碎石土地層預(yù)制空心矩形樁基坑支護應(yīng)用實例

余地華，田 野,2，陳 國，宋 志，張 濤，柳 瑤,2，項 翔

(1.中建三局集團有限公司工程總承包公司，湖北 武漢 430070；2.湖北中建三局建筑工程技術(shù)有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430070)

伴隨綠色建造理念的逐步深入，建筑工業(yè)化水平不斷提升，很多預(yù)制支護結(jié)構(gòu)在基坑工程領(lǐng)域不斷發(fā)展，預(yù)制預(yù)應(yīng)力高強混凝土矩形支護樁（簡稱預(yù)制矩形樁）是近年來深基坑工程中采用的一種新型支護樁[1]。與傳統(tǒng)灌注樁相比，其具有樁身質(zhì)量好、抗彎剛度大、施工方便、綠色環(huán)保等優(yōu)點[2]。作為一種新型支護結(jié)構(gòu)，預(yù)制矩形樁的應(yīng)用對提高基坑支護預(yù)制化水平，提升現(xiàn)場施工文明程度，甚至促進基坑支護裝配化施工都具有重要意義。

預(yù)制矩形樁已在基坑支護領(lǐng)域開展了一些研究應(yīng)用，如李圃林[3]、劉永超[4]、趙升峰[5]等開展了矩形樁支護結(jié)構(gòu)在軟土基坑工程中的應(yīng)用研究，陳靜[6]等通過對預(yù)應(yīng)力混凝土矩形支護樁工程特性分析，指出沿用樁基工程中非預(yù)應(yīng)力樁的樁身剛度計算方法所得的樁身抗彎剛度偏小。陸磊等[7]進行了預(yù)應(yīng)力高強混凝土矩形支護樁的變形分析，提出了矩形樁修正抗彎剛度計算方法。矩形樁截面形式、尺寸樣式較多，有實心和空心矩形樁，空心矩形樁中又存在圓形空腹和方形空腹的區(qū)別，目前相關(guān)研究以外方內(nèi)圓空心矩形樁居多。預(yù)應(yīng)力矩形樁施工工藝與常規(guī)預(yù)制樁施工基本相同，主要采用靜力壓樁法、錘擊沉樁法和水泥土樁（墻）自沉插入法，其施工方法決定了矩形樁主要應(yīng)用于黏土層、淤泥質(zhì)層等一般地層，對于硬質(zhì)地層（如老黏土或碎石土）傳統(tǒng)方法難以滿足施工要求。

以武漢三級階地碎石土地層預(yù)制空心矩形樁基坑支護實例為基礎(chǔ)，研究預(yù)制空心矩形樁支護特性，探討矩形樁在硬質(zhì)地層中的施工方法，根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測驗證開挖效果，結(jié)果表明：①預(yù)制空心矩形樁具有較好的抗彎剛度，對樁體質(zhì)量、施工進度、現(xiàn)場管理具有較好的保證性；②在老黏土或碎石土地層中，可采用預(yù)引孔沉樁法進行預(yù)制矩形樁施工，通過預(yù)引孔減少地層阻力，可幫助矩形樁順利下沉，從而拓展預(yù)制矩形樁使用范圍；③通過樁體及土體測斜管監(jiān)測，基坑位移滿足周邊環(huán)境及支護結(jié)構(gòu)位移控制要求，達(dá)到了比較好的支護效果。

1 矩形樁截面特性

空心的矩形截面預(yù)制樁（圖1），是采用先張法預(yù)應(yīng)力工藝，在模具中澆筑成型的鋼筋混凝土矩形樁。矩形樁混凝土強度等級不小于C60。矩形樁基本幾何尺寸見表1，矩形樁力學(xué)性能見表2。

