PHC管樁在深厚軟土地區駁岸擋墻中的應用研究
——以福州青口某工程為例

石金華

(福州市建筑設計院 福建福州 350001)

0 引言

福州屬于河口盆地，整個城市的發展與閩江烏龍江等水系關系密切，隨著經濟的不斷發展，許多沿河建筑拔地而起，在建設過程中，為了保證場地的安全，臨河面通常需要設置駁岸。駁岸根據場地周邊環境等條件選取不同的支護型式，當場地空間允許，一般以生態護岸為主。當場地局限時，一般以重力式擋墻為主，擋墻下采用沖(鉆)孔灌注樁或者水泥土攪拌樁加固[1-2]。然而，在福州一些地區，由于深厚淤泥存在，若灌注樁或水泥土攪拌樁樁底未達到穩定地層，駁岸擋墻的工后沉降往往非常大。先張法預應力高強混凝土管樁(以下簡稱PHC管樁)作為當前承受豎向荷載的一種主力樁型，在駁岸擋墻支護中應用的卻不多，主要是因為管樁的水平承載力較低；因此，如何在具體的駁岸擋墻設計中，既充分發揮PHC管樁豎向承載力，又能最大程度利用PHC管樁的水平承載力，值得探討。本文以福州青口某項目的駁岸擋墻工程為例，根據該項目特點和現場的實際情況，探索PHC管樁在駁岸擋墻中的實際應用。與傳統的駁岸擋墻支護型式相比，該方案節省了工期和造價，減少了工后沉降，為今后類似工程項目設計提供借鑒。

1 工程概況

福州青口某項目，位于福州市青口尚干祥謙3鎮交界處，場地北側為新榕路，南側為民房，東西兩側分別為淘江及其支流青潭溪。該項目由8棟33層住宅樓及其裙樓開閉所組成，下設一層聯體地下室，地下室面積約25 146m2，地下室底板面標高為黃海高程1.75m。淘江屬潮汐河，日平均最低水位為0.50m，日平均最高水位為3.70m，場地東西兩側毗鄰淘江及其支流，系淘江堤岸，因建筑規劃需要，該項目場地將整平至7.00m，淘江后期清淤至0.00m，因此將形成高7.00m的臨空面。

2 工程地質水文條件

2.1 工程地質條件

根據勘察報告，駁岸擋墻影響范圍內巖土層，由上到下分述如下：

①雜填土：黃色，濕-飽和，松散為主，為新近堆填，以粘性土為主，含建筑垃圾30%～50%，堆填時間約1～5年，厚度5.5m。

②淤泥-淤泥質土：深灰色灰黑色，流塑，飽和，局部夾0.5cm～10cm厚或薄片狀粉細砂層，厚度26.0m。

③卵石：灰黃色淺灰色青灰色，飽和，稍中密為主，局部有夾層地段或層頂與上部淤泥層直接接觸地段，呈松散狀態，為沖洪積成因。卵石粒徑大多為2cm～10cm，呈次棱角狀次圓狀，個別大于10cm(個別較大可達25cm)，充填石英砂平均約20%，含少量粘性土，厚度9.0m。

根據巖土工程勘察報告，土體物理力學參數如表1所示。

表1 土層計算參數

2.2 工程水文條件

該工程影響范圍內地下水類型，按埋存條件劃分為上層滯水(潛水)和承壓水兩種類型。上層滯水(潛水)主要賦存于填土中，水量主要受大氣降水補給，水量一般不大。承壓水主要賦存于卵石中，卵石層埋深較深，承壓水對該工程無影響。該工程中的駁岸擋墻緊鄰淘江，系淘江堤岸，淘江為潮汐河且水流量大，日平均最高水位為3.70m，20年一遇洪水位為4.47m，漲潮水位和洪水位對駁岸擋墻施工影響較大。

3 駁岸擋墻設計

該項目東西兩側地下室外邊界線，距離河道藍線較近，河道藍線外側斜坡原始坡度10°～30°，場地空間有限。若按傳統的重力式擋土墻結合沖(鉆)孔灌注樁的支護型式，工期較長，造價相對較高；同時，淘江在漲潮期水位達到3.70m，需設置圍堰，以保證重力式擋土墻施工期間不受潮水影響。另外，擋墻與地下室外墻線間為后期小區道路，若采用重力式擋墻，擋墻與地下室外側間土體則另需加固，否則，后期淤泥固結沉降較大，維護成本較高。

