塑性混凝土咬合樁的設計與施工案例分析

中鐵隧道集團三處有限公司 深圳 518052

1 工程概況

本案例是一個典型的深基坑工程，其工點位于新疆烏魯木齊市天山區勝利路、新華南路、三屯碑路及燕兒窩路交匯處，地處鬧市區，南郊客運站和水上樂園匯聚于此，人流量和車流量較大。在項目東南側110 m處有一水庫分布，對于基坑開挖的環境條件極為不利。地下水補給極其豐富。工程最大的難度就是基坑開挖的止水效果，工程成敗也是能否將基坑止水帷幕達到設計要求的100%可靠度。

本項目分布在沖溝內，上游有一水庫，地下水豐富，且開挖面及以下一定深度范圍內均為松散的圓礫、粉土及粉砂。同時在基巖里分布有不規則裂隙，地下水的分布形式多樣，為松散巖類孔隙潛水、承壓水和基巖裂隙水。

本案例在止水帷幕的選擇上進行過多次的現場試驗和探討，原設計方案采用旋噴工藝，由于在松散的地層中，旋噴樁完全不能成樁，不能隔斷地下水，如采用地下連續墻，由于地層組成復雜，有礫石和基巖，普通的抓斗不能成槽，需要銑槽機成墻，施工成本很大。經過多種方案的選擇，本項目采用了新的施工工法——塑性混凝土咬合樁支護結構——來完成本基坑的擋土和止水墻。

2 案例說明

2.1 工程地質條件

根據成因和勘察測試，場地內主要地層由沖積洪積河床堆積形成的第四系全新統粉土、砂類土、圓礫和角度不整合下伏的三疊系泥巖、砂巖、礫巖構成。第四系地層厚度差異較大，沉積紊亂，巖性分布縱、橫向變化均較大；三疊系基巖面起伏較大。場地地表普遍分布厚度不均的人工填土。

2.2 設計方案

本項目最初方案為鉆孔樁排樁+2 道錨桿，止水帷幕采用旋噴樁。施工采用順作法，基坑開挖中心島的方式。

由于在現場旋噴樁試樁時，在該地層中采用旋噴樁無法成樁，經過多次技術認證，止水帷幕改為塑性混凝土咬合樁。塑性混凝土咬合樁（止水帷幕）和鋼筋混凝土鉆孔樁灌注樁排樁作支護結構，該2 種樁型獨立成排。由于采取了塑性混凝土樁，其強度低、韌性好，在施工機械選配上帶來很多便利，本項目選配了三一重工SR220旋挖鉆機，即可以順利成孔灌注。施工功效高，單班每天成孔16 根，為施工贏得了時間。

通過本站點主體圍護結構方案的調整，同時在施工中積累了塑性混凝土配合試驗以及成樁施工經驗。本文在此基礎上提出了“塑性混凝土咬合樁”設計及施工方法，將止水帷幕和支護結構兩墻合一，以便節約投資減少能耗。

3 塑性混凝土咬合樁設計[1-4]

塑性混凝土咬合樁（plastic concrete interlocking pile）以下簡稱PCP工法，即是塑性混凝土樁之間套打鋼筋混凝土鉆孔樁形成連續墻，起到擋土止水的作用（圖1）。鋼筋混凝土樁承擔截面的抗彎，其承載力驗算可以參照現行的規范執行，本文主要補充塑性樁的承載力驗算，其包括：塑性樁在鋼筋混凝土樁之間的錯動剪力設計值（V），軸向抗壓設計值（N），抗彎承載力（M）均由鋼筋混凝土樁承擔。

