預應力懸臂支護結構在基坑工程中的應用

張 穎

(云南建投第一勘察設計有限公司,云南 昆明 650011)

0 引言

隨著老城區地下空間的利用程度越來越高，建設場地的環境條件日趨復雜。這些新建建筑普遍設置2層地下室，開挖深度在10.0 m左右，懸臂排樁支護體系非常適合。但懸臂排樁支護體系變形偏大的缺點，嚴重威脅周邊建筑物、道路、地下管線安全的問題，需要重點解決。龍湖天瑯中心基坑工程在預應力技術和施工工藝上做出了成功的探索，希望能對類似工程的設計和施工中提供一點參考。

1 工程概況

建設場地位于昆明市主城核心區，毗鄰環城南路主干道，東西長115.0 m，南北寬90.0 m，基坑周長417.0 m，整體設2層地下室，基坑深度9.5 m～10.0 m。項目建筑包括2棟住宅、2棟商業(辦公)樓及配套用房。

1.1 工程地質

基坑施工影響深度范圍內的地層主要為第四系全新統人工堆積層、沖洪積層和沖湖積層，見表1。

表1 土層物理力學指標

1.2 水文地質

地下水類型主要為孔隙型潛水，穩定水位埋深為0.8 m～4.3 m。

地下水主要賦存于①,②1,③2,④2層中，富水性較好、地層滲透系數較大。

1.3 基坑周邊環境概況

1)建筑。場地東側距昆明市第十二中學6層和7層教學樓16.0 m，建筑為框架結構，淺基礎。場地西側距云南省公路局6層職工宿舍11.0 m，建筑為磚混結構，淺基礎。場地北側距銀杏金川小區28層民房10.0 m，建筑為框架結構，樁基礎，兩層地下室(見圖1)。

2)道路。場地南側緊鄰環城南路，東側和北側緊鄰銀杏金川小區道路。

3)管線。場地周邊市政管線密布，主要有供電、供氣、給排水、雨污水管和電信、照明線路，基坑環境保護要求高。

2 基坑支護設計

根據基坑工程的規模和所處的環境條件來分析，本基坑工程具有以下幾個特點：

1)場地狹窄，基坑周邊環境保護要求高。

2)基坑開挖影響范圍內的土層物理力學性質較好，為可塑～硬塑狀態的黏性土和稍密～中密粉土、礫砂。

3)業主單位對工期要求高，不希望使用內支撐。

2.1 擋土結構優化設計

本項目擬建的4棟高層分布于東西兩側，出土口位于環城南路側中段，為減小土方開挖對主體施工的影響，加快主體施工進度，東、北和西側采用普通懸臂支護排樁，南側采用預應力懸臂支護排樁。

2.1.1考慮預留土臺作用

參考文獻[1]～[3]，支護擋土結構前預留土臺對擋土結構的水平位移起一定限制作用，也可以提高基坑開挖側一定深度內的土體的水平向基床系數，相當于增加了擋土結構的嵌固深度。

參考文獻[4]，在反壓土的高度范圍內設置彈簧以反映對擋土結構水平位移的限制作用；對被動區坑底以下土進行剛度修正，以考慮反壓土的影響，計算簡圖見圖2。

參考文獻[4]，于任意深度z處的水平向基床系數按如下方法確定：

當：

0≤z≤z0時，k=αβmz

(1)

當：

z0≤z≤zL時，k=αβmz0+m(z-z0)

(2)

當：

zL≤z≤zc時，k=m(z-z0)

(3)

其中，z為從預留土臺頂面到計算點的深度，m；z0為預留土臺的高度,m；m為地基基床系數隨深度變化的比例系數；α為預留土臺的形狀系數；β為由于預留土臺存在臨空面，使得土體產生變形，考慮這種影響而引入的松弛修正系數，可根據土質條件、反壓土頂寬、坡度、高度、降水效果、工期，并結合經驗綜合確定。

