深基坑工程涉及基础工程、工程结构、工程地质和施工技术等领域,是一项综合性很强的工程^[1] 。由于属于临时性工程,基坑工程发展伊始,其安全性和重要性并不为建设者和工程界所重视,导致基坑事故频发,引发了社会和工程界的广泛关注^[2,3,4] 。同时,随着国家产业结构的调整,粗放式、高耗能的传统基坑支护结构与施工技术逐渐向低排放、少污染的方向发展。为此,预制化和工厂化也逐渐为基坑支护工程界所重视。预制化预应力管桩作为预制化和工厂化的重要代表,也开始在基坑支护中得到应用^[5,6] 。

预应力管桩复合支护结构(prestress concrete cube-pile cement-mixed wall,PCMW)是将预应力预制管桩插入深层搅拌桩中,形成挡土、止水一体化支护结构。本文首先介绍了预应力管桩复合支护结构的原理和施工工艺,通过开展某软土超大深基坑工程的设计和监测分析,结合管桩构件的抗弯试验研究,给出了该工艺在超大软土基坑中的应用效果。

图1和图2给出了预应力管桩复合支护结构的构造及其施工流程。首先,施工三轴或双轴深层搅拌桩;然后,用起重机将预制管桩吊至现场并下沉到设计标高;最后,固定管桩,完成一个支护结构单元施工,着手准备下一支护结构单元施工。

目前,预应力管桩复合支护结构已经在近20项工程中得到应用,取得了一定的工程示范效应。结合已有工程分析可知,预应力管桩复合支护结构主要适用于需要增设止水帷幕的砂土和土质较差的软塑~流塑状态的软土,而对于土质相对较好的、可塑条件以上的黏性土适用性则较差。同时,受到管桩抗弯、抗剪能力、场地运输条件的限制,目前管桩对于3层以上地下室的应用受到限制较大。尽管目前已经在3层及14m以上基坑中得到应用,但这些基坑的面积较小且周边存在放坡空间,不足以说明该结构的适用性。

紫金(建邺)科技创业特别社区一期AB地块项目位于江苏省南京市新城科技园内,主体结构由办公主楼、裙房、连廊和3层连体地下车库组成。基坑面积5.87万m²,基坑开挖深度为13.75~18.00m。场地地貌单元为长江漫滩,基坑开挖影响深度范围内主要以杂填土、素填土、流塑状淤泥质粉质黏土和密实的粉细砂为主。基坑剖面及其典型地质剖面如图3所示。

相比于一般的基坑工程,本工程具有以下特点:①基坑面积大达到58 730m²,基坑变形的空间效应显著;最大支撑长度达150m,导致支撑刚度较小。②开挖深度大典型开挖深度约13.75m,最大开挖深度达18.00m。③土质条件差基坑开挖范围内以流塑状的淤泥质粉质黏土为主。

根据基坑深度、土质状况和地下室设置情况,本项目的基坑支护设计方案为双排桩方案,即在前排和后排850双排三轴深层搅拌桩内分别插入PHC800(130)C和PHC800(110)C型管桩作为竖向挡土和止水结构,前排桩间距1 200mm,后排桩间距2 400mm。水平方向上采用3道桁架式混凝土支撑抵抗水土压力并提供支点刚度。典型的基坑支护剖面如图3所示,支撑平面布置如图4所示。

典型剖面基坑支护内力与位移标准值的单元计算包络图如图5所示。从图5可以看出,最大弯矩和变形发生在基坑坑底以下2.0m左右,因此本项目的控制工况为基坑开挖到底。同时,由于本基坑的面积较大,基坑变形的空间效应显著,为此,建立了基坑支护的三维有限元模型,分别计算各工况下的基坑变形和支护桩内力状况,如图6所示。

表1给出了各支护段单元和整体计算的最大内力包络值。从表1可知,前排桩和后排桩的最大弯矩设计值分别为879.23k N·m和879.98k N·m,最大剪力分别为498.71k N和446.60k N。表2给出了PHC800(130)C和PHC800(110)C型管桩的设计弯矩和剪力^[7,8] 。对比表1和表2可以得知,基坑支护的设计弯矩和剪力均满足要求。