綜合該工程地質水文條件及周邊環境影響，經過經濟工期等方面比選，駁岸擋墻最終采用PHC管樁+扶壁式擋土墻+生態板樁的支護型式，支護剖面如圖1所示。其中，管樁采用PHC 500-125(AB/A)，管樁間距和排距均為2.25m，樁長28m，且進入卵石層不小于1.0m，扶壁式擋墻高4.75m。

圖1 支護剖面

在該支護體系中，生態板樁為預制樁，施工速度快，并且很好地解決了傳統擋墻施工過程中遇到的圍堰施工難度大的問題。駁岸擋墻底板緊貼地下室外墻，并在擋墻墻踵末端設置反坎立板，有效地減少了上部擋墻傳遞至管樁的水平荷載；同時，利用管樁承擔扶壁式擋土墻及填土等豎向承載力，減少了工后沉降。清淤后，管樁不僅受到上部扶壁式擋墻傳遞下來的豎向力水平力和彎矩，還受到擋墻底部土體的水平作用力。因此，為了較準確地計算管樁在各種荷載效應作用下的內力和變形，本文通過非線性有限元軟件ABAQUS，建立支護剖面的有限元數值模型，分析得到清淤后管樁的內力和位移分布曲線，并通過有限元強度折減法，計算支護剖面的整體穩定性。具體論述如下：

(1)施工的可行性是支護選型的必要考量因素，在支護剖面中，上部采用扶壁式擋土墻，擋墻底板面標高為黃海高程2.7m，在施工駁岸底板及墊層過程中，擋墻基底需開挖至黃海高程1.8m，鄰近的基坑坑底黃海高程為0.85m，均比淘江的日平均最高水位3.70m低，因此，臨時圍堰的選擇對駁岸和基坑施工至關重要。根據現場條件，最終在擋墻外側設置一道封閉的生態板樁墻。施工階段的生態板樁，作為臨時圍堰兼臨時懸臂受力構件，擋住擋墻外側水土壓力。在擋墻完工進入使用階段后，生態板樁一方面作為清淤后抵抗河水沖刷的有效措施，另一方面作為擋土構件限制擋墻下淤泥向河床方向變形流動。

(2)初步布樁過程中，先確定管樁的單樁水平承載力。當地基土水平抗力系數的比例系數m=2.5MN/m3，水平允許位移10mm，樁的換算深度αh≥4.0時，樁與承臺按鉸接考慮，根據《建筑樁基技術規范》(JGJ94-2008)[3]中的5.7.2第6款(式5.7.2-2) PHC500-125管樁單樁水平承載力特征值按下式計算為：

在支護體系中，扶壁式擋土墻先行承擔墻底以上的水平力，再經扶壁式擋墻底板傳遞給管樁，當支護采用常規的扶壁式擋墻，則擋墻計算高度為4.75m，計算得到的擋墻傳遞給管樁的水平力合計98.5kN；若沒有有效措施，初步布樁時，每延米需要布置管樁2.74根，這將嚴重增加造價。為合理減少管樁數量，降低造價，結合該項目特點，扶壁式擋土墻設計過程中,在擋墻墻踵末端設置了2.0m高，并緊貼地下室外墻的反坎立板。此時，這種異型的扶壁式擋土墻，因前后立板平衡了一部分土壓力。實際作用在擋墻上的庫倫土壓力，可按扶壁式擋土墻為2.75m考慮，最后得到的水平力，合計為36.5kN，即每延米僅需管樁數量1.02根；按圖1所示支護剖面設置管樁，每延米管樁數量有1.33根，大于1.02根，滿足水平承載力要求；同時，擋墻底板及其以上填土荷載車載等豎向荷載均由管樁承擔，減少了后期地面沉降。

(3)在圖1的支護剖面中，管樁在清淤后的受力最復雜，管樁不僅受到上部扶壁式擋墻傳遞下來的豎向力水平力和彎矩，還受到擋墻底以下土體的水平作用力。采用一般的設計軟件，難以全面地考慮上述外力對管樁受力及變形的影響。為此，下文通過非線性有限元軟件ABAQUS建立支護剖面的有限元數值分析模型，如圖2所示。模型中的巖土體按莫爾-庫侖理想彈塑性材料模擬，管樁采用梁單元模擬；管樁與扶壁式擋土墻底板連接，采用分布耦合約束模擬；因地下室為獨立的受力平衡體系，對駁岸擋墻支護的受力體系影響較小，為簡化計算，地下室整體采用設置位移邊界條件進行模擬。

