新型预应力混凝土空心支护桩的研究与应用

新型预应力混凝土空心支护桩的研究与应用

李万录

甘肃第六建设集团股份有限公司 甘肃省 兰州市 城关区 730046

摘要：目前河道与湖泊护岸、市政排水、建筑基坑及道路护坡挡土支护结构的稳定性、耐久性和施工方法对工程质量具有重要影响。因此，预制混凝土支护桩在近几年得到了广泛应用，市场需求量逐年增长。介绍了一种新型的先张法预应力混凝土空心支护桩，进行了部分桩型的抗弯性能试验，验证了计算方法的可靠性。工程案例应用表明，该种桩型应用在工程支护领域，特别是河道与湖泊的水系护岸、市政排水和建筑基坑等以挡土、支护为主的围护工程上具有一定的应用前景。

关键词：先张法；预应力；支护桩；设计；应用

1结构形式

PCS支护桩截面形状对称，截面形状具有“蜂巢六边形”的构造特征，两侧通过加设榫卯结合部，形成类十二边形的中空管状挡土支护桩。其榫头设计为半圆形，卯槽的深度要比榫头的突出部位高度小

10~20mm，形状大小与榫头相匹配，榫卯尺寸要比U型板桩的榫卯尺寸大，用以提高榫卯部位的结构受力性能。这种榫深卯浅的设计组合，在两桩拼接时，榫卯两侧可留出适当空间，桩间的转角可达8°，桩身保持在一条弧线上，在弧线施工时仍能提供良好的嵌固性，从而保证桩墙的整体稳定性和挡土性能。同时，独特的圆弧榫卯设计，可有效保证桩与桩的啮合与止水，

2力学性能

2.1混凝土有效预压应力

由于部分的PCS支护桩截面为异形截面，用结构力学的求解方法计算其受弯性能较为复杂且易出错。因此，按照结构三等效原则将其转换为工字型截面，计算其相应的结构力学性能。本文主要对桩身混凝土的有效预压应力值、桩身开裂弯矩以及正截面的抗弯承载力设计值的计算。先张法预应力混凝土有效预压应力方法计算。

2.2正截面抗弯承载力设计值

PCS支护桩每层主筋位置与等效工字型截面的位置相对应。由于支护桩为多层配筋构件，沉入土层后主要依靠上、下两个面承受弯矩，并且各层钢筋在极限状态时的应力可能不相同，且可能达不到极限状态。因此，需采用迭代法计算各层钢筋的应力。用迭代法计算时需假定混凝土应力图形按矩形应力计算的受压区高度，依据受弯构件钢筋与混凝土应力与应变的关系，将截面划分为多个混凝土单元、预应力筋单元、纵向钢筋单元，各单元应变按GB50010—2010中截面应变采用平截面假定，依据应力与应变的关系，计算各单元的应力，最后验算假定的受压区混凝土应力图形按矩形应力计算的受压区高度是否与计算所得的受压区高度相近，若相近则满足要求，可继续进行计算，否则，需更换假定值再次迭代计算，直至所假定的值与计算所得的受压区高度相近。

2.3桩身力学性能参数

PCS支护桩依据混凝土强度等级划分为Ⅰ型和Ⅱ型，其对应的混凝土强度等级为C60和C80。

3产品力学性能的验证

本次选用截面宽度500mm的PCS-Ⅰ-C型和截面宽度750mm的PCS-Ⅰ-A型PCS支护桩作为试验桩进行抗弯试验，试验按照GB/T13476—2009《先张法预应力混凝土管桩》中的试验方法进行抗弯试验。经选用的两根不同规格PCS支护桩抗弯试验数据与计算数据的对比分析可知，符合工程设计要求，工程上设计选用安全可靠。

4应用案例

4.1工程概况

某一基坑支护工程，该基坑为一层地下室，基坑底边周长约310m，开挖深度为5~6m，基坑开挖深度范围内，浅部为砂性素填土、中部为粉土、底部为淤泥质土和中砂。基坑西侧壁设计安全等级为二级，安全系数为1.0，基坑其它侧壁剖面皆为三级，安全系数为0.9。基坑支护设计原采用SMW工法桩支护结构，覫650三轴水泥搅拌桩，500型钢（15m）。综合考虑工程造价、工期以及泥浆处理等因素后，调整为PCS预制装配式支护结构，桩型采用PCS-Ⅰ型750（420）-B型，混凝土强度等级为C60，桩身配筋为14覫D10.7PC钢棒，裂缝控制等级为二级时的开裂弯矩为239kN·m，抗剪承载力为390kN。该基坑支护采用“PCS支护桩排桩结构+单层钢管内支撑”的结构形式，工程用桩397根，均为单节桩，设计桩长15m，总用桩数量为5325m；施工设备选用16t液压冲击锤，采用锤击法施工，转角部位采用高压旋喷桩搭接处理。

