矩形樁施工技術(shù)及應(yīng)用研究

張 艾

（上海遠(yuǎn)方基礎(chǔ)工程有限公司，上海市 200436）

0 引言

樁基礎(chǔ)較多的用于含不良地基土導(dǎo)致承載力不足的情況，樁基礎(chǔ)是樁通過與承臺或筏板共同作用共同承受動靜荷載的一種深基礎(chǔ)，包括圓形樁、方形樁、矩形樁、異型樁等。其中，應(yīng)用最多、分布最廣、種類最豐富的是圓形樁。然而，無論是圓形預(yù)制樁還是現(xiàn)場灌注圓形樁，都存在混凝土材料用量多，造價較高的不足[1]；在偏心受壓構(gòu)件中，圓形截面的力學(xué)性能遠(yuǎn)不如矩形截面好也被證實[2]，采用矩形鉆孔灌注樁而非圓形灌注樁提高承載力是更合理的選擇；李圃林等[3]以天津濱海新區(qū)某基坑支護(hù)工程為例，介紹了矩形樁支護(hù)結(jié)構(gòu)在軟土地區(qū)深基坑支護(hù)工程中的應(yīng)用，總結(jié)出矩形樁具有縮短工期從而降低工程造價的優(yōu)點；周航等[4]以及陳晨和劉全林[5]進(jìn)行了矩形樁荷載作用下的應(yīng)力分析，前者采用解析解與Matlab 數(shù)值模型相互驗證的方式，給出了不同樁土模量比、不同截面面積對矩形樁性能的影響，后者對上海浦東新區(qū)2 個相鄰基坑支護(hù)實例進(jìn)行模擬分析，根據(jù)模擬結(jié)果得到上海軟土地區(qū)內(nèi)，預(yù)制矩形樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)對兩相鄰基坑變形控制效果較好這一結(jié)論；在矩形樁應(yīng)用領(lǐng)域，趙升峰等[6]依據(jù)鹽城某基坑工程實踐，簡要地闡述了該支護(hù)樁的技術(shù)特點，并基于彈性法基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)地質(zhì)剖面單元計算原理，分析了預(yù)制矩形樁空腹截面對支護(hù)樁變形計算的影響程度。

基于泰國拉瑪三至曼谷西外環(huán)高速公路項目矩形樁實際施工過程，對較少學(xué)者關(guān)注的矩形樁施工關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用進(jìn)行研究。

1 工程概況

本工程矩形灌注樁尺寸共3 種，共271 根，15432 m，分別為1 m×3.8 m、1 m×3.0 m 和0.8 m×2.0 m。樁頂高程為-0.3～1.6，樁底高程為-56～-59，樁長為52～60 m。具體見表1。施工過程中存在不利情況有：存在高架橋下施工區(qū)域，高架橋安全垂直高度6.5 m，成槽與鋼筋籠吊裝須特殊考慮；部分矩形樁設(shè)計在河道內(nèi)。

1.1 地質(zhì)條件

根據(jù)地質(zhì)勘探數(shù)據(jù)結(jié)果可知，本工程區(qū)域地質(zhì)結(jié)構(gòu)以黏土層、砂質(zhì)黏土地層為主。標(biāo)段區(qū)域土層從上到下依次為：表層回填土、軟弱土層、中硬黏土層、中粗砂層、細(xì)砂層、堅硬黏土層、中粗砂層、細(xì)砂層。具體地層信息見表2。

表2 地質(zhì)情況表

1.2 水文條件

本項目所在區(qū)域位于熱帶，分旱季和雨季。雨季從7 月至11 月，12 月至次年6 月是旱季，全年有85%的雨量集中在雨季，雨季強(qiáng)降雨對樁基及下部結(jié)構(gòu)施工影響較大。

2 矩形樁施工工藝

2.1 施工工藝流程

矩形樁目前已經(jīng)被推廣至眾多領(lǐng)域，包括高架橋墩柱基礎(chǔ)，邊坡防護(hù)工程中作抗滑樁，部分地墻的基坑支護(hù)等，矩形樁施工工藝流程見圖1。

圖1 施工工藝流程圖

2.2 矩形樁的施工工藝

2.2.1 導(dǎo)墻施工

樁基成槽前需構(gòu)筑導(dǎo)墻，導(dǎo)墻主要有三個作用，其一是作為成槽導(dǎo)向，其二是泥漿存儲，其三是穩(wěn)定地表土層，導(dǎo)墻質(zhì)量對施工過程中槽壁穩(wěn)定性具有重要影響。實際施工中采用“┒┎”型導(dǎo)墻，導(dǎo)墻翼面寬度均為0.5 m，厚0.2 m；側(cè)墻厚度為0.2 m，深度為1.8 m，導(dǎo)墻頂部標(biāo)高超出臨時道路路面10 cm，導(dǎo)墻內(nèi)凈尺寸比樁基外部尺寸每邊大5 cm。導(dǎo)墻施工順序為：測量放樣→導(dǎo)墻開挖→扎筋、立?！鷿沧⒒炷痢鹉?、加撐。根據(jù)導(dǎo)墻實際施工，總結(jié)以下幾點導(dǎo)墻施工控制：

