先张法预应力工型桩力学特性及其工程应用

２０１９年１１月　

第３６卷第６期

ＪｏｕｒｎａｌｏｆＣｉｖｉｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｎｄＭａｎａｇｅｍｅｎｔ

土木工程与管理学报

Ｖｏｌ.３６Ｎｏ.６

Ｎｏｖ.２０１９

先张法预应力工型桩力学特性及其工程应用

徐汉东１ꎬ　李志刚１ꎬ２ꎬ　姚和康２ꎬ　顾荣军１ꎬ　恽　疆１

(１.常州市建筑科学研究院集团股份有限公司ꎬ江苏　常州　２１３００１ꎻ

２.扬州大学　建筑科学与工程学院ꎬ江苏　扬州　２２５１２７)

摘　要:先张法预应力工型混凝土板桩采用非常规工字型双轴对称截面设计ꎬ具有桩身质量好、强度高和成桩可靠等优点ꎮ为研究该桩力学特性及其工程应用效果ꎬ分别开展了室内抗弯、抗剪试验ꎬ依据等效刚度设计理论对某工程进行了支护方案设计ꎬ并对该桩在工程中应用情况进行监测ꎮ结果表明ꎬ先张法预应力工型混凝土板桩设计值与试验结果差异较小ꎬ试验过程中裂缝宽度增长较缓慢ꎬ在抗弯、抗剪极限状态下裂缝宽度最大值仅为１.８１ꎬ１.１８ｍｍꎬ桩体表现出良好的力学性能ꎮ该桩应用于实际工程时ꎬ支护桩体及基坑侧向位移与沉降均未超过二级基坑变形预警值ꎬ基坑运营状态正常ꎬ安全程度较高ꎬ支护效果良好ꎮ关键词:工型桩ꎻ　力学试验ꎻ　等效设计ꎻ　基坑支护

中图分类号:ＴＵ３７８.３　　文献标识码:Ａ　　文章编号:２０９５￣０９８５(２０１９)０６￣００３２￣０６

Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｔｈｅｐｒｅ￣ｔｅｎｓｉｏｎｅｄｐｒｅｓｔｒｅｓｓｅｄｃｏｎｃｒｅｔｅＩ￣ｓｈａｐｅｄｐｉｌｅｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄｗｉｔｈｕｎｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌＩ￣ｓｈａｐｅｄｄｏｕｂｌｅ￣ａｘｉｓｓｙｍｍｅｔｒｉｃａｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅꎬｗｈｉｃｈｈａｓｔｈｅａｄｖａｎｔａｇｅｓｏｆｇｏｏｄｐｉｌｅｂｏｄｙｑｕａｌｉｔｙꎬｈｉｇｈｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｅｆｆｅｃｔꎬｔｈｅｉｎｄｏｏｒｂｅｎｄｉｎｇａｎｄｓｈｅａｒｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｔｅｓｔａｒｅｃａｒｒｉｅｄｏｕｔｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｒｅｌｅｖａｎｔｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎｓꎬｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ.Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｄｅｓｉｇｎｔｈｅｏｒｙｏｆｅｑｕｉｖａｌｅｎｔｓｔｉｆｆｎｅｓｓꎬｔｈｅｓｕｐｐｏｒｔｓｃｈｅｍｅｏｆａｐｒｏｊｅｃｔｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄꎬａｎｄｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｐｉｌｅｉｎｔｈｅｐｒｏｊｅｃｔｉｓｍｏｎｉｔｏｒｅｄ.Ｉ￣ｓｈａｐｅｄｃｏｎｃｒｅｔｅｐｉｌｅａｎｄｔｈｅｔｅｓｔｒｅｓｕｌｔ.Ｄｕｒｉｎｇｔｈｅｔｅｓｔꎬｔｈｅｃｒａｃｋｗｉｄｔｈｉｎｃｒｅａｓｅｓｓｌｏｗｌｙꎬａｎｄｔｈｅｍａｘｉｍｕｍｃｒａｃｋｗｉｄｔｈｓａｒｅｏｎｌｙ１.８１ａｎｄ１.１８ｍｍｕｎｄｅｒｔｈｅｂｅｎｄｉｎｇａｎｄｓｈｅａｒｌｉｍｉｔｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ.Ｔｈｅｐｉｌｅｓｈｏｗｓｇｒｅａｔｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ.Ｗｈｅｎｔｈｅｐｉｌｅｉｓｕｓｅｄｉｎｔｈｅａｃｔｕａｌｐｒｏｊｅｃｔꎬｔｈｅｌａｔｅｒａｌｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔａｎｄｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔｏｆｔｈｅｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇｐｉｌｅａｎｄｔｈｅｆｏｕｎｄａｔｉｏｎｐｉｔｄｏｎｏｔｅｘｃｅｅｄｔｈｅｐｉｔｉｓｎｏｒｍａｌꎬｗｈｉｃｈｈａｓｈｉｇｈｄｅｇｒｅｅｏｆｓａｆｅｔｙａｎｄｇｏｏｄｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇｅｆｆｅｃｔ.　　近年来ꎬ城市化进程中对土地资源的占用问题越来越突出ꎬ支持城市地下空间的开发成为解决土地资源占用的合理方案之一ꎮ城市地下空间