當0≤z≤z0時，計算得到：αmin=0.90,βmin=0.5；當z0≤z≤zL時，計算得到αmin=0.75,βmin=0.85,在0≤z≤zc深度范圍內，分布為③1層黏土和③2粉土互層，取③1層黏土m=6.0 MN/m4，③2粉土層m=9.0 MN/m4，對比計算結果見表2。

表2 驗算成果一覽表

上述結算顯示，預留土臺的存在對坑底以上懸臂段支護結構的變形、內力起到了明顯地抑制作用。

2.1.2考慮預應力作用

1)擋土結構配筋優化。

參考文獻[6][7]，懸臂式擋土結構可視為受彎構件,所受彎矩是定向的,可根據計算結果只在受拉一側配置受力鋼筋,而在受壓側只需配置構造鋼筋，受拉鋼筋可用高強度預應力鋼絞線代替。擋土結構在同樣荷載作用下配置高強度預應力鋼絞線的數量比普通鋼筋的少,而且適當的預應力可減小樁頂位移。為了盡量發揮預應力筋的作用,可以考慮在配筋角度內不均勻布置鋼筋。

根據文獻[6][7],可推出截面一側均勻配置預應力筋的計算公式：

(4)

(5)

其中，α1為系數,當混凝土強度等級不超過C50時,取1.0,當混凝土強度等級為C80時,取0.94,其間按線性內插法確定；R為圓形截面半徑；Rs為預應力筋重心所在圓周的半徑；Ac為圓形截面面積；Ap為全部預應力筋的截面面積；σpu為預應力筋的極限應力,對無粘結筋取0.9fpy,fpy為抗拉強度設計值；α為對應于受壓區混凝土截面面積的圓心角,rad；αs為對應于預應力鋼筋分布范圍的圓心角(配筋角度)。

根據式(5)，受拉側配置預應力筋所需的預應力鋼絞線面積和配筋角度總體呈正相關的關系；當配筋角度在90°范圍內時，增長速率較緩,當配筋角度超過90°增長速率陡增。通過對計算結果的分析，把配筋角度控制在90°左右可實現較好的經濟性和施工便利性。

取αs=π/2時，代入式(5)得：

(6)

根據式(6)，當受拉側預應力筋設計參數不變時，樁所能承受的極限彎矩對樁徑變化更敏感。因此,當需要承擔較大彎矩時,優先考慮增大樁的截面以及增加預應力筋的數量。

根據式(6)，分別計算直徑為1.5 m的圓形截面在彎矩為1 810.69 kN·m作用下,單側配置普通鋼筋和單側配置預應力筋的配筋方案，擋土結構采用C30混凝土,fc=14.3 N/mm2；當采用HRB400級普通鋼筋時,fy=360 N/mm2；當采用預應力鋼絞線φ15.24(1×7)時,fptk=1 860 N/mm2,fpy=1 320 N/mm2,單根鋼絞線公稱面積為139 mm2，配筋方案見表3。

表3 配筋表

由表3可見,方案一計算的支護樁樁徑、嵌固段深度和配筋量最大，經濟性差；方案二(配置普通鋼筋)的計算配筋量大于方案三(配置預應力筋)。方案三與方案二比較，用鋼量減小43.1%,樁頂水平位移減少了19.98 mm，經濟優勢明顯；由于增加了預應力，它控制樁頂位移的優勢與普通鋼筋混凝土支護樁相比是明顯的。支護結構剖面如圖3所示。

2)考慮預應力作用的樁頂位移。

配置預應力鋼絞線時,樁頂HA=0,MA=-Mpe。其中Mpe為預應力鋼絞線引起的有效偏心彎矩,經計算得Mpe=845.5 kN·m,樁頂位移XA=22.7 mm。

3)預應力筋構造要求。預應力支護樁中配置無粘結預應力鋼絞線,采用后張法施工，夾片式錨具作為張拉端，鋼絞線與澆筑的混凝土形成粘結而作為固定端。鋼絞線與混凝土的粘結長度可按現行混凝土結構設計規范計算。