（1）導(dǎo)墻開挖過程中，控制斗寬與導(dǎo)墻寬度一致，開挖時由于土體的應(yīng)力釋放造成部分土體塌方，導(dǎo)致成槽寬度會較導(dǎo)墻寬度稍大，選取斗寬與導(dǎo)墻寬度一致的挖機(jī)能在保證導(dǎo)墻寬度的同時盡量減少后期混凝土澆筑量；

（2）扎筋、立模過程中，模板垂直度與平整度控制可分別通過使用全站儀復(fù)測后調(diào)整以及控制模板大小來進(jìn)行控制，且模板采用鋼模板，單面支模并用鋼管扣件進(jìn)行加固，見圖2。

圖2 導(dǎo)墻制作示意圖（單位：mm）

（3）混凝土澆筑過程中，應(yīng)采取分層澆筑的方式，每層厚度為30～50 cm，單層澆筑完成后，利用振搗棒進(jìn)行混凝土振搗密實。

另外，對于部分河道內(nèi)的矩形樁施工，其導(dǎo)墻施工前須將區(qū)域內(nèi)的承臺用沙袋等物件圍住，將區(qū)域內(nèi)的水抽干，并進(jìn)行清淤工作，河底內(nèi)的淤泥沒有承載力，要適量的將河底內(nèi)的淤泥清理干凈，少量的可以采用水泥進(jìn)行攪拌，然后鋪設(shè)磚渣，因河底地質(zhì)情況較差，為了防止施工過程中出現(xiàn)塌方現(xiàn)象，磚渣鋪設(shè)完成后采用高壓旋噴對槽壁進(jìn)行加固使其能讓挖機(jī)在上方行走進(jìn)行挖導(dǎo)墻工作。圖3 給出了現(xiàn)場導(dǎo)墻制作圖。

圖3 導(dǎo)墻制作

2.2.2 矩形樁成孔

矩形樁成孔施工通常使用成槽機(jī)來進(jìn)行，當(dāng)遇到巖層時，可配合使用沖擊錘進(jìn)行施工，若遇到堅硬巖石而沖擊錘施工效率過低時，采用銑槽機(jī)進(jìn)行施工，或使用旋挖鉆進(jìn)行引孔后再利用銑槽機(jī)成孔。各地質(zhì)情況與推薦使用設(shè)備經(jīng)經(jīng)驗總結(jié)見表3。成孔深度為52～60 m。成孔過程中，每隔2 m 取一次土樣，遇到巖層后及時更換成槽設(shè)備。

表3 地質(zhì)情況與相應(yīng)推薦成孔設(shè)備

2.2.3 鋼筋籠加工與吊裝

由于部分矩形樁為高架橋下施工，存在6.5 m 安全高度。因此，鋼筋籠需進(jìn)行分節(jié)加工。正常標(biāo)準(zhǔn)節(jié)長度設(shè)置為12 m，高架橋下標(biāo)準(zhǔn)節(jié)長度設(shè)置為4.35 m，并采用低凈空的吊車或者龍門架進(jìn)行鋼筋籠下放，見圖4。根據(jù)現(xiàn)場施工設(shè)備及施工環(huán)境適當(dāng)調(diào)整每節(jié)的長度。

采用鐓粗直螺紋接頭進(jìn)行分節(jié)鋼筋籠豎向連接，其它鋼筋采用焊接方法焊接。鋼筋籠加工過程中，將鋼筋平整度控制在在10 mm 以內(nèi)，且在混凝土梁上每間隔7～8 m 安置定位框。在端頭設(shè)立定位槽板，每一主筋分別嵌入對應(yīng)的定位槽內(nèi)，確保兩端面尺寸一致且主筋順直。

2.2.4 清孔

清孔采用泵吸反循環(huán)清孔。施工過程中，控制排漿管管口至槽底距離為20 cm，且施工中還需對排漿管位置進(jìn)行移動，單幅槽設(shè)置3 個排漿管排漿點，分別位于槽內(nèi)水平向?qū)挾葍?nèi)部四等分處。該工藝清孔較為徹底。泵吸反循環(huán)現(xiàn)場施工見圖5，工作原理示意見圖6。

圖5 泵吸反循環(huán)清孔

圖6 泵吸反循環(huán)示意圖

2.2.5 混凝土澆筑

（1）導(dǎo)管下放。實際施工中采用φ325 導(dǎo)管，導(dǎo)管首次使用前應(yīng)做水密試驗及接頭抗拉試驗。水密試驗中設(shè)置水壓不小于槽內(nèi)水深1.5 倍壓力，也不小于導(dǎo)管壁和焊縫可能承受灌注混凝土?xí)r最大內(nèi)壓力的1.5 倍。導(dǎo)管長度為導(dǎo)管底部距孔底0.5 m。

（2）澆筑控制。取用坍落度180～220 mm、標(biāo)號為C30 商用混凝土，首灌量滿足導(dǎo)管初次埋深不小于1.0 m 和填充導(dǎo)管底部間隙的需要，后續(xù)繼續(xù)澆筑過程中，通過拔除部分導(dǎo)管確保導(dǎo)管埋深在2～6 m 之間?；炷翝仓F(xiàn)場見圖7。