收稿日期:２０１９￣０３￣１１　修回日期:２０１９￣０５￣２９

作者简介:徐汉东(１９７４￣)ꎬ男ꎬ江苏常州人ꎬ硕士ꎬ教授级高工ꎬ研究方向为岩土工程(Ｅｍａｉｌ:６９１２６３５２５＠ｑｑ.ｃｏｍ)通讯作者:李志刚(１９８８￣)ꎬ男ꎬ河北张家口人ꎬ博士ꎬ讲师ꎬ研究方向为岩土工程(Ｅｍａｉｌ:ｌｚｇｄｙｙ＠ｙｚｕ.ｅｄｕ.ｃｎ)基金项目:国家自然科学基金(４１７７２３１４)ꎻ江苏省博士后基金(２０１８Ｋ１３１Ｃ)

２.ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＣｉｖｉｌＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬＹａｎｇｚｈｏｕＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙꎬＹａｎｇｚｈｏｕ２２５１２７ꎬＣｈｉｎａ)

(１.ＣｈａｎｇｚｈｏｕＡｒｃｈｉｔｅｃｈｕｒａｌＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅＧｒｏｕｐＣｏＬｔｄꎬＣｈａｎｇｚｈｏｕ２１３００１ꎬＣｈｉｎａꎻ

ＸＵＨａｎ￣ｄｏｎｇ１ꎬＬＩＺｈｉ￣ｇａｎｇ１ꎬ２ꎬＹＡＯＨｅ￣ｋａｎｇ２ꎬＧＵＲｏｎｇ￣ｊｕｎ１ꎬＹＵＮＪｉａｎｇ１

ＭｅｃｈａｎｉｃａｌＰｒｏｐｅｒｔｉｅｓａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ

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ｓｔｒｅｎｇｔｈａｎｄｒｅｌｉａｂｌｅｐｉｌｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ.Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｓｔｕｄｙｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｔｈｅｐｉｌｅａｎｄｉｔｓ

Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｒｅｉｓｆｅｗｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｄｅｓｉｇｎｖａｌｕｅｏｆｐｒｅ￣ｔｅｎｓｉｏｎｅｄｐｒｅｓｔｒｅｓｓｅｄ