对比表1和表2结果得知,前、后排桩弯矩的安全储备系数为1.20和1.12,而剪力的安全储备系数为1.25和1.23,后排桩的弯矩安全储备系数相对较低。但是,作为临时性支护结构,规范与图集所提出的设计弯矩相对保守。为此,开展了2根管桩的抗弯性能试验,分别获取其开裂和最终的极限弯矩。

图7给出了抗弯性能试验装置和结果的散点曲线。从图7可以看出,2根管桩的开裂弯矩分别为804.7k N·m和835.6k N·m。以裂缝宽度达到1.0mm定为破坏准则,2根管桩最终的极限弯矩分别为1 646.5k N·m和1 733.2k N·m,是设计弯矩强度的1.67倍和1.76倍。结果表明,规范给出的弯矩设计强度值偏于保守,具有较大的安全系数。由于基坑支护结构属于临时性结构,相比于永久结构,其安全性要求可以适当降低。

由上面分析中可以知道,当基坑开挖至坑底时,支护桩的内力(弯矩)和变形最大。图8给出了开挖至坑底时,基坑四周中点位置处的深层位移(监测点布置如图4所示)。从图中可以看出,基坑长边中点位置处的支护桩最大变形显著高于短边,呈现典型的空间效应;同时,通过图8可知,各检测点的最大变形显著高于计算值。结合类似工程设计经验,该类土质的水土压力明显高于计算值,因此有必要根据监测数据反演得到管桩的受力状况,以评估其安全性。

由于实际支护结构受力模式与模型试验间存在差异,无法直接采用弯矩-挠度的相关性图形反推出桩体弯矩。为建立试验曲线与监测曲线之间的相关性,需要对监测曲线的曲率进行计算。首先采用最小二乘法对监测数据进行曲线拟合,求得各段曲线的斜率;然后,计算得到试验曲线最大挠度处的曲线斜率随弯矩的变化曲线;最后,对比监测结果的拟合曲线斜率与试验曲线,即可获取与监测曲线对应的管桩弯矩状态。

表3分别给出了4个监测点对应的管桩最大弯矩计算值。从表中可以看出,管桩弯矩的最大值接近1 200k N·m。对比表3和试验结果可知,管桩的弯矩值超过了开裂弯矩,但仅为试验强度值的61%~71%,还存在较大的安全空间。同时,管桩的弯矩均已经超过开裂弯矩,管桩刚度发生退化,这也是造成深层位移监测值显著大于计算值的一方面原因。

本文以某软土超大深基坑示范工程为背景,介绍了预应力管桩复合支护结构在软土超大深基坑工程中的应用情况,结合力学计算、试验研究和监测分析,获取了预应力管桩对于该类基坑工程的支护适用性特征,主要研究结论如下。

1)抗弯试验结果表明,抗弯强度试验值比规范推荐值高50%以上。然而,规范推荐值是为永久性结构设计服务的,由于基坑支护结构属于临时结构,可以考虑结合工程规模和重要性适当降低安全储备。建议当荷载效应设计值超过规范推荐强度时,可以结合模型试验结果最终确定管桩力学强度指标或设计方案。

2)现场监测结果表明,预应力管桩具有较大的延性,能够在过大的水土压力作用下保持结构的整体性。尽管管桩的变形远远大于设计值,但是管桩的强度储备存在较大空间。但是监测值与计算值之间显著差异性表明,管桩开裂后的刚度退化较大,应当在设计时合理选取管桩设计刚度。同时,可以考虑对现有管桩构造进行改进,以提高管桩的开裂弯矩和支护刚度。

3)基坑监测情况表明,除深层位移较大外,其他指标均正常,说明预应力管桩复合支护结构在软土超大深基坑工程的适用性较好。但是,预应力管桩目前的支护设计指标尚未完全成熟,需要在今后的工程应用中继续积累类似工程经验,为该技术的继续完善提供支持。