矩形樁施工技術及應用研究

張 艾

（上海遠方基礎工程有限公司，上海市 200436）

0 引言

樁基礎較多的用于含不良地基土導致承載力不足的情況，樁基礎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，包括圓形樁、方形樁、矩形樁、異型樁等。其中，應用最多、分布最廣、種類最豐富的是圓形樁。然而，無論是圓形預制樁還是現場灌注圓形樁，都存在混凝土材料用量多，造價較高的不足[1]；在偏心受壓構件中，圓形截面的力學性能遠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]以天津濱海新區某基坑支護工程為例，介紹了矩形樁支護結構在軟土地區深基坑支護工程中的應用，總結出矩形樁具有縮短工期從而降低工程造價的優點；周航等[4]以及陳晨和劉全林[5]進行了矩形樁荷載作用下的應力分析，前者采用解析解與Matlab 數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2 個相鄰基坑支護實例進行模擬分析，根據模擬結果得到上海軟土地區內，預制矩形樁圍護結構對兩相鄰基坑變形控制效果較好這一結論；在矩形樁應用領域，趙升峰等[6]依據鹽城某基坑工程實踐，簡要地闡述了該支護樁的技術特點，并基于彈性法基坑支護結構地質剖面單元計算原理，分析了預制矩形樁空腹截面對支護樁變形計算的影響程度。

基于泰國拉瑪三至曼谷西外環高速公路項目矩形樁實際施工過程，對較少學者關注的矩形樁施工關鍵技術及應用進行研究。

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；部分矩形樁設計在河道內。

1.1 地質條件

根據地質勘探數據結果可知，本工程區域地質結構以黏土層、砂質黏土地層為主。標段區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、細砂層、堅硬黏土層、中粗砂層、細砂層。具體地層信息見表2。

表2 地質情況表

1.2 水文條件

本項目所在區域位于熱帶，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，雨季強降雨對樁基及下部結構施工影響較大。

2 矩形樁施工工藝

2.1 施工工藝流程

矩形樁目前已經被推廣至眾多領域，包括高架橋墩柱基礎，邊坡防護工程中作抗滑樁，部分地墻的基坑支護等，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 導墻施工

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

（1）導墻開挖過程中，控制斗寬與導墻寬度一致，開挖時由于土體的應力釋放造成部分土體塌方，導致成槽寬度會較導墻寬度稍大，選取斗寬與導墻寬度一致的挖機能在保證導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測后調整以及控制模板大小來進行控制，且模板采用鋼模板，單面支模并用鋼管扣件進行加固，見圖2。

圖2 導墻制作示意圖（單位：mm）

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

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

圖3 導墻制作

2.2.2 矩形樁成孔

矩形樁成孔施工通常使用成槽機來進行，當遇到巖層時，可配合使用沖擊錘進行施工，若遇到堅硬巖石而沖擊錘施工效率過低時，采用銑槽機進行施工，或使用旋挖鉆進行引孔后再利用銑槽機成孔。各地質情況與推薦使用設備經經驗總結見表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備。

表3 地質情況與相應推薦成孔設備

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，鋼筋籠需進行分節加工。正常標準節長度設置為12 m，高架橋下標準節長度設置為4.35 m，并采用低凈空的吊車或者龍門架進行鋼筋籠下放，見圖4。根據現場施工設備及施工環境適當調整每節的長度。

采用鐓粗直螺紋接頭進行分節鋼筋籠豎向連接，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，且在混凝土梁上每間隔7～8 m 安置定位框。在端頭設立定位槽板，每一主筋分別嵌入對應的定位槽內，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行移動，單幅槽設置3 個排漿管排漿點，分別位于槽內水平向寬度內部四等分處。該工藝清孔較為徹底。泵吸反循環現場施工見圖5，工作原理示意見圖6。

圖5 泵吸反循環清孔

圖6 泵吸反循環示意圖

2.2.5 混凝土澆筑

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

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

圖7 混凝土澆筑

2.2.6 墻體成型后注漿

地下連續墻后注漿是通過在地下連續墻鋼筋籠制作時預留注漿管，并在地下連續墻澆筑完成后利用高壓注漿泵通過預設的注漿管向墻底注入水泥漿，直接對沉渣區域進行滲透、擠密，填充孔隙。由于地下連續墻在施工過程中槽段內泥漿會對基巖產生軟化現象，注漿過程水泥漿會對槽段巖層進行劈裂，充填孔隙與裂縫，硬化后將巖土膠結成一個整體，形成一個強度大、壓縮性低、抗滲性高和穩定性良好的新的巖土體。其主要步驟有：

（1）聲測管內注入干凈的水（所有聲測管同時進行），對聲測管進行清理；

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

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

（4）清理聲測管，槽底壓漿結束。

3 特殊矩形樁

除普通混凝土矩形樁外，還開發了兩種特殊現澆矩形樁，分別為空心矩形樁與后張法預應力矩形樁。

3.1 空心矩形樁

空心矩形樁為預制樁，見圖8。其中部空心，空心形狀有圓柱形、球形、規則六面體形等，文獻[6]將實心矩形樁與空心矩形樁進行截面慣性矩對比，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澆混凝土樁，是一種細長的空心截面預制混凝土構件。具體工藝為：定位放線→成槽機械成槽→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）應用范圍

目前國內空心方樁研究較少，應用并不廣泛，主要應用于淺基坑圍護結構施工。

3.2 后張法預應力矩形樁

（1）后張法預應力矩形樁工藝

后張法預應力矩形樁，其施工工藝為：先澆混凝土，待混凝土達到設計強度75%以上，對鋼筋(鋼筋束)進行張拉。其主要張拉程序為：埋管制孔→澆混凝土→抽管→養護穿筋張拉→錨固→灌漿。

（2）應用范圍

后張法預應力矩形樁設備簡單，但目前推廣并不多，主要適用于大型構件施工。其內部鋼筋籠布置見圖9。

圖9 后張法矩形樁鋼筋布置示意圖

4 現澆矩形樁與常規圓形鉆孔灌注樁的優缺點對比

矩形樁與常規圓形鉆孔灌注樁相比具有以下優缺點：

（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條件下能獲得更大的摩擦力。相一致的是，文獻[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 結語

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