ｐｒｅ￣ｗａｒｎｉｎｇｖａｌｕｅｏｆｔｈｅｓｅｃｏｎｄｌｅｖｅｌｆｏｕｎｄａｔｉｏｎｐｉｔｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎꎬｔｈｅｏｐｅｒａｔｉｏｎｃｏｎｄｉｔｉｏｎｏｆｆｏｕｎｄａｔｉｏｎＫｅｙｗｏｒｄｓ:Ｉ￣ｓｈａｐｅｄｐｉｌｅꎻｍｅｃｈａｎｉｃａｌｔｅｓｔꎻｅｑｕｉｖａｌｅｎｔｄｅｓｉｇｎꎻｆｏｕｎｄａｔｉｏｎｐｉｔｓｕｐｐｏｒｔ

发展所带来的大量已有基坑工程的存在使得新建基坑支护技术难度不断加大ꎬ传统重力式挡墙已经不能满足变形控制的要求ꎮ此外ꎬ基坑工程受

　第６期徐汉东等:先张法预应力工型桩力学特性及其工程应用

􀅰３３􀅰

施工场地的制约ꎬ在安全的前提下限制了支护结构的厚度ꎮ因此ꎬ基坑支护形式逐步向施工占地小、强度高、抗变形能力强的板桩式过渡[１]ꎮ板桩式代表性支护形式主要为钢板桩与混凝土板桩墙ꎮ钢板桩应用于工程时缺点主要在于防水要求较高ꎬ施工时打拔桩噪声大、振动大ꎬ容易引起土体移动ꎬ导致周围地基出现较大沉陷[２ꎬ３]ꎮ传统但其后期需要较长养护时间ꎬ对工程进度影响较大ꎮ混凝土板桩墙以混凝土灌注桩应用最为广泛[４]ꎬ

在此前提下ꎬ日本提出了一种新型水泥土搅拌桩墙(ＳｏｉｌＭｉｘｉｎｇＷａｌｌꎬＳＭＷ)工法ꎬ有效地结合了两种支护形式的优点ꎬ利用水泥土的止水性能和型钢的高强度特性形成一种抗渗性好、刚度高的基坑围护结构[５]ꎬ但该工法存在后续拔除对环境影响相对较大、且受场地限制的弊端ꎮ为解决后期拔除对工程的影响ꎬ利用预制桩代替型钢内插于水泥土止水墙中ꎬ并通过工厂化生产提高了桩体强度ꎬ缩短了现场施工时混凝土桩养护时长[６~８]ꎮ现阶段ꎬ对于预制桩的研究着重于桩体是否满足支护体系的稳定性问题ꎮ支护桩的截面合理性与材料强度是影响支护结构稳定的主要诱因ꎬ随着截面惯性矩的增加材料用量也增加ꎬ弹性模量的增加也必须提高混凝土等级[８]ꎮ因此ꎬ在尽可能降低材料耗损和建筑能耗基础上满足基坑稳定性需求是预制桩能否在基坑工程中运用的重要前提ꎮ先张法预应力工型混凝土板桩(以下简称工型桩)采用非常规工字型、双轴对称截面形式ꎬ结构合理ꎬ挡土面大ꎬ混凝土材料需求较传统矩形桩有所缩减ꎮ对同结构形式后张法工型桩[９]而言ꎬ该桩预应力筋采用均布形式ꎬ预应力筋分布更为合理ꎬ在相同配筋率情况下ꎬ桩身混凝土材料由Ｃ６０降为Ｃ５０ꎬ在混凝土等级降低的同时ꎬ抗弯和抗剪性能均有所提高ꎬ验证了先张工型桩结构形式的合理性ꎮ先张法采用工厂流程化施工ꎬ相较于后张法的现场施工形式ꎬ进一步保证了成桩的质量ꎮ作为一种新型支护桩该桩已经在常州[１０]、南昌[１１]与泰兴[１２]所建软土基坑工程中进行了应用ꎬ在这类基坑支护工程中该桩都表现出良好的支护性能ꎮ

