浅析PC工法桩在软土地层中的设计与应用.pdf

PC工法桩作为一种新型基坑围护工法，将钢管与拉森钢板相结合，共同作为基坑围护结构。本文通过浙江杭州萧山某项目基坑围护工程实例，阐述了PC工法桩在软土基坑工程中的设计思路、施工要点，分析监测数据并应用于实际工程中。研究与应用结果表明，PC工法桩的应用，能有效控制基坑变形，并阻止地下水渗入基坑内部，施工效率高且经济环保。在相似基坑工程环境中，应用与推广价值较高。关键词基坑工程PC工法桩围护结构软土地基1号引言江浙一带沿海地区场地多为软土地层，且含水量高、灵敏度高、易扰动，因此这些地区的基坑工程造价往往较高1-3。PC工法桩作为一种新型基坑围护技术，将钢管与拉森钢板相结合，具有良好的抗弯刚度和一定的止水作用，适用于软土地层的基坑应用环境，且能降低工程造价。近年来，PC工法桩技术逐渐在软土地层基坑围护中被广泛应用。本文从PC工法桩的应用出发，探究了软土地层中PC工法桩的应用对基坑变形与止水效果的影响，为软土地区类似工程提供经验参考。2工程概况该项目基坑围护工程位于杭州市萧山区湘滨路和张家里路交叉口西北地块内，东侧为张家里路，南侧为湘滨路，西侧为新开河流，北侧为空地。基坑开挖面积2 6 5 43m，开挖深度7.0 0 11.6 5 m。基础形式选用钻孔灌注桩基础。基坑安全等级为一级，重要性系数1.1。基坑围护结构平面图如图1所示。项目场地地貌属于冲海积平原区，地貌形态单一，地势较平坦，局部略有起伏。地质构造活动微弱，地震震级小、频率低。场地无明显断层及后期新构造活动迹象，也没有对工程影响较大的不良地质作用，区域稳定性较好。根据岩土工程勘察规范（GB50021-2001)（2 0 0 9)(4的要求，对各土层的物理力学日回格构式斜撑图1基坑围护结构平面图性质指标进行分层统计，并结合本地区的工程经验，得到土层物理力学性质指标，见表1。3围护结构方案比选基坑常用围护形式有：PC钢管桩+水平支撑、PC钢管桩+格构式斜撑、排桩（钻孔灌注桩)+水平支撑、排桩+锚索支护、SMW工法桩+水平支撑等。根据本工程地下室基坑的特点，遵循“安全、经济、方便施工”的原则，对各种围护方案进行技术可行性、经济合理性分析。3.1竖向围护体系选型分析(1)PC工法桩PC工法桩是一种绿色施工的可回收式钢质连续墙，工艺简单，成桩速度快，可拔出15表1土层物理力学性质指标快剪固快重度水平渗透系数垂直渗透系数层号土层名称内摩擦角黏聚力内摩擦角黏聚力/(kN/m)kh/(cm/s)kv/(cm/s)/()c/kPa/()c/kPa杂填土一一一粉质黏土18.95.00E-64.27E-6(9.6)(16.0)11.617.9黏质粉土19.28.26E-57.88E-521.58.421.68.82淤泥质黏土17.44.40E-73.80E-7(1.6)(5.6)6.29.9粉质黏土18.81.12E-6(1.00E-6)(8.0)(14.4)9.516.4粉质黏土19.76.90E-65.79E-610.636.812.938.2重复利用，具有高强、轻型、材质稳定、质量可靠、耐久性好、耐候性好、止水以及使用全过程无污染、施工便利、检查验收环节简便、重复使用经济性好的优点。(2)SMW工法SMW工法工艺简单，成桩速度快，工期短。受力结构和隔水惟幕兼顾，占用空间小，绝大多数情况下，型钢可拔出重复利用，降低工程造价。但型钢水泥土搅拌墙的刚度相对较小、变形较大。（3）钻孔灌注桩钻孔灌注桩排桩支护工艺成熟，质量易控制，造价较经济，可有效控制围护结构的内力和变形，减小基坑开挖对周边环境的影响。根据类似地区工程经验，采用排桩结合支撑有一定的可行性。3.2水平围护体系选型分析（1）钅钢筋混凝土水平支撑钢筋混凝土水平支撑承载力高、安全性好，能承受弯、剪、扭、压等复杂受力情况，可根据基坑的形状灵活布置，在浙江地区的应用非常广泛，积累的经验也比较多。因其具备变形小的特点，加上采用配筋和加大支撑截面的方法，可以提高钢筋混凝土支撑的强度，作为支撑的混凝土能充分发挥其刚度大和变形小的受力特性，同时能确保地下室和基础施工以及周边邻近建筑物、道路和地下管线等公共设施的安全。(2)锚索锚索施工不占用坑内空间，有利于土方开挖，施工便利。