咬合樁在鄰近高填土基坑中的工程應用與實測分析

陳海兵，梁發(fā)云，何招智

（1.同濟大學 地下建筑與工程系，上海 200092；2.上海地礦工程勘察有限公司，上海 200072）

由于建設(shè)場地限制或景觀設(shè)計要求，緊鄰高填土進行基坑開挖的情況越來越多。在此情況下，既要滿足填土自身的穩(wěn)定，也需要保證基坑圍護結(jié)構(gòu)在填土作用下的變形。由于樁墻式結(jié)構(gòu)可以承受較大的變形，工程實踐中廣泛地采用此結(jié)構(gòu)形式進行應力或振動隔離設(shè)計［1］。在大面積堆載條件下，軟土地基可采用隔離樁進行應力隔離，以減少基坑開挖對鄰近建筑的不利影響［2］。隔離樁穿過土體滑動區(qū)嵌入下部土層，提高土體滑移面的抗剪性能，并可抵抗基坑開挖引起的側(cè)向土壓力，提高周邊土體的抗隆起穩(wěn)定性［3－4］。軟土地區(qū)隔離樁通常選擇分離式的排樁或地下連續(xù)墻等形式，與地下連續(xù)墻相比，同等條件下分離式的排樁造價較為便宜，但其墻體剛度則相對較弱。作為一種新型的排樁圍護結(jié)構(gòu)，咬合樁兼有地下連續(xù)墻和分離式排樁的優(yōu)點，施工速度快，對周圍環(huán)境擾動較小，自身剛度和隔水效果較好，在深基坑支護、易發(fā)地質(zhì)災害地段的擋土防護和鐵路橋梁基礎(chǔ)沖刷防護等都有較多的應用［5－8］。

咬合樁由鋼筋混凝土樁與素混凝土樁（下稱素樁）相互重疊形成連續(xù)樁墻。咬合樁的抗彎承載性能與分離式的排樁不同，主要是由于素樁對鋼筋混凝土樁剛度的有利影響。盡管咬合樁在工程中得到了廣泛應用，但關(guān)于咬合樁的計算分析理論仍不夠完善，有一些文獻通過理論、試驗或?qū)崪y方法研究咬合樁的抗彎性能［9－12］。

目前針對鄰近高填土基坑工程設(shè)計的隔離樁大多采用分離式排樁進行計算，隔離樁不作為圍護結(jié)構(gòu)。本文結(jié)合某鄰近高填土基坑的工程實例，對比分析傳統(tǒng)設(shè)計方法與咬合樁作為隔離樁及圍護結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法，通過現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)分析咬合樁作為圍護結(jié)構(gòu)和隔離樁的工程實踐效果，可為類似堆載或開挖條件下的隔離樁設(shè)計提供參考。

1 工程概況

1.1 基坑及工程地質(zhì)概況

該工程位于上海浦東新區(qū)，基坑普遍開挖深度為4.9 m，鄰近堆填土側(cè)的深坑區(qū)域開挖深度為5.9 m，工程樁采用0.4 m×0.4 m的預應力方樁，樁長26.0 m。該工程針對基坑東側(cè)高達9.4 m的景觀填土，提出采用咬合樁方案進行圍護設(shè)計，填土與基坑的位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 堆土與基坑開挖的關(guān)系（單位：m）

景觀填土的位置原先為軟弱地基，經(jīng)振沖碎石樁地基處理后，堆載填土后形成景觀，該工程場地需要利用部分的填土區(qū)域。由于高填土上種植有大量需要保護的綠化樹木，場地整平時對景觀填土采取了土釘護坡措施，填土坡角約為60度，基坑開挖前，現(xiàn)場監(jiān)測表明填土坡體處于穩(wěn)定狀態(tài)。高填土的坡腳與基坑邊線距離約7.2 m，圍護樁位于碎石樁加固處理的區(qū)域內(nèi)，地質(zhì)條件復雜，地下有3.6～5.6 m厚的雜填土障礙區(qū)。雜填土松散，含灰渣、碎石、碎磚等，局部以碎磚和砼塊等建筑垃圾為主。

淺部土層地下水屬于潛水類型，靜止水位埋深在0.6～1.1 m之間。主要設(shè)計參數(shù)如圖2所示，其中重度為γ，直剪固快峰值粘聚力c，內(nèi)摩擦角φ，k為滲透系數(shù)。

圖2 東側(cè)堆土與建筑的關(guān)系

1.2 基坑圍護方案分析

基坑東側(cè)有較高的堆填土，場地內(nèi)雜填土厚度大，成分復雜。整個場地地下水豐富，基坑底部為滲透性較強的砂質(zhì)粉土層。由于圍護區(qū)域內(nèi)地下障礙物大量存在，常規(guī)的樁基施工方法難以按設(shè)計要求完成。若進行清障處理則會影響到景觀填土的穩(wěn)定。

