碎石土地層預制空心矩形樁基坑支護應用實例

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有限責任公司，湖北 武漢 430070)

伴隨綠色建造理念的逐步深入，建筑工業化水平不斷提升，很多預制支護結構在基坑工程領域不斷發展，預制預應力高強混凝土矩形支護樁（簡稱預制矩形樁）是近年來深基坑工程中采用的一種新型支護樁[1]。與傳統灌注樁相比，其具有樁身質量好、抗彎剛度大、施工方便、綠色環保等優點[2]。作為一種新型支護結構，預制矩形樁的應用對提高基坑支護預制化水平，提升現場施工文明程度，甚至促進基坑支護裝配化施工都具有重要意義。

預制矩形樁已在基坑支護領域開展了一些研究應用，如李圃林[3]、劉永超[4]、趙升峰[5]等開展了矩形樁支護結構在軟土基坑工程中的應用研究，陳靜[6]等通過對預應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應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]進行了預應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別，目前相關研究以外方內圓空心矩形樁居多。預應力矩形樁施工工藝與常規預制樁施工基本相同，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用于黏土層、淤泥質層等一般地層，對于硬質地層（如老黏土或碎石土）傳統方法難以滿足施工要求。

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

1 矩形樁截面特性

空心的矩形截面預制樁（圖1），是采用先張法預應力工藝，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 基坑方案設計

2.1 工程概況

工程位于武漢經濟技術開發區硃山湖以南，鄂江左線堤上路以北處。設置二層地下室，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。結合周邊環境、考慮工程進度要求，擬對部分支護段采取單排預制空心矩形樁懸臂式支護。

2.2 地層參數

根據勘察資料，基坑壁主要為第四系中更新統沖洪積（Q2al+pl）粘性土及碎塊石土，無地下水影響。基坑壁巖土特征如下：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。巖土物理力學參數如表3 所示。

表2 常規先張法預應力混凝土矩形樁力學性能

表3 巖土物理力學參數

2.3 支護結構計算

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、內腔洞寬高為400×300 作為支護結構，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，經計算，得到內力位移圖，如圖3 所示。

圖3 計算內力位移圖

經設計計算對比（表4），矩形樁支護結構位移滿足地方標準規程[8]，相應計算內力均小于矩形樁抗力值，所選樁型可滿足基坑支護內力及變形要求。

表4 矩形樁設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，參照相關規范[9～10]，開展先張法預應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，樁身相關參數如表2 所示。試驗裝置如圖4 所示，主要測試內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，試驗數據如圖5、圖6 所示。根據試驗結果表明，樁體裂縫彎矩為520.3kN，極限彎矩下最大樁體變形為37.6mm。本文案例中彎矩設計值小于檢測試驗中矩形樁產生裂縫所對應彎矩，所選樁體滿足工程應用要求。

3 預制空心矩形樁施工

傳統方法上，高強度預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，這些施工方法所應用的地層強度一般不高，可利用施工設備的靜壓力或錘擊力等順利將樁體送入至指定標高，但當遇到硬塑狀老黏土或碎石土、強風化地層時，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計標高，后可采用注漿措施，保證矩形樁與土體貼合密實，從而達到順利成樁、有效支護的目的。

圖4 試驗裝置

圖5 不同彎矩結構變形

圖6 不同彎矩裂隙寬度

3.1 施工工藝流程

預制空心矩形樁在硬質地層中主要施工步驟包括：施工準備→導向樁施工→架設導向架→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 預引孔施工

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

圖7 施工工藝流程圖

預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，間隔時間不宜過長。

3.2.2 定位矩形樁打設

樁體采用鋼絲繩兩點（或按合理的起吊吊點設置）側位捆綁法捆綁，用履帶式吊機將矩形樁吊起，此時樁處于直立狀態；將樁吊至樁位點處，樁尖對樁位點穩住樁體。樁插入時的垂直度偏差不得超過0.5%，如果超差，及時調整，必要時拔出重新下樁。矩形樁就位下樁過程中，用正側面經緯儀認真控制樁身垂直度，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，對準樁頂后，吊機緩慢下鉤，當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。

壓錘的力量應注意控制，防止溜樁，隨著樁的繼續入土，應隨時監測樁的垂直度。如有偏差，可以停止壓錘，調整樁的垂直度，壓錘結束后，對垂直度再次進行調整后，啟動液壓工作站，開始提錘打樁。

為了防止溜樁，開始錘擊時，對錘的能量應控制1～2 擋范圍輕錘試擊。經檢查無誤后，開始連續錘擊沉樁。

當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整到合適位置，觀測樁身垂直度，無誤后繼續錘擊沉樁；當樁身入土深度超過樁長2/3 后，可移開機械手扶直器，連續錘擊沉樁到設計標高，標高控制由陸上水準儀進行。

3.2.3 導向架的設置

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

圖8 導向架構造示意圖

3.2.4 后續矩形樁的打設

在導向架設置完成后，即可進行后續矩形樁的打設，根據矩形樁的排列，將后續的矩形樁相繼插入導向架槽口。插入時要求保證矩形樁的垂直，同時，保證矩形樁連續排列。

同樣，采用機械手扶直器扶持樁體，來調節樁身垂直度，并上緊卡槽調節裝置；調整好后開始上錘，開始時同樣是輕錘送樁，控制好樁身垂直度，當矩形樁入土穩定后，即可連續錘擊沉樁，將矩形樁陸續送達設計標高。完成后，依次類推，陸續將矩形樁成排打設。

3.2.5 冠梁制作

為保證矩形樁與土體貼合密實，預成孔樁徑要小于矩形樁短邊長度，或根據地層軟硬程度，預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，在空隙處預埋注漿孔，沉樁達到指定標高后，采用高壓注射水泥漿方法，使矩形樁與土體密切結合。矩形支護樁與冠梁連接可參照圖9，在設置托板及放入鋼骨料架后，首先澆灌樁頂設計標高以下灌注范圍的混凝土，澆灌填芯混凝土前，應將樁內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彎折，錨入冠梁的錨固按相應規范取值。

圖9 矩形樁與冠梁連接構造

4 實施效果監測

為驗證支護效果，在矩形樁支護段外側土體中設置測斜管，測斜管直徑75mm。實測支護樁開挖至基底工況下，樁身位移結果如圖10所示。監測結果顯示，支護結構位移最大值為22.47mm，最大位移發生在樁頂，位移控制效果基本可滿足規范規定及工程實際要求。

圖10 矩形樁開挖至基底實測位移

5 結論

以武漢三級階地碎石土地層預制空心矩形樁基坑支護實例為基礎，研究預制空心矩形樁支護特性，探討矩形樁在硬質地層中的施工方法，根據相關分析，得出如下結論。

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

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

3）通過樁體及土體測斜管監測，基坑位移滿足周邊環境及支護結構位移控制要求，達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。