圖2 支護剖面模型

扶壁式擋土墻，管樁物理力學參數參照混凝土結構設計規范匯總如表2所示。

表2 支護剖面結構物材料參數

圖3給出了管樁在清淤后的彎矩剪力分布圖。從圖中可以看到，管樁受到的最大彎矩標準值和剪力標準值，分別為107.8kN·m和74.2kN；對應的設計值，分別為148.2kN·m和100.2kN，均小于閩2012-G-124[4]中PHC500-125(AB)管樁樁身的受彎和受剪承載力設計值186kN·m和273kN，滿足設計要求。

圖3 清淤后1～3#管樁彎矩和剪力分布曲線

清淤后，臨河的1#管樁樁身水平位移最大，在清淤面的水平位移為5.87mm，樁頂水平位移5.398mm，如圖4所示，均小于10mm，滿足設計要求。

圖4 清淤后1～3#管樁樁身水平位移圖

(4)由于后期清淤影響，臨河的1#管樁接近于高承臺樁基，若扶壁式擋墻下土體產生整體失穩破壞，將對管樁產生較大的剪切力甚至引發斷樁，從而導致上部扶壁式擋墻失穩。因此，下文采用圖2所示的有限元模型，進行清淤后的整體穩定性分析。穩定分析采用有限元強度折減法。目前，采用有限元強度折減法進行邊坡穩定分析時，對失穩的判據主要以土體中出現位移突變(位移拐點)且無限發展并結合塑性區(等效塑性應變)臨界貫通為主[5]。設計中管樁，按正常使用來考慮，整個支護體系對管樁樁頂水平位移要求較高，因此，本文以臨河1#管樁樁頂作為特征點，建立1#管樁樁頂水平位移與折減系數關系曲線，并以曲線上曲率最大拐點，結合1#管樁樁頂水平位移10mm對應的折減系數，作為整體穩定安全系數的判別依據。圖5給出了1#管樁樁頂水平位移與強度折減系數的關系曲線。由圖5可得樁頂水平位移10mm對應的折減系數Fr為1.50(正好對應位移拐點)，大于1.35，滿足規范要求。圖6為折減系數Fr=1.50時支護剖面的水平位移等值云，由圖6可知，此時扶壁式擋墻底部土體水平位移最大，與周邊土體位移形成一個明顯的分界面，此分界面即為潛在滑動面。

圖5 1#管樁樁頂水平位移與折減系數關系曲線

圖6 Fr =1.50時支護剖面的水平位移等值云

4 結論

(1)生態板樁相比于傳統的圍堰，施工便捷速度快，同時因其自身具有一定的樁身強度，既可作為臨時支護結構，又可作為后期防沖刷措施和擋土構件，近年來在駁岸擋墻工程中得到了快速推廣。

(2)在駁岸擋墻緊鄰地下室外墻的類似工程中，扶壁式擋土墻墻踵末端設置緊貼地下室外墻的反坎立板，可以減少扶壁式擋土墻傳遞到PHC管樁上的水平推力；反坎立板的設置高度，直接影響到每延米管樁的布樁數量和間距。

(3)PHC管樁，不僅可以作為承受豎向荷載的受力構件和減少工后沉降的有效措施，同時在整個支護體系中承擔主要的水平荷載。因此，管樁在受力過程中引起的內力和樁身變位，在樁身強度和允許的位移值以內，是保證整個支護體系安全的關鍵。有限元分析表明，受土體水平力及管樁協同變形影響，臨河前排樁在清淤面彎矩較大，后排管樁樁頂彎矩較大 ，最大彎矩設計值接近管樁受彎承載力設計值，這也間接說明了，擋土墻底板面標高的確定應綜合考慮管樁樁身強度，設置過高將會對PHC管樁樁身承載力提出更高的要求；設置過低則使施工階段作為臨時支護結構的生態板樁的尺寸及嵌固長度變大，兩者均會導致工程造價的增加。

(4)采用有限元強度折減法進行整體穩定分析，建立樁頂水平位移與折減系數的關系曲線，以管樁的水平位移控制為準，將樁頂位移10mm對應的折減系數，與曲線上的位移拐點對應的折減系數，取小值判定為穩定安全系數是合理的。