在擬建建筑完成后，后期東側(cè)仍需要施工擋土墻和回填土體以滿足建筑景觀設(shè)計要求，每延米大約需要回填51.6 m3的土方。因此，擬建建筑物的地下結(jié)構(gòu)頂、底板和側(cè)墻亦要有較大剛度與之匹配。

針對該基坑東側(cè)場地內(nèi)的地質(zhì)和水文條件、周邊堆載及后期景觀修建等情況，圍護結(jié)構(gòu)采用旋挖機施工灌注樁組成咬合樁排列形式，坑內(nèi)輔以鋼管對撐結(jié)合H型鋼立柱。同時，東側(cè)圍護墻邊有多個集水井存在，采用高壓旋噴樁對該區(qū)域進行坑邊加固，加固深度為坑底以下4.0 m。咬合樁既是基坑開挖時的圍護擋墻和隔水帷幕，也分擔結(jié)構(gòu)外墻和樁基受到的鄰近堆載，在安全和可靠性上有較大優(yōu)勢。

在成孔和灌注階段采用套管護壁，可以解決本工程地質(zhì)條件無法采用常規(guī)工法成樁的難題［13－14］。咬合樁施工采用沖抓履帶吊機套管搓管成孔，履帶吊機操縱沖抓斗沖抓取土。套管護壁至設(shè)計深度后在套管內(nèi)成灌注樁，同時搓管鉆機搓動起拔套管，邊起拔邊灌注，直至灌注完畢并起拔出套管，此時成孔和灌注成樁一次完成。

2 設(shè)計思路及計算

2.1 設(shè)計方法對比分析

設(shè)計采用的排樁圍護結(jié)構(gòu)與地下水、地質(zhì)條件以及圍護結(jié)構(gòu)的整體剛度等密切相關(guān)。在排樁圍護結(jié)構(gòu)中僅咬合式排樁兼具止水和抗彎的能力，其它類型的排樁圍護結(jié)構(gòu)需要加設(shè)水泥攪拌樁等輔助止水措施。當場地達不到輔助止水措施的施工條件時，咬合樁圍護形式就成為較優(yōu)設(shè)計方案。

咬合樁由鋼筋混凝土樁與素樁相互咬合排列形成（圖3）。首先施工素樁，在混凝土初凝之前完成切割，施工鋼筋混凝土樁，形成具有止水功能的咬合式連續(xù)樁墻。由于咬合樁中的素樁增加了鋼筋混凝土樁的抗彎剛度，設(shè)計時是否要考慮此部分貢獻，需要結(jié)合實際具體分析，特別是相關(guān)工程經(jīng)驗的積累。已有的工程實踐和相關(guān)研究［8－10］建議可以根據(jù)設(shè)計要求合理考慮素樁的作用，但是素樁出現(xiàn)裂縫時，其對整體剛度的貢獻就顯著下降。當需要考慮工程的安全時，特別是針對鋼筋混凝土樁的配筋時，采用偏于安全的分離式排樁計算配筋，更易設(shè)計人員所接受。

圖3 咬合樁示意圖

2.2 咬合樁等效剛度

該工程是在堆載條件下在坡腳進行基坑開挖，設(shè)置隔離樁以控制基坑開挖對鄰近高填土的擾動，并考慮高填土的長期穩(wěn)定性問題。廖少明等［9］根據(jù)抗彎試驗結(jié)果，將咬合樁的彎曲破壞過程分為彈性變形、彈塑性變形、塑性破壞等3個階段，隨著素混凝土樁裂縫的出現(xiàn)，咬合樁的抗彎剛度隨著素樁裂縫的發(fā)展而較快地降低，為保證素樁與鋼筋混凝土樁的共同作用，應將咬合樁的受力狀態(tài)控制在彈塑性變形階段以內(nèi)。此時，可按抗彎剛度等效原則計算咬合樁的等效樁墻厚度［9］。

式中：E1，E2分別為素樁、鋼筋混凝土樁的彈性模量；E3為等效樁墻的彈性模量；R為咬合樁的樁徑；a為咬合量；h0為等效樁墻的厚度；I1為單樁減去咬合部分后截面的慣性矩；I2為單樁截面的慣性矩；I3為單樁咬合部分的1／4截面所對應的慣性矩；y1為咬合面寬度的一半。

由于采用灌注樁組成咬合樁，目前旋挖機可以施工的灌注樁最小直徑為800 mm，設(shè)計采用咬合厚度為200 mm，結(jié)合式和計算得到等效樁墻的厚度h0為0.732 m。

2.3 咬合樁計算參數(shù)