锚索造价低、施工速度快，且可根据基坑变形情况随时施加预应力以控制变形，可有效控制基坑开挖对周边环境的影响，但锚索在淤泥土中安全性较低，在本项目中不可行。(3）格构式斜撑格构式斜撑施工快、造价低。钢格构式斜撑适用于周边环境复杂、地质条件较差、周边临近建筑物不宜使用预应力锚索形式以及变形敏感区域的基坑支护，且可加大机械化施工程度，降低开挖成本。3.3基坑围护方案综合分析场地地理位置、土质条件、基坑开挖深度及其对周围环境的影响，本工程基坑开挖面积较大、深度较深，基坑开挖范围内主要为淤泥质土，且淤泥质土标高起伏较大。基于PC工法桩在施工效率、经济性、止水性等方面的优点，拟采用PC钢管桩+1道格构式斜撑支护的形式，如图2 所示，角部区域采用PC钢管桩+1道混凝土支撑支护的支护形式。4PC工法桩支护设计PC工法桩支护设计选取东侧基坑围护作为典型断面进行计算和校核。4.1计算简图基坑设计深度7.4m，基坑安全等级为一级，地面标高7 m。基坑围护典型断面计16C20喷射混凝土面层，厚8 0钢筋网片，0 6 2 0 0 2 0 06.00泄水孔YDL2格构式斜撑5 0 0 x500间距8 0 0 0000一层地下室止水片150001.40底板承创0.85拉森IV钢板，0.40000小止口施工素混凝土传力带4（强度钢底板）钢板桩长9 0 0 0，素土回填嵌入压顶梁10 03150PC工法组合钢管桩水泥搅拌桩?6 5 0 45 00800 x16水泥掺量18%12:000钢管桩长140 0 0斜向搅拌桩，倾角45%，直径0 140 0标高单位：m尺寸单位：mm图2PC工法桩+格构式斜桩剖面图算简图如图3所示。4.2参数设置钢管桩桩长14m，桩径0 8 0 0 mm，壁厚16mm，桩间距1.2 7 m，土层参数、荷载设置及超前斜撑参数如表2 表5 所示。4.3工况信息PC工法桩支护施加工况分5 步进行，工况信息表如表6 所示。4.4变形内力包络采用建筑基坑支护技术规程JGJ120-2012)5进行设计计算，变形内力包络图如图4所示。15209801.6311-12-19092-264-1荷载单位：kN尺寸单位：m图3计算简图4.5超前斜撑承载力验算4.5.1斜撑桩承载力验算表2土层参数厚度重度黏聚力内摩擦角地基土水平抗力系数层号土层名称/m/(kN/m)c/kPa/)m/(MPa/m)填土2.921810102粉质黏土1.119.221.68.832淤泥质黏土6.417.46.29.90.8粉质黏土12.219.712.938.24.5港工技术与管理2 0 2 3年第4期17表3工作荷载位置荷载/kPa地面20表4临近荷载荷载深度边距坡顶边距宽度长度/kPa/m/m/m/m/m150118.3713.520表5超前斜撑参数表桩型钢管桩桩混凝土C30直径/mm0450壁厚/mm18水平间距/m8长度/m15撑与竖直方向夹角/）45撑下最大开挖深度/m6.15表6工况信息表工况类型深度/m潜水位/m1开挖1.852.352加撑1.352.353开挖7.47.94换撑4.17.95拆撑1.357.9经验算可得，超前斜撑轴向力标准值N=2352.3kN，超前斜撑承载力桩特征值R=3030kN。因NR，满足承载力要求。4.5.2斜撑稳定性验算a%N/(Af)1a%N/(Af)1式中：%一作用基本组合综合分项系数，%=1.25;%一支护结构重要性系数，%=1.1；位移/mm弯矩/(kNm)剪力/kN400-4010000-10004000-4000000207.92.52.52.55.05.05.07.57.57.510.010.010.012.512.512.515.015.015.0反力/(kN/m）-3.731.5-251.3831.5-302.2287.1图4变形内力包络图N一超前斜撑轴向力设计值；一轴心受压构件的稳定系数，=0.865;A一斜撑截面面积，A=24429mm；f一钢材抗拉强度设计值，f=205N/mm。经计算，a%N/(Af)=0.71,斜撑满足稳定性要求。4.6地表沉降地表沉降距墙顶4.6 2 m处位移最大值31.2mm，小于45 mm，符合沉降要求 6 ,地表沉降计算结果如图5 所示。