强钢环。
　　对于管桩和支撑的连接部位，宜浇注混凝土带以避免围檩与管壁连接处的局压破坏，如图3、图4所示。
　
　　图3支撑与钢围檩连接处的节点处理（平面）
　　
　　图4支撑与钢围檩连接处的节点处理（立面）
　　5预应力管桩在深基坑支护中的应用
　　为了推动预应力管桩在深基坑支护工程中的应用，经过充分探讨，在广州市某工程中采用大直径管桩作为试验段，该区段的支护剖面如图1所示。
　　该支护段的土层情况参见见表1。经设计，管桩选用外径1.2m、壁厚150mm，间距为1.4m，混凝土标号C60，桩节长度为4m和8m。预应力钢筋采用HRB400级，利用螺旋直纹套筒进行连接，钢筋张拉控制应力为0.65fyk。根据式（4）～（7）的计算结果，钢筋采用了非均匀的布置形式（见图5），即钢筋布置在预计的屈服区以节约总钢筋用量。
　　
　　图5基坑支护剖面
　　由于大直径管桩的直径达到1.2m，间距1.4m，净距仅为0.2m，且桩身质量更易于保证，不会出现钻孔灌注桩常出现的颈缩、断桩情况，因此该段的止水采用了管桩间设置旋喷桩的措施（准600），简化了止水措施。[!--empirenews.page--]
　　本工程的上部土层较软，而下部由于存在硬塑状态的亚粘土，沉桩难度较大，因此采用了锤击结合引孔的方法，即桩尖（桩节）就位后，采用筒式柴油锤（质量3500kg）进行送桩，遇到较硬土层，利用旋挖机钻孔（准800）取土，之后再利用锤击进行沉桩。由于桩尖采用的是环形开口截面，且引孔直径小于桩径，因此随着沉桩的进行，桩端的土会不断地被切削下来进入桩内。
　　
　　图6基坑开挖
　　为了保证周边道路、地下管线和支护结构自身的安全，基坑开挖过程中对支护结构变形和内力进行了监测。监测结果显示，开挖至基坑底时支护桩的最大位移只有22mm，位于坑底以下0.5m处，圈梁顶部最大位移15mm，邻近建筑的最大累积沉降量为7.0mm，这些指标均小于临近钻孔桩区段的监测值，可见采用大直径预应力管桩是可行的，并且对于控制变形的效果显著（见图6）。
　　为了保证周边道路、地下管线和支护结构自身的安全，基坑开挖过程中对支护结构变形和内力进行了监测。监测结果显示，开挖至基坑底时支护桩的最大位移只有22mm，位于坑底以下0.5m处，圈梁顶部最大位移15mm，邻近建筑的最大累积沉降量为7.0mm，这些指标均小于临近钻孔桩区段的监测值，可见采用大直径预应力管桩是可行的，并且对于控制变形的效果显著。
　　尽管该支护段场地狭窄，管线密集，但管桩的施工速度仍然大大超过传统灌注桩，平均每天可成桩4～6根（2个台班），而临近钻孔灌注桩区段每天仅可成桩1～1.5根。此外，支护桩总造价约为1053元/m，较原设计（准1200钻孔桩，1210元/m）减少约13%。
　　6结语
　　尽管预应力管桩用于基坑支护的设计方法和施工工艺目前尚未达到完善，但是该桩型的合理性和优点确是显而易见的，不仅桩身质量易于控制，施工方便快捷，环境污染小，刚度大，承载力高，在一定情况下，还可以做到挡土--止水合二为一，具有传统钻孔灌注桩所没有的多种优点，因此非常值得在今后的基坑工程中进行探讨和推广。
　　
　　参考文献：
　　[1]谢庆道.联体筒桩成孔器[P].中国专利:ZL01244439.1，2002210230.
　　[2]朱向荣，叶俊能，姜贤放，等.沉管灌注筒桩的承载特性浅析[J].岩土工程学报，2003（5）：538-542.