4.2 PCS支护桩施工

4.2.1 PCS支护桩沉桩

沉桩施工主要方法与步骤如下：①安装注浆套管：使用黏结材料将单向压浆阀管粘结安装在支护桩体榫侧上段的母榫凹槽内，使套管不易脱落；②PCS支护桩沉桩：桩间紧密拼接，形成密排桩结构体；③桩间注浆施工：PCS支护桩沉桩时应紧靠拼接施工，后根桩榫侧下段公榫对前根桩卯侧母榫部位的泥土进行切削排泥，保证该处泥土有效去除，同时，保护上端榫侧母榫凹槽预设的注浆套管不受挤压，后根桩榫侧上段母榫与前根桩卯侧母榫共同形成一个注浆孔腔，在孔腔中的注浆套管内注入微膨胀水泥浆，干结后即可形成桩间止水带；④冠梁、内支撑施工：先开挖到冠梁底标高，进行冠梁施工，PCS支护桩桩顶填芯混凝土钢筋锚入冠梁，冠梁设置为800mm×600mm，采用C30商品混凝土。四侧壁转角处采用D530（10）热轧无缝钢管支撑，钢管端面打磨平整与钢垫板满焊连接，支撑立柱采用500（125）-AB-14管桩，连梁采用型号28a工字钢；⑥PCS支护桩沉桩施工完成后，进行基坑开挖。

4.2.2基坑监测

自基坑施工开始至地下室施工完成前对支护结构进行监测，密切观测支护结构的位移变形以及沉降等情况。

4.3 PCS支护结构优势

在本项目的工程案例中，采用PCS预制装配式支护方案，无论是在结构质量、施工工期、现场环保还是在工程造价方面，PCS支护结构具有以下优势：

①外观设计合理。独特的圆弧榫卯设计，可有效保证桩间啮合，结构安全稳定耐久，抗变形能力佳，后期反复清淤无须顾虑结构位移，外立面曲线凹凸有致，成桩造型美观。②截面力学性能优良。钢筋骨架为对称配筋布置的扁平状六角笼，截面刚度大、抗弯剪性能优，耐冲击性能良好。③产品质量可靠。利用成熟的管桩生产工艺，工厂化流水机组法制造，桩身混凝土的密实度高，强度大，供货快。④工期短。选用PCS支护桩无施工季节性的选择，受气候影响小，同时，机械化作业施工，工效高。⑤经济效益好。PCS支护桩施工后期无须维护和基础处理，节省工程造价，直立式支护占用的土地资源少。工程项目中各种结构方法不断被使用，如果项目构成中所选择的建筑支护方法不具备合理性，既会影响到支护的效果，又会给施工的安全事故以及质量带来风险，因此，对于建筑的保护以及支护项目而言，最重要的就是对支护方案进行设计和选用，只有更加安全可靠，且支护效果等非常优秀的方案，才能规避安全事故的发生。社会的快速发展，使诸多混凝土结构的建筑物经常会发生遇到灾难之后进行修补，并且混凝土的强度不够等质量情况发生，或者混凝土的功能性出现改变，这些都会影响到支护。支护过程中合理科学的运用支护方案以及技术至关重要。确定好支护方案时，需要遵循便捷、安全以及经济等原则，保证支护工程项目有非常好的经济以及社会效益。

5结语

综上所述，PCS支护桩作为支护领域的桩类新品，在河道与湖泊的水系护岸、市政排水和建筑的基坑等以挡土、支护为主的围护工程上具有一定的推广价值和应用前景。

参考文献：

[1]蒋元海.对现阶段我国预制混凝土桩行业发展的几点思考

[J].混凝土与水泥制品,2020(6):33-33,40.

[2]上官京灵,黄广龙,耿山河.U型预应力混凝土支护板桩承载力计算方法[J].南京工业大学学报(自然科学版),2013,35(5):100-104.

[3]中华人民共和国住房和城乡建设部,中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.混凝土结构设计规范:GB50010—2010[S].北京:中国建筑工业出版社,2010.

[4]曾镇坚.试论土木工程中混凝土建筑支护技术探析[J].工程技术(全文版):00070-00070.