圖1 剛性樁與塑性樁間錯動剪切破壞驗算

3.1 塑性混凝土樁抗剪承載力計算

塑性混凝土樁應驗算塑性混凝土樁與剛性樁樁身局部抗剪承載力。塑性樁與鋼筋混凝土樁（剛性樁）之間的錯動剪切承載力和按下式驗算：

式中：τ1——剛性和塑性樁之間的錯動剪應力設計值（N/mm2）；

Q1——剛性和塑性樁之間單位深度范圍內的錯動剪力標準值（N/mm）；

q——作用于計算截面處的側壓力標準值（N/mm2）；

L——剛性樁之間的凈距（mm）；

de——錯動剪切高度（mm）；

τ——塑性混凝土抗剪強度設計值（N/mm2）；

τc——塑性混凝土抗剪強度標準值（N/mm2）。

3.2 塑性混凝土軸向抗壓承載力計算

塑性混凝土樁，在單位深度受側壓力的作用，對塑性混凝土產生的壓應力驗算。

式中：F——作用效應的抗壓強度設計值（N/mm2）；

fcs——塑性混凝土抗壓強度設計值（N/mm2）；

T——拱高（mm）；

b——計算寬度（mm）。

式中：F——塑性混凝土軸向抗壓設計值（kN）；

Fk——按作用標準值計算的軸向設計值（kN）；

式中：l——拱軸水平長度（mm）；

h——拱軸高度（mm）；

q——作用于計算截面處的側壓力標準值（N/mm2）。

4 工程案例

4.1 計算條件

本文以三屯碑路站地下交通樞紐為工點，采用塑性混凝土咬合樁的塑性樁進行驗算分析。本項目基坑開挖深度為12.10 m，圍護壁采用PCP工法，內設2 道錨桿。采用Φ800 mm@1 200 mm塑性混凝土咬合樁，搭接200 mm，樁的嵌固深度為6 m。鋼筋混凝土樁的樁身混凝土強度等級為水下C30，塑性混凝土樁身強度為5 MPa。

圖2 計算單元剖面

圖3 圍護壁排樁布置

根據圍護壁設計方案（圖2、圖3），土拱參數為：

T——拱高=250 mm；

h——拱軸高度=101 mm；

L——拱軸水平長度=449 mm。

4.2 圍護墻主動土壓力計算

根據本項目的巖土條件以及《建筑基坑支護技術規程》JGJ120—2012計算單元土應力包絡線見圖4。

圖4 單元土應力計算模型及最大挖深時水土壓力曲線

4.3 塑性混凝土配比

根據單元的計算，本項目塑性混凝土配合比28 d抗壓強度按5 N/mm2配制，考慮到水下灌注的影響，最終成樁抽芯取樣的混凝土強度不低于3 N/mm2。混凝土滲透系數為＜2×10-7cm/s。最終確定的塑性混凝土配合比： 水泥∶膨潤土∶水∶砂∶石為150∶60∶252∶890∶890，水膠比為1.20。實測28 d的混凝土強度為5.3 MPa。

4.4 塑性樁截面承載力驗算

4.4.1 塑性樁錯動抗剪承載力

滿足驗算條件。

4.4.2 塑性混凝土軸向抗壓承載力計算

塑性樁的軸向抗壓承載力＜5 N/mm2，滿足軸向抗壓強度要求。

由此可見，當塑性混凝土樁的樁身強度設計值達到5 N/mm2時，設計選用的塑性樁截面及樁身混凝土強度完全滿足截面承載力要求。

4.5 咬合樁施工

由于采用了塑性混凝土樁，施工采用了旋挖成樁的工藝，在施工主要增設排樁的施工導墻，在基坑開挖對施工的樁位進行了開挖驗樁，其止水效果很好，無明顯的滲漏現象。樁與樁均完全咬合。

5 結語

通過烏魯木齊市軌道交通1號線三屯碑路交通樞紐站基坑圍護方案的設計與施工，對于塑性混凝土土咬合樁工法得出以下結論：

（a）塑性混凝土咬合樁，在松散巖土層中特別是卵礫石地層中，常規止水樁難于實現時，采用塑性咬合樁，能起到止水、擋土作用；

（b）塑性混凝土咬合樁，由于其強度低便于咬合施工，其施工的可靠度大大高于剛性咬合樁，同時可以節約機械能耗，增加施工速度；

（c）盡管咬合樁的樁身強度和現行的建筑基坑規范有一定的沖突（要求混凝土強度不小于C20），但可以通過對其驗算，同樣能滿足設計規范要求；

（d）根據計算，當主動土壓力在196 kN·m時，塑性混凝土設計值5 N/mm2均能滿足截面承載力要求；

（e）塑性混凝土在水利壩基止水應用雖廣，但在深基坑工程可以作鋼筋混凝土咬合使用，具有抗彎和軸向受壓的地下連續墻，該工法實用性強，巖土使用條件廣，可以作為一種新工法來推廣應用于深基坑工程中。