2.2 施工總體部署

土方和主體施工分四個階段進行,文獻[8][9]。

1)第一階段：土方分層分段開挖至-6.5 m后，進行工程樁施工。

2)第二階段：采用“盆式開挖”法進行土方開挖，周邊預留土臺采用1∶1放坡，土臺高度和寬度取4.0 m。

3)第三階段：采用分層、分段、跳倉法進行土方開挖施工，挖除東、西和北側三側預留土臺，土方開挖至筏板墊層底后，24 h內完成分區墊層澆筑，7 d內完成筏板澆筑，預應力懸臂樁段預留土堤暫不開挖。

4)第四階段：“盆底”筏板封閉后，按10.0 m～15.0 m分段長度，分層、跳倉開挖預應力懸臂樁段預留土臺，前序開挖范圍內筏板封閉，強度達到設計要求后方可開挖后續預留土臺。筏板邊至支護樁間采用400 mm厚C20素混凝土澆筑，形成板底支撐。

2.3 截水帷幕設計

根據樁距不同，與支護樁咬合布置2顆～3顆直徑550.0 mm的單軸水泥土攪拌樁，隔斷坑內、外地下水的聯系。

3 施工過程問題處理

3.1 處理北側地塊錨索越界問題

基坑北側(銀杏金川花園小區)段存在相鄰地塊基坑支護時使用的預應力錨索等地下障礙物，原截水帷幕方案無法實施，后期調整為φ800雙重管高壓旋噴樁(與排樁咬合布置)，順利施工完成。

3.2 處理北側坑壁局部滲水問題

基坑開挖過程中，在基坑北側轉角處圓礫層中出現一處水量較大的漏水點，水體渾濁，有臭味，經調查確認滲漏水體源自一條廢棄的污水管。處理方案首先采用砂袋圍堰蓄水反壓緩解漏水情況，然后在漏水點處排樁外側采用雙液灌漿處理，漏水點隨即被有效封堵。

2019年5月19日，基坑西側率先開挖至設計標高，見圖4。

4 基坑監測結果

本項目基坑監測項目包括：樁頂位移、土體深層水平位移、支護結構內力、周邊建筑(管線)位移、地下水位等，嚴格按照既定的施工總體部署組織現場施工。2019年5月，基坑西側首先開挖至設計標高，同年10月，全部基坑完成回填，典型剖面深層水平位移監測結果，見圖5。南側預應力懸臂樁支護結構冠梁上每隔20.0 m布置一個樁頂水平位移觀測點(編號：ZD-1～ZD-7)，監測數據見圖6。

監測結果顯示，土體深層水平位移實測值均小于理論計算值。方案二最大深層水平位移實測值為39.5 mm，方案三最大深層水平位移實測值為19.2 mm，采用預應力懸臂支護樁技術可大幅度減小支護結構變形。在采用方案二的支護剖面內，兩端受相鄰支護樁支承作用變形較小，中部支護結構水平變形最大。

5 結論

1)在基坑深度不大，預留土臺范圍內土體物理力學性質較好的情況下，基坑內側預留反壓土是一種經濟的支護形式。本文工程實例中，采用預留土反壓時，降低了懸臂支護樁樁徑、嵌固段深度和配筋量，節約了投資，滿足了工期要求，現場施工方便、文明。

2)工程實踐表明：預應力懸臂樁技術與普通懸臂排樁支護結構相比，可以有效地降低含鋼量和支護結構的水平變形，有較大的工程應用價值。

3)懸臂支護結構的位移隨著基坑暴露時間和土壓力釋放速率的增加而增加，工程實踐中通過支護工程、土方工程和主體結構施工的密切配合，有效地縮短了基坑暴露時間，土壓力在受控的狀態下逐漸釋放。監測數據顯示，懸臂支護結構對周邊環境的保護是有效的。