圖1 矩形樁尺寸示意圖

表1 矩形樁的基本幾何尺寸

2 基坑方案設(shè)計

2.1 工程概況

工程位于武漢經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)硃山湖以南，鄂江左線堤上路以北處。設(shè)置二層地下室，基坑開挖深度11.25m，涉及矩形樁支護段長度約60m，基坑距離紅線約11m，紅線外為通行道路。結(jié)合周邊環(huán)境、考慮工程進度要求，擬對部分支護段采取單排預(yù)制空心矩形樁懸臂式支護。

2.2 地層參數(shù)

根據(jù)勘察資料，基坑壁主要為第四系中更新統(tǒng)沖洪積（Q2al+pl）粘性土及碎塊石土，無地下水影響?；颖趲r土特征如下：①雜填土，雜色，局部以褐紅色含礫粘土為主，稍濕-濕，松散，主要由磚渣、碎石、混凝土塊及砂、礫等混少量粘性土組成，局部見褐紅色硬土塊，土性差異大，堆填時間不足10 年；②碎塊石土，褐黃色，飽和，中密，碎、塊石成分主要為石英、遂石、砂巖等，多呈棱角-次棱角狀，礫徑多大于20mm，常見大于110mm 的大塊狀及短柱狀巖芯，含量一般大于60%，充填物為硬塑狀粘性土，碎、塊石多被粘性土包裹，碎、塊石排列無規(guī)律。鉆探中在礫石塊徑較小時取樣進行顆粒分析，其粘粒含量20%～90%。層中偶見較純的粘土夾層。巖土物理力學(xué)參數(shù)如表3 所示。

表2 常規(guī)先張法預(yù)應(yīng)力混凝土矩形樁力學(xué)性能

表3 巖土物理力學(xué)參數(shù)

2.3 支護結(jié)構(gòu)計算

圖2 基坑支護剖面圖

采用彈性土壓力理論，選取空心矩形樁JZ700×500A 型、內(nèi)腔洞寬高為400×300 作為支護結(jié)構(gòu)，基坑支護剖面如圖2 所示，基坑重要性等級為一級，支護樁截面積為0.23m2，慣性矩0.01269m4，樁間距1.0m，樁頂放坡高4.25m，支護樁懸臂7.0m，經(jīng)計算，得到內(nèi)力位移圖，如圖3 所示。

圖3 計算內(nèi)力位移圖

經(jīng)設(shè)計計算對比（表4），矩形樁支護結(jié)構(gòu)位移滿足地方標(biāo)準(zhǔn)規(guī)程[8]，相應(yīng)計算內(nèi)力均小于矩形樁抗力值，所選樁型可滿足基坑支護內(nèi)力及變形要求。

表4 矩形樁設(shè)計值與樁抗力性能對比

2.4 矩形樁試驗

為進一步檢驗矩形支護樁工程特性，參照相關(guān)規(guī)范[9～10]，開展先張法預(yù)應(yīng)力混凝土矩形樁抗彎性能檢測，樁型號為JZ700×500A 型，試驗樁長12m，樁身相關(guān)參數(shù)如表2 所示。試驗裝置如圖4 所示，主要測試內(nèi)容包括跨中及距跨距中1m處樁身變形、裂縫分布及荷載等，并計算得到矩形支護樁受彎過程中截面彎矩，試驗數(shù)據(jù)如圖5、圖6 所示。根據(jù)試驗結(jié)果表明，樁體裂縫彎矩為520.3kN，極限彎矩下最大樁體變形為37.6mm。本文案例中彎矩設(shè)計值小于檢測試驗中矩形樁產(chǎn)生裂縫所對應(yīng)彎矩，所選樁體滿足工程應(yīng)用要求。

3 預(yù)制空心矩形樁施工

傳統(tǒng)方法上，高強度預(yù)制矩形空心樁施工采用靜力壓樁法、錘擊沉樁法和水泥土攪拌樁（墻）自沉插入法施工，這些施工方法所應(yīng)用的地層強度一般不高，可利用施工設(shè)備的靜壓力或錘擊力等順利將樁體送入至指定標(biāo)高，但當(dāng)遇到硬塑狀老黏土或碎石土、強風(fēng)化地層時，原有的施工方法無法解決矩形支護樁施工問題。通過采用旋挖鉆機預(yù)引孔，可減少地層阻力，再采用振動錘擊方法將矩形樁下沉至設(shè)計標(biāo)高，后可采用注漿措施，保證矩形樁與土體貼合密實，從而達(dá)到順利成樁、有效支護的目的。