圖7 混凝土澆筑

2.2.6 墻體成型后注漿

地下連續(xù)墻后注漿是通過在地下連續(xù)墻鋼筋籠制作時預(yù)留注漿管，并在地下連續(xù)墻澆筑完成后利用高壓注漿泵通過預(yù)設(shè)的注漿管向墻底注入水泥漿，直接對沉渣區(qū)域進(jìn)行滲透、擠密，填充孔隙。由于地下連續(xù)墻在施工過程中槽段內(nèi)泥漿會對基巖產(chǎn)生軟化現(xiàn)象，注漿過程水泥漿會對槽段巖層進(jìn)行劈裂，充填孔隙與裂縫，硬化后將巖土膠結(jié)成一個整體，形成一個強(qiáng)度大、壓縮性低、抗?jié)B性高和穩(wěn)定性良好的新的巖土體。其主要步驟有：

（1）聲測管內(nèi)注入干凈的水（所有聲測管同時進(jìn)行），對聲測管進(jìn)行清理；

（2）向聲測管內(nèi)注入有一定壓力的清水，待管內(nèi)壓力達(dá)到4 MPa 后，停止灌水；

（3）向聲測管內(nèi)灌入水泥漿，灌漿速度不能超過5 L/min，待管內(nèi)壓力達(dá)到6 MPa 后或灌入的水泥漿體積達(dá)到4 m3后，停止壓漿；

（4）清理聲測管，槽底壓漿結(jié)束。

3 特殊矩形樁

除普通混凝土矩形樁外，還開發(fā)了兩種特殊現(xiàn)澆矩形樁，分別為空心矩形樁與后張法預(yù)應(yīng)力矩形樁。

3.1 空心矩形樁

空心矩形樁為預(yù)制樁，見圖8。其中部空心，空心形狀有圓柱形、球形、規(guī)則六面體形等，文獻(xiàn)[6]將實心矩形樁與空心矩形樁進(jìn)行截面慣性矩對比，證明空心矩形樁截面慣性矩減少是有限的，最大減小5.0%。（1）空心矩形樁工藝

圖8 矩形空心樁示意圖

空心矩形樁是一種新型的現(xiàn)澆混凝土樁，是一種細(xì)長的空心截面預(yù)制混凝土構(gòu)件。具體工藝為：定位放線→成槽機(jī)械成槽→下放鋼筋籠→放置空心球或者各種形狀的PVC 管，最后澆筑混凝土成型。

（2）應(yīng)用范圍

目前國內(nèi)空心方樁研究較少，應(yīng)用并不廣泛，主要應(yīng)用于淺基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工。

3.2 后張法預(yù)應(yīng)力矩形樁

（1）后張法預(yù)應(yīng)力矩形樁工藝

后張法預(yù)應(yīng)力矩形樁，其施工工藝為：先澆混凝土，待混凝土達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度75%以上，對鋼筋(鋼筋束)進(jìn)行張拉。其主要張拉程序為：埋管制孔→澆混凝土→抽管→養(yǎng)護(hù)穿筋張拉→錨固→灌漿。

（2）應(yīng)用范圍

后張法預(yù)應(yīng)力矩形樁設(shè)備簡單，但目前推廣并不多，主要適用于大型構(gòu)件施工。其內(nèi)部鋼筋籠布置見圖9。

圖9 后張法矩形樁鋼筋布置示意圖

4 現(xiàn)澆矩形樁與常規(guī)圓形鉆孔灌注樁的優(yōu)缺點對比

矩形樁與常規(guī)圓形鉆孔灌注樁相比具有以下優(yōu)缺點：

（1）矩形樁外表面積較圓形鉆孔灌注樁大且成方型，相同高度下矩形樁在土層中樁體與土的接觸面積更大，這就意味著方樁比圓形鉆孔灌注樁在同等地質(zhì)條件下能獲得更大的摩擦力。相一致的是，文獻(xiàn)[2]取相同截面面積的圓形鉆孔灌注樁、方樁以及矩形樁，計算得到矩形樁的垂直和水平承載力較圓樁大。

（2）通過理論計算，矩形樁的抗剪強(qiáng)度是同等圓形鉆孔灌注樁的2～3 倍；

（3）方樁的破損率較圓形鉆孔灌注樁更低；

（4）在支擋相同下滑力的條件下，圓形抗滑樁抗彎能力較矩形抗滑樁偏低35%以上[7]。

5 結(jié)語

基于泰國拉瑪三至曼谷西外環(huán)高速公路項目矩形樁實際施工過程，對矩形樁實際施工關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析討論，給出部分施工過程中控制點，并結(jié)合矩形樁目前的發(fā)展對現(xiàn)有矩形樁的應(yīng)用進(jìn)行總結(jié)。矩形樁目前還處于推廣階段，因此，矩形樁的大范圍應(yīng)用還需在其理論以及工程應(yīng)用方面得到更多的支持。