为进一步研究工型桩在基坑支护中的适用性ꎬ本文通过对工型桩进行室内抗弯、抗剪性能力学测试ꎬ并结合工型桩在常州半微电子地下车库

截面尺寸/ｍｍ×ｍｍ７００×４００

桩长/ｍ９.６

预应力钢绞线单侧６

ｓ

基坑支护工程中的实施情况提出入土深度等效设计方法ꎬ并以监测数据为依据阐述其在基坑支护工程中应用的实际效果ꎮ可为工型桩向同类型软土基坑以及与其他工法组合支护体系推广提供参考ꎮ

１　力学试验

１.１　试验依据与装置

工型桩抗裂弯矩、正截面抗弯承载力和斜截面抗剪承载力的理论计算公式参见规范[１３]中工(Ｔ)字型钢筋混凝土构件ꎮ力学试验依据国家规范[１３]进行ꎬ抗弯与抗剪试验装置如图１所示ꎮ

Pc图１　工型桩试验装置/ｍｍ

１.２　抗弯试验

试样２根ꎬ编号分别为１ａꎬ１ｂꎮ桩材为Ｃ５０的混凝１５.２

钢绞线进行张拉ꎬ钢绞线的抗拉强度标准值ｆｐｔｋ＝１８６０ＭＰａꎬ拉伸控制力为σｃｏｎ＝０.５５ｆｐｔｋ＝１０２３土ꎬ配筋形式采用双轴对称式ꎬ单侧采用６

ｓ

本次抗弯试验共制作截面如图２所示工型桩

ＭＰａꎬ其他参数如表１所示ꎮ45°140400140图２　工型截面配筋形式及截面参数/ｍｍ

表１　抗弯试验桩相关参数

桩型号ＹＢＺ７００×４００

普通钢筋单侧６

１２

箍筋８＠２００/１００

腹板处开裂弯矩设计弯矩设计值腰筋值Ｍｃｒ/ｋＮ􀅰ｍＭ/ｋＮ􀅰ｍ４

１０

３２６

７５１.６

１５.２

120140700120140120　􀅰　３　４􀅰　　　　　　　　　　　　　　土木

工程与管理学报　　　　　　　　　　　　　２０１９年

１.２.１　试验过程

试验桩在试验设备上安装好后ꎬ开始施加荷５％的级差继续加载ꎮ直至桩身出现裂纹ꎬ记录此时的加载值ꎮ继续进行试验ꎬ当荷载增加至极限弯矩设计值时ꎬ按极限弯矩５％的级差继续加载ꎬ并及时测量裂纹宽度ꎮ最终ꎬ两根试验桩受拉区裂纹宽度均超过１.５ｍｍ分别达到１.８１ꎬ１.６０ｍｍ时ꎬ认定桩体已达到承载力极限状态ꎮ试验过程中桩体并未出现钢筋拉断、受压区混凝土破坏等载ꎬ当荷载增加至抗裂弯矩设计值时ꎬ按抗裂弯矩

１０９９ꎬ１１５０ｋＮ􀅰ｍꎬ平均值为１１２４.５ｋＮ􀅰ｍꎮ根据

规范[１４]ꎬ设计弯矩极限值＝１.３５×弯矩设计值ꎬ则设计弯矩极限值为１０１４.５５ｋＮ􀅰ｍꎮ对比两次试验结果ꎬ弯矩极限平均值与设计弯矩极限值的误差约为９.７％ꎬ相对而言ꎬ理论设计值比试验值略为保守ꎮ同截面形式与配筋率后张法桩的相关文献[１０]指出ꎬ试验所得桩体抗弯极限承载力实测平均值为１０９９.８ｋＮ􀅰ｍꎬ相比之下ꎬ先张法极限抗弯承载力试验值提高了约２.２％ꎮ采用工厂预制先张法相较于现场施工后张法可提高该桩型的抗弯状态ꎬ并且两根测试桩的破坏过程和形状基本一３致所示ꎮ１ａꎬ桩抗压极限状态下裂纹具体展开情况如图所对应的桩身破坏示意图如图４所示ꎮ图３　桩身裂纹展开分布