圖4 試驗裝置

圖5 不同彎矩結(jié)構(gòu)變形

圖6 不同彎矩裂隙寬度

3.1 施工工藝流程

預(yù)制空心矩形樁在硬質(zhì)地層中主要施工步驟包括：施工準(zhǔn)備→導(dǎo)向樁施工→架設(shè)導(dǎo)向架→引孔施工→錘擊沉樁→空隙注漿→成樁驗收。其施工工程流程如圖7 所示。

3.2 施工要點

3.2.1 預(yù)引孔施工

預(yù)引孔法就是采用旋挖鉆機預(yù)先鉆孔后，再在預(yù)先鉆好的孔位上施打矩形樁，使預(yù)制矩形樁達(dá)到設(shè)計要求的深度。采用預(yù)鉆孔沉樁法可明顯改善擠土效應(yīng)，減少對已沉入樁的擠推和上浮，也有利于減少對周圍環(huán)境的影響。

圖7 施工工藝流程圖

預(yù)鉆孔直徑一般取樁徑的70%左右，深度視樁距和土的密實度、滲透性而定，本工程矩形樁有效樁長為16m，預(yù)鉆孔深度取16m，孔徑取為500mm，鉆孔完成后即進行錘擊沉樁作業(yè)，間隔時間不宜過長。

3.2.2 定位矩形樁打設(shè)

樁體采用鋼絲繩兩點（或按合理的起吊吊點設(shè)置）側(cè)位捆綁法捆綁，用履帶式吊機將矩形樁吊起，此時樁處于直立狀態(tài)；將樁吊至樁位點處，樁尖對樁位點穩(wěn)住樁體。樁插入時的垂直度偏差不得超過0.5%，如果超差，及時調(diào)整，必要時拔出重新下樁。矩形樁就位下樁過程中，用正側(cè)面經(jīng)緯儀認(rèn)真控制樁身垂直度，樁錘、樁帽、樁身要始終在同一垂直線，以免產(chǎn)生偏心錘擊。吊機松開吊樁的鋼絲繩，起吊錘機；將錘機吊至矩形樁樁頂處，對準(zhǔn)樁頂后，吊機緩慢下鉤，當(dāng)錘機下端的專用樁帽完整套入矩形樁的樁頂后，吊鉤即停止下降，吊繩自然的帶住錘頂，開始壓錘。

壓錘的力量應(yīng)注意控制，防止溜樁，隨著樁的繼續(xù)入土，應(yīng)隨時監(jiān)測樁的垂直度。如有偏差，可以停止壓錘，調(diào)整樁的垂直度，壓錘結(jié)束后，對垂直度再次進行調(diào)整后，啟動液壓工作站，開始提錘打樁。

為了防止溜樁，開始錘擊時，對錘的能量應(yīng)控制1～2 擋范圍輕錘試擊。經(jīng)檢查無誤后，開始連續(xù)錘擊沉樁。

當(dāng)沉樁至機械手扶直器所夾持的位置時，暫停沉樁，將機械手扶持位置向下調(diào)整到合適位置，觀測樁身垂直度，無誤后繼續(xù)錘擊沉樁；當(dāng)樁身入土深度超過樁長2/3 后，可移開機械手扶直器，連續(xù)錘擊沉樁到設(shè)計標(biāo)高，標(biāo)高控制由陸上水準(zhǔn)儀進行。

3.2.3 導(dǎo)向架的設(shè)置

在定位樁打設(shè)完成后，進行導(dǎo)向架安放。導(dǎo)向架采用HW300×300×10×15 型鋼，一端與定位樁通過螺栓聯(lián)系起來，通過定位卡槽來保證H型鋼梁之間的插樁寬度，導(dǎo)向鋼梁長6～9m，導(dǎo)向架形成后續(xù)矩形樁打設(shè)的導(dǎo)向裝置，可按需設(shè)置，重復(fù)利用（圖8）。