高填土堆載產(chǎn)生的累積土體側(cè)移易對工程樁產(chǎn)生不利影響［15］，考慮到了周邊堆載較大，可能會對鄰近的工程樁產(chǎn)生不利作用，同時約10.0 m厚的軟弱粘土可能形成類似于文獻［6］提出的潛在滑移影響。因此，在滿足抗?jié)B流穩(wěn)定性驗算的條件下，咬合樁的插入比除了滿足基坑穩(wěn)定性計算要求外，主要是發(fā)揮鋼筋混凝土樁的隔離作用，以保護工程樁的安全和整個建筑場地的穩(wěn)定。鋼筋混凝土樁的樁端進入第⑤層粉質(zhì)粘土層以提高圍護結(jié)構(gòu)的阻滑作用。

若素樁與鋼筋混凝土樁同樣長度，勢必會增加工程量，提高工程造價，因此可以優(yōu)化減少素混凝土樁的長度。如圖2所示，高填土頂面至基坑底面的高差H＝15.25 m，考慮咬合樁的插入深度為Hd＝16.25 m。對于圓弧滑面的整體穩(wěn)定安全系數(shù)采用瑞典條分法，土條寬度取為0.5 m，滑動面繞過咬合樁墻，采用總應力法進行計算，整體穩(wěn)定性安全系數(shù)為1.90，而基坑抗傾覆系數(shù)為1.14。這樣，在減少工程量的同時，優(yōu)化后的咬合樁仍具有較大的安全儲備。

2.4 內(nèi)力和變形計算

按照其高度折算成等效的均布荷載160 k Pa考慮，采用彈性地基梁法計算等效樁墻的內(nèi)力和變形。

在基坑開挖到坑底時，在一道鋼支撐作用下，圖4所示為采用咬合樁的等效剛度和僅考慮鋼筋混凝土排樁的計算結(jié)果對比。從圖4（a）中可看出，兩種等效樁墻的位移在深度范圍為3.0～9.0 m時都較大，說明高填土對此范圍的坑內(nèi)土體產(chǎn)生了較大的側(cè)向變形影響。圖4（b）所示兩種等效樁墻得到的樁身彎矩較為接近，由于咬合樁受素樁開裂的影響剛度降低較快，發(fā)揮隔離樁作用的主要是鋼筋混凝土樁。因此，咬合樁在發(fā)揮隔離作用時，出于安全考慮，應不考慮素樁的抗彎承載作用。

圖4 咬合樁位移和彎矩分布

3 實測結(jié)果分析

對整個基坑的施工全過程進行監(jiān)測，東側(cè)測點布置如圖1所示。CX-1和CX-2為圍護墻的側(cè)移，JS1至JS5為堆土坡腳的豎直位移監(jiān)測點。

圖5為高填土坡角的累積沉降實測數(shù)據(jù)，在整個基坑施工期間，堆土累積沉降不斷增加，但增加的幅度較小。這表明咬合樁提供了較大的整體剛度，顯著減少了對高填土的影響，有利于堆填土體的穩(wěn)定。

圖5 堆土坡腳累積沉降實測數(shù)據(jù)

圖6是典型施工工況的墻身測斜情況，實測位移在深度2.0～6.0 m范圍內(nèi)墻體側(cè)移較大，這與圖4（a）采用咬合樁的等效剛度理論計算方法得到的最終位移趨勢是一致的，驗證了本文計算方法的合理性。

圖6 墻身測斜

監(jiān)測軸力的支撐位于堆填土最高值與基坑陽角對應位置，如圖1所示。若東側(cè)高填土對整個基坑區(qū)域產(chǎn)生附加荷載，易使得基坑產(chǎn)生偏移。從第43 d到51 d拆撐階段，圖7為實測鋼支撐軸力分布基本穩(wěn)定。這表明由于咬合樁樁墻整體剛度較大，高堆土的作用絕大部分作用在咬合樁墻上。該工程采用咬合樁作為隔離樁，除了考慮止水效果外，也利用了咬合樁墻剛度較大的特點。

圖7 支撐軸力實測數(shù)據(jù)

4 結(jié) 論

結(jié)合鄰近基坑周邊有高堆填土，采用咬合樁作為圍護結(jié)構(gòu)和隔離樁的實例設(shè)計分析，咬合樁結(jié)構(gòu)可以提供較大的安全儲備。若咬合樁作為臨時圍護結(jié)構(gòu)時，設(shè)計將素混凝土樁的裂縫發(fā)展控制在可接受范圍內(nèi)，達到基坑設(shè)計安全和經(jīng)濟，仍需要不斷積累工程經(jīng)驗。

工程主要考慮在彈塑性階段，采用等效剛度法計算咬合樁的變形。由于要求控制堆填土體的穩(wěn)定和保護工程基樁，咬合樁設(shè)置發(fā)揮隔水帷幕和隔離樁作用。實測表明，在周邊有高堆載的條件下，咬合樁一方面作為圍護墻體，可以減少基坑開挖引起的堆填土的擾動，另一方面咬合樁中鋼筋混凝土樁可作為永久隔離樁分擔超載的影響，確保堆填土的穩(wěn)定和工程基樁的安全。

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（編輯胡 玲）