图４　桩身破坏示意

１.２.２　结果分析

通过对工型桩的抗弯性能进行试验ꎬ根据抗裂荷载与极限荷载的评定标准ꎬ测定工型桩的载荷–挠度关系曲线如图５所示ꎮ工型桩试验弯矩按式(１)计算ꎮ

Ｍ＝０.２５Ｐ(０.６Ｌ－２ａ)＋０.０２５ＷＬ

(１)

式中:Ｍ为弯矩ꎻＰ为垂直荷载(装载设备重量参与计算)ꎻＬ为桩长ꎻａ取１/２倍的加载跨距ꎬ本试验取０.５ｍꎻＷ为板桩质量ꎮ

25201a1bm15m/1050020040060080010001200/kN

图５　抗弯试验荷载–挠度曲线

３９１.２计算得出该抗弯试验ｋＮ􀅰ｍꎬ计算得出实１ａ测ꎬ１ｂ试的抗裂弯矩都是

验极限弯矩为

１承载能力.３　抗剪试验

ꎮ

本次抗剪试验共制作试验桩２根ꎬ编号分别为２ａ线、钢筋等用材均与抗弯试验桩相同ꎬ２ｂꎬ桩长５ｍꎬ截面配筋形式、混凝土ꎬ具体配筋、钢绞、

布筋等相关参数见表１ꎬ所用桩型抗剪承载力设１计值为.３.１　试验过程３９４.７６ｋＮꎮ

试验桩在试验设备上安装好后ꎬ开始施加荷载ꎬ观察随着荷载的增加桩身裂纹展开情况ꎬ并测出极限剪力值ꎮ在测试过程中ꎬ按使用状态负荷的２０％为级差将载荷从零加值８０％ꎬ每级负载持续５分钟ꎮ加载结束桩身出现沿桩身４５°左右展开的斜裂纹ꎮ继续按使用状态荷载值１０％的级

差加载至该值的１００％ꎬ随着加载的进行ꎬ桩身裂纹不断延伸ꎬ此时桩身未达到极限剪力状态ꎬ之后按极限剪力值５％的级差继续加载ꎬ最终两根试验桩沿斜截面形成斜拉破坏ꎬ桩身箍筋或弯起筋与斜裂纹交汇处裂纹宽度分别为１.１８ꎬ１.０２ｍｍꎬ此时认为桩体已达到抗剪极限状态ꎮ２ａ桩抗剪极限状态下裂纹具体展开情况如图６所示ꎬ所对应的桩身破坏示意图如图７所示ꎮ

图６　桩身裂纹展开分布

图７　桩身破坏示意

１.３.２　结果分析

通过对工型桩的抗剪性能进行测试ꎬ测得工字桩的荷载、裂纹宽度之间的关系如图８所示ꎮ

　第６期徐汉东等:先张法预应力工型桩力学特性及其工程应用

􀅰３５􀅰

工型桩抗剪剪力按式(２)计算:

Ｑ＝Ｐｃ/２(ｋＮ)ꎮ

式中:Ｑ为抗剪剪力(ｋＮ)ꎻＰｃ为外加试验荷载

(２)

周边明河塘、运河等地表水系为主要补给源ꎮ

表２　地层参数表

层序土层名称层厚天然重度压缩模粘聚力内摩擦/ｍ/ｋＮ􀅰ｍ－３量/ＭＰａ/ｋＰａ角/(°)1.2b1.02a2mm0.8/0.60.40.20.00100200300400500600700/kN

图８　抗剪试验荷载–裂缝宽度曲线

计算得出抗剪试验中２ａ值分别为５９０ꎬ６４７ｋＮꎬ平均值为ꎬ２ｂ桩极限剪力实测

６１８.５ｋＮꎮ按照规范[１４]算得设计剪力极限值为ꎬ设计剪力极限值５５２.６６＝１.４×ｋＮꎮ剪力设计值比较试验结ꎬ计１０.６％ꎬ果ꎬ设计剪力极限值与试验平均值误差约为