5施工工艺及要点PC工法桩支护采用直径0 8 0 0 mm、壁厚16mm的Q345无缝钢管。钢板桩型号为IV型拉森钢板桩，采用小锁扣扣打施工工艺，以起到止水作用。18港工技术，理2 0 2 3年第4期距离基坑边线距离x/m04.6210.89x=0 m,S=14.3 mmx=4.62m,S=31.2 mmx=10.89 m,S=0 mm图5地表沉降结果（工况5）钢管桩与拉森钢板桩采用2 台打拔桩机施工，打拔桩机由挖掘机加振动锤改装而成。施工时划分为2 条平行作业的流水线，沿围护结构由场地南侧向北侧逐幅打设。PC工法钢管桩在施工过程中，若遇硬土层难以贯入时，采用水刀法辅助钢管桩、钢板桩下沉工艺，钢管桩及钢板桩压入时控制垂直度不大于0.5%，并保证焊接质量。分层开挖基坑并及时铺设垫层，钢管桩或钢板桩与外墙之间用土回填，上拔钢板桩时要注意观察周围土体变化，应边拔桩边填砂或注浆。PC工法桩施工工艺流程图如图6所示。施工准备钢管桩、钢板桩进场清障开挖沟槽清障施打钢管桩、索具制作钢板桩压顶梁施工挖土进行地下室结构施工钢管桩、钢板桩回收桩孔隙回填图6PC工法桩施工工艺流程图6施工监测分析通过对周边管线、立柱、墙顶、周边建筑物、支撑轴力进行持续监测，得到监测数据汇总表如表7 所示。监测结果显示，各监测点位沉降、累计变化及变化速率均在允许范围内 6 。基坑围护典型断面位置处深层水平位移随时间变化曲线如图7 所示，可知土体位移稳定在15 mm以内，位移较小。PC工法桩支护施工效果如图8 所示，实际施工效果显示,PC工法桩在软土地层中的应用能有效控制基坑变形，并阻止地下水渗入基坑内部，支护结构安全可靠。表7监测数据汇总表监测项目变化速率/(mm/d)速率报警值/（mm/d）累计最大变化量/mm累计报警值/mm周边管线-0.612-9.0630立柱沉降0.3132.6625墙顶沉降0.5352.8945周边建筑物-0.371-4.9510支撑轴力2 213.8 kN3500kN7结论本文结合萧山某项目基坑围护工程实例,阐述了PC工法桩在软土基坑工程中的设计、施工要点，以监测数据为基础分析该支护体系的应用效果，并得到以下结论：(1）P C 工法桩采用0 8 0 0 mm16mm无缝钢管，钢管桩刚度大，能有效控制基坑变形；（2）P C 工法桩钢管桩的搭接采用小企口与拉森钢板桩连接，产生止（下转第2 4页）24港工技术理2 0 2 3年第4期上接第18 页）等需求对钢管桩设计使用寿命达到超长年限的制桩项目有着一定的指导意义。参考文献1港口工程桩基规范 J.JTS167-4-2012位移/mm024681012141602-6一82022.06.052022.06.15-10-2022.06.252022.07.05-12-2022.07.15/-1442022.07.252022.08.05-16-图7深层水平位移监测水作用；（3）型钢组合支撑体系承载力满足要求，施工便捷，整体性好，可靠性高；（4）P C 工法桩成桩速度快，可拔出重复利用，节约施工成本与工期，降低资源消耗，符合绿色支护的理念和要求。综上,PC工法桩的应用能有效控制基坑变形，并阻止地下水渗入基坑内部，且具有施工效率高、经济环保等优点，可为软土地区类似工程提供经验参考，具有较高的应用与推广价值。2海港工程钢结构防腐蚀技术规范 J.JTS153-3-20073涂覆涂料前钢材表面处理一一表面清洁度的目视评定第1部分：未涂覆过的钢材表面和全面清除原有涂层后的钢材表面的锈蚀等级和处理等级 J.GB/T 8923.1-2011图：施工效果参考文献1柯灵潮.PC工法桩在地下车库基坑工程中的应用J.建筑施工,2 0 18,40(7)：10 9 2 10 9 42赵豫鄂，曹杰，彭韬宇，成怡冲，龚迪快.PC工法桩在水上深基坑工程中的应用 J.施工技术（中英文)，2022,51(04):1331363金小荣，莫立成，吴国彬，郭永，严剑松.基于PC工法桩的PCC桩在超软地基加固的新实践 J.地基处理,2 0 2 0,2(0 2):116 12 04岩土工程勘察规范 S.GB50021-2001(2009)5建筑基坑支护技术规程 S.JGJ120-20126建筑基坑工程监测技术规范 S.GB50497-2009