土木工程咬合樁在鄰近高填土基坑中的工程應(yīng)用與實測分析

陳海兵 梁發(fā)云 何招智

摘要：針對某采用咬合樁圍護方案的鄰近高填土基坑工程進行分析，當咬合樁作為圍護樁時，可采用等效剛度法計算圍護樁的樁身變形；作為隔離樁使用時，忽略素混凝土樁的作用，僅考慮鋼筋混凝土樁的抗彎能力?，F(xiàn)場實測表明，鄰近高填土基坑工程在開挖時，咬合樁明顯地降低了基坑開挖對緊鄰高填土的擾動，滿足了高填土自身的穩(wěn)定，保證基坑工程在高填土作用下的安全。而咬合樁作為一種新型排樁圍護結(jié)構(gòu)，也能夠起到很好的應(yīng)力隔離作用，有效地分擔了鄰近超載的影響，確保了高填土的穩(wěn)定和基坑工程安全。

關(guān)鍵詞：咬合樁；基坑工程；高填土；隔離樁

中圖分類號：TU472文獻標志碼：A文章編號：16744764（2014）03000105

Application of Secant Piles in Excavation Pit Adjacent to

the High瞗illing Surcharge Loads and In瞫itu Measurements

Chen Haibing1, Liang Fayun1, He Zhaozhi2

(1 Department of Geotechnical Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, P.R. China;

2 Shanghai Geological & Mineral Engineering Investigation Co., Ltd., Shanghai 200072, P.R. China)

Abstract:To analyze an excavation engineering adjacent to high瞗illing surcharge loads, an equivalent stiffness method was applied to calculate the deformation of secant piles which were used as the retaining structure of foundation pit. And only the flexural capacity of reinforced concrete piles was taken into account when the secant piles were considered as the isolation piles. In the second case, the flexural capacity of plain concrete piles was ignored. The in瞫itu measurements revealed that both stability of the filling soil and safety of the foundation pit were satisfied in the excavation engineering adjacent to the high瞗illing surcharge load. Secant piles, as a new kind of retaining structure, are suitable for isolating the stress caused by the adjacent overloading, ensuring the stability of landfill soil and the safety of excavation engineering.

Key words:secant pile; excavation engineering; high瞗illing surcharge loads; isolation pile

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(yīng)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(yīng)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［34］。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(zāi)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(yīng)用［58］。

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(yīng)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［912］。

〖=D(〗陳海兵，等：咬合樁在鄰近高填土基坑中的工程應(yīng)用與實測分析〖=〗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

11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49 m，鄰近堆填土側(cè)的深坑區(qū)域開挖深度為59 m，工程樁采用04 m×04 m的預(yù)應(yīng)力方樁，樁長260 m。該工程針對基坑東側(cè)高達94 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72 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36~56 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06~11 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

12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516 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40 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［1314］。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

21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［810］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

22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(yīng)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］。

E1I1+E2I2=E3(4R－2a)h3012（1）

I1=I2－4I3（2）

其中I2=πR4/4；

I3=y1R2－y21(2y21－R2)8+

R48arcsiny1R－(R－a2)y3130

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(yīng)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0732 m。

23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100 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= 1525 m，考慮咬合樁的插入深度為Hd=1625 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05 m，滑動面繞過咬合樁墻，采用總應(yīng)力法進行計算，整體穩(wěn)定性安全系數(shù)為190，而基坑抗傾覆系數(shù)為114。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。

24內(nèi)力和變形計算

按照其高度折算成等效的均布荷載160 kPa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30~90 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(yīng)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。CX1和CX2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20~60 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(yīng)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）doi:10.11835/j.issn.16744764.2014.03.002