与配筋率后张法桩相关文献相对而言ꎬ理论设计值略为保守[１０]指出ꎬ试验所得桩ꎮ同截面体抗剪极限承载力实测平均值为６１３.０５ｋＮꎬ采用先张形式张拉桩体抗剪能力有所提升ꎮ

总结先张法预应力工型桩抗弯和抗剪试验结果ꎬ可知理论计算均偏于保守ꎬ但可满足基坑工程中对支护桩选用预留安全系数的要求ꎬ该桩型设计计算方法也可以满足工程设计的要求ꎮ试验结果证明该桩相比同形式后张法预制的桩ꎬ桩身混凝土材料由Ｃ６０降为Ｃ５０ꎬ在混凝土等级降低的同时ꎬ抗弯和抗剪性能均有所提高ꎬ验证了该先张结构形式更为合理ꎮ为进一步展示该桩的支护性能ꎬ文章结合实际工程分析在实际支护工程中的应用效果ꎮ

２　基坑支护工程实例

２.１　工程概况

某工程建于常州市广化街北侧ꎬ东临京杭大运河ｍ(地上约ꎬ西临劳动西路３０万ｍꎮ工程总建筑面积约４０.６万２２ꎬ地下１０.６万ｍ２设计深度１１.３５~１２.０５ｍꎬ支护结构安全等级为)ꎮ基坑工程二级ꎮ工程区域位于长江下游冲积平原ꎬ地貌类型单一ꎮ地层参数由地勘报告给出ꎬ具体参数见表２ꎮ场地稳定地水位埋深为０.６０~２.５０ｍꎬ主要为上层滞水和承压水ꎮ上层滞水位于杂填土层ꎬ承压水层主要为粉土和粉砂层ꎮ大气降水、场地

１２杂填土黏土２.６２.４１７.５１９.６—５０１８

１７.５１０

４

３粉质黏土粉土１.６５￣１粉砂１.４１８.６１９

８７８

１１.２２５２１２８５￣２粉砂４.２４.３１８.７１９.２１１１５７.５７３１.５５￣３３２.５６

黏性土粉砂

８.５２.５

１８.９１９.６１２—４６.６８３１.５２１.５

２.２　支护设计

２.２.１　设计方法

工型桩为非常规工字型截面ꎬ目前对于这一桩型没有相关规范进行基坑支护计算ꎮ本工程借鉴ＳＭＷ工法的计算方法ꎬ采用等效刚度设计原则ꎬ将工型桩折算成等效钻孔灌注桩的形式进行计算ꎬ水泥土刚度作为墙体刚度储备[１４]钻孔灌注桩直径为ｄꎬ惯性矩Ｉꎮ设等效刚度的原则可得:

ｚ＝πｄ４/６４ꎬ按等效ＥｃｓＩ４

ｃｓ６４＝ＥｚＩｚ(３)ｄ＝

:ＥπＥＥｃｓＩｃｓｚ

(４)

式中ｃｓꎬꎻＩＥｃｓ分别为预制预应力板桩的弹性模量与惯性矩性模量ꎮ

ｚ为等效钻孔灌注桩对应的混凝土弹２.２.２　支护方案选择

(采用工型桩区域周边环境较为复杂ꎬ临近建水泥土内插工型桩构)筑物较多ꎬ需严格控制基坑变形＋锚索与放坡开挖支护相结合ꎮ工程采用的形式ꎬ开挖深度为１１.８５ｍꎬ其中桩顶２.５ｍ以上位置放坡ꎬ采用挂网喷浆处理放坡面层ꎮ