圖8 導(dǎo)向架構(gòu)造示意圖

3.2.4 后續(xù)矩形樁的打設(shè)

在導(dǎo)向架設(shè)置完成后，即可進行后續(xù)矩形樁的打設(shè)，根據(jù)矩形樁的排列，將后續(xù)的矩形樁相繼插入導(dǎo)向架槽口。插入時要求保證矩形樁的垂直，同時，保證矩形樁連續(xù)排列。

同樣，采用機械手扶直器扶持樁體，來調(diào)節(jié)樁身垂直度，并上緊卡槽調(diào)節(jié)裝置；調(diào)整好后開始上錘，開始時同樣是輕錘送樁，控制好樁身垂直度，當(dāng)矩形樁入土穩(wěn)定后，即可連續(xù)錘擊沉樁，將矩形樁陸續(xù)送達(dá)設(shè)計標(biāo)高。完成后，依次類推，陸續(xù)將矩形樁成排打設(shè)。

3.2.5 冠梁制作

為保證矩形樁與土體貼合密實，預(yù)成孔樁徑要小于矩形樁短邊長度，或根據(jù)地層軟硬程度，預(yù)成孔直徑介于矩形樁短邊長度與長邊長度之間，在矩形樁下沉前，在空隙處預(yù)埋注漿孔，沉樁達(dá)到指定標(biāo)高后，采用高壓注射水泥漿方法，使矩形樁與土體密切結(jié)合。矩形支護樁與冠梁連接可參照圖9，在設(shè)置托板及放入鋼骨料架后，首先澆灌樁頂設(shè)計標(biāo)高以下灌注范圍的混凝土，澆灌填芯混凝土前，應(yīng)將樁內(nèi)壁浮漿清除并清洗干凈，澆筑用混凝土強度不得低于冠梁混凝土中強度等級。連接主筋在端板頂處向冠梁內(nèi)彎折，錨入冠梁的錨固按相應(yīng)規(guī)范取值。

圖9 矩形樁與冠梁連接構(gòu)造

4 實施效果監(jiān)測

為驗證支護效果，在矩形樁支護段外側(cè)土體中設(shè)置測斜管，測斜管直徑75mm。實測支護樁開挖至基底工況下，樁身位移結(jié)果如圖10所示。監(jiān)測結(jié)果顯示，支護結(jié)構(gòu)位移最大值為22.47mm，最大位移發(fā)生在樁頂，位移控制效果基本可滿足規(guī)范規(guī)定及工程實際要求。

圖10 矩形樁開挖至基底實測位移

5 結(jié)論

以武漢三級階地碎石土地層預(yù)制空心矩形樁基坑支護實例為基礎(chǔ)，研究預(yù)制空心矩形樁支護特性，探討矩形樁在硬質(zhì)地層中的施工方法，根據(jù)相關(guān)分析，得出如下結(jié)論。

1）預(yù)制空心矩形樁具有較好的抗彎剛度，通過工廠化制造，可提高樁體質(zhì)量，并有利于提高現(xiàn)場文明施工水平，加快施工進度。

2）不同于傳統(tǒng)施工方法，在老黏土或碎石土地層中，可采用預(yù)引孔沉樁法進行預(yù)制矩形樁施工，即采用旋挖鉆機預(yù)引孔，減少地層阻力，再采用振動錘擊方法將矩形樁下沉至設(shè)計標(biāo)高。通過該方法的使用，進一步拓展了預(yù)制矩形樁地層使用范圍，提高基坑支護預(yù)制化水平。

3）通過樁體及土體測斜管監(jiān)測，基坑位移滿足周邊環(huán)境及支護結(jié)構(gòu)位移控制要求，達(dá)到了比較好的支護效果，可為類似工程提供一定參照或借鑒。