本次支护结合公式(３)(４)进行等效设计ꎬ利用规范中钻孔灌注桩的设计方法来计算入土深度ꎮ工型桩选用弹性模量Ｅ的×Ｃ５０混凝土ꎬ计算得出工型桩惯性矩ｃｓ为３.４５×１０４ＩＮ/ｍｍ２ｄ１０１０的钻孔桩ｍｍ４ꎮｃｓ为１.０７ꎬＣ３０令等效为混凝土等级为混凝土弹性模量ＥＣ３０、桩径为弹性地基反力法/ｍｍ２ꎬ计算出灌注桩直径ꎬ计算出钻孔灌注桩的入土深度ｄ≈７００ｍｍꎮｚ为３.０×１０４Ｎ采用线为２２ｍꎬ则工型桩的入土深度取２２ｍꎮ按设计要求采用隔一布二的排布形式ꎬ工型桩支护结构剖２３.５面图如图ｍꎬ直径为９所示８５０ꎮ水泥土桩根据设计要求埋深为

ｍｍꎬ单桩间距为０.６ｍꎮ　􀅰　３　６􀅰　　　　　　　　　　　　　　土木

5󰀀m

GL:󰀀1200󰀀mm800󰀀mm

工程与管理学报　　　　　　　　　　　　　２０１９年

监测规范[１５]中二级基坑支护工程最大水平位移控制值应小于５０ｍｍꎬ同时小于０.００４倍基坑深度值ꎬ可知基坑支护变形在可控范围内ꎮ由此说明工型桩支护效果明显ꎬ工型桩插入深度设计合

151511.0-6.35~-7.05

5-1

700

400@900󰀀mm

L=22.0󰀀m

5-2

850󰀀mm@600󰀀mm

L=23.5󰀀m

5-3图９　支护体系剖面

３　基坑监测数据分析

工程采用多种工法相结合进行支护ꎬ其中工型桩支护区域主要为劳动西路东侧支护段ꎬ该段主要分三个工况进行:(１)放坡开挖ꎻ(２)水泥土搅拌桩施工并按隔一布二的形式插入工型桩ꎬ在桩顶处配合预应力锚索支护ｍ计深度处ꎻ(３)ꎬ监测点分别在工型桩支护段两侧与中间进行第二道锚索支护ꎬ开挖至桩体深度ꎬ并开挖至基坑设４处选取三处ꎬ支护段平面图及监测处具体位置如图１０所示ꎮ由于放坡开挖先于桩体支护ꎬ监测数据中未将工况一进行统计ꎮ

Ncx1cx2cx3图１０　支护段及监测位置

３.１　工型桩侧向位移

图１１为工型桩支护段桩身侧向位移量监测值ꎮ由图可知ꎬ监测点侧向位移量较小ꎬ且变化稳定ꎬ表明支护结构是稳定的ꎮ桩身水平位移变形主要集中于中上部ꎬ下端未出现明显位移ꎬ最大侧向位移量为２３.２２ｍｍꎬ呈现“鼓出状”ꎬ主要位移分布在桩端向下６.０~１０.０ｍ之间ꎮ引起以上分布特点的位移是由于上部主动土压力造成桩体侧移ꎬ入土处被动土压力限制移动所造成的ꎮ依据

理ꎬ文中采用的等效灌注桩的设计方法是可取的ꎮ

/mm

0481216202402468m/101214cx1()16cx1()cx2()18cx2()20cx3()22cx3()图１１　桩身侧向位移监测值

３.２　基坑周边沉降

图１２为基坑外侧地面距开挖处不同距离位置的最终沉降总量ꎮ由图可知ꎬ基坑外侧沉降最大处距开挖处８ｍ左右ꎬ此处临近商业广场与城市道路荷载影响交接处ꎬ相较外荷载较大ꎬ因此沉降也是最大的ꎬ最大沉降量在２２.９ｍｍ左右ꎮ开挖外侧沉降量以距开挖处８ｍ的位置为中心ꎬ近基坑处由于桩体支护效果的影响ꎬ使得此处土体沉降量较小ꎬ远基坑处ꎬ外部荷载影响较小土体沉降量也较小ꎬ曲线总体近似“勺型”ꎬ基坑外侧地面沉降量总体在可控范围内ꎬ符合相关规范的要求ꎮ

/m0

051015202530-5mm-10

/-15-20

123-25图１２　基坑外侧地面沉降值

３.３　桩顶沉降

通过对工型桩支护段桩顶沉降情况进行监测ꎬ得到桩顶的累计沉降量如图１３所示ꎮ由图可知ꎬ桩顶最大沉降值为１５.７ｍｍꎮ通过监测数据分析发现桩顶的沉降量与开挖过程有关ꎬ在开挖第二道锚索支护处ꎬ沉降值有一个明显的增大ꎬ在

　第６期徐汉东等:先张法预应力工型桩力学特性及其工程应用

􀅰３７􀅰

开挖至坑底后数值又再一次地增大ꎬ随着基坑底板的施工完成ꎬ变形趋于稳定ꎮ桩体总体沉降较小ꎬ在开挖时出现沉降变化ꎬ开挖结束后桩体则趋于稳定ꎬ工字桩支护效果明显ꎬ可以为软土地基基坑支护提供应用参考ꎮ

002

cx1cx2cx35/d

10152025303540455055606570地下连续墙、灌注桩等工法施工ꎬ后续结合各类工法的支护体系适用性需进一步探索ꎮ

参

考

文

献

[１]　刘国彬ꎬ侯学渊ꎬ黄院雄.基坑工程发展的现状与[２]　ＹａｎＱＺꎬＲａｏＪꎬＸｉｅＺＱ.Ｒｅｓｅａｒｃｈａｎｄｕｓｅｏｆｔｈｅ

ｓｔｅｅｌｓｈｅｅｔｐｉｌｅｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇｓｔｒｕｃｔｕｒｅｉｎｔｈｅＹｅｌｌｏｗＲｉｖｅｒ２４９:２６８４￣２６８９.

Ｄｅｌｔａ[Ｊ].ＡｄｖａｎｃｅｄＭａｔｅｒｉａｌｓＲｅｓｅａｒｃｈꎬ２０１１ꎬ２４３￣[３]　ＮａｇａｓａｋｉＦꎬＳｕｚｕｋｉＴꎬＫｏｂａｙａｓｈｉＳꎬｅｔａｌ.Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ

趋势[Ｊ].地下空间ꎬ１９９８ꎬ(ｓ１):４００￣４０５.

/mm4681012141618

图１３　桩顶的累计沉降量

４　结　论

依据相关规范对先张法预应力工型桩进行力学性能试验ꎬ并对运用该类型桩进行支护的实际基坑工程进行监测ꎮ通过对该桩力学试验结果及基坑应用监测数据分析验过程中(１)先张法预应力工型混凝土板桩在力学试

ꎬ得出以下结论:

ꎬ裂缝宽度增长缓慢ꎬ在抗弯、抗剪极限状态下裂缝宽度最大值仅分别为１.８１ꎬ１.１８ｍｍꎬ对比同截面与配筋率后张法工型桩ꎬ桩体抗弯、抗剪极限承载力均有所提高ꎬ先张法更为合理ꎮ同时ꎬ该桩的承载力设计值也符合实际基坑支护要求ꎮ

用明显(２)ꎬ基坑变形量较小工型桩内插于水泥土桩组合支护体系作

２３.２２ꎬ桩体最大侧向位移量为

达到了二级基坑支护工程中对变形控制的要求ｍｍꎬ支护外侧土体最大沉降量为２２.９ｍｍꎬꎮ此体系是可行的ꎬ符合基坑支护要求ꎮ同时表明ꎬ文中采用的等效灌注桩的设计方法计算入土深度是可取的锚索支护体系效果良好(３)从监测数据反馈效果显示ꎮ

ꎬ该工程中采用工型桩结ꎬ工型桩结合

合其他支护工法施工组合形式较为合理ꎮ除本工程所使用的组合支护方式外ꎬ该工型桩还可结合

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