塑性混凝土咬合桩的设计与施工案例分析

中铁隧道集团三处有限公司 深圳 518052

1 工程概况

本案例是一个典型的深基坑工程，其工点位于新疆乌鲁木齐市天山区胜利路、新华南路、三屯碑路及燕儿窝路交汇处，地处闹市区，南郊客运站和水上乐园汇聚于此，人流量和车流量较大。在项目东南侧110 m处有一水库分布，对于基坑开挖的环境条件极为不利。地下水补给极其丰富。工程最大的难度就是基坑开挖的止水效果，工程成败也是能否将基坑止水帷幕达到设计要求的100%可靠度。

本项目分布在冲沟内，上游有一水库，地下水丰富，且开挖面及以下一定深度范围内均为松散的圆砾、粉土及粉砂。同时在基岩里分布有不规则裂隙，地下水的分布形式多样，为松散岩类孔隙潜水、承压水和基岩裂隙水。

本案例在止水帷幕的选择上进行过多次的现场试验和探讨，原设计方案采用旋喷工艺，由于在松散的地层中，旋喷桩完全不能成桩，不能隔断地下水，如采用地下连续墙，由于地层组成复杂，有砾石和基岩，普通的抓斗不能成槽，需要铣槽机成墙，施工成本很大。经过多种方案的选择，本项目采用了新的施工工法——塑性混凝土咬合桩支护结构——来完成本基坑的挡土和止水墙。

2 案例说明

2.1 工程地质条件

根据成因和勘察测试，场地内主要地层由冲积洪积河床堆积形成的第四系全新统粉土、砂类土、圆砾和角度不整合下伏的三叠系泥岩、砂岩、砾岩构成。第四系地层厚度差异较大，沉积紊乱，岩性分布纵、横向变化均较大；三叠系基岩面起伏较大。场地地表普遍分布厚度不均的人工填土。

2.2 设计方案

本项目最初方案为钻孔桩排桩+2 道锚杆，止水帷幕采用旋喷桩。施工采用顺作法，基坑开挖中心岛的方式。

由于在现场旋喷桩试桩时，在该地层中采用旋喷桩无法成桩，经过多次技术认证，止水帷幕改为塑性混凝土咬合桩。塑性混凝土咬合桩（止水帷幕）和钢筋混凝土钻孔桩灌注桩排桩作支护结构，该2 种桩型独立成排。由于采取了塑性混凝土桩，其强度低、韧性好，在施工机械选配上带来很多便利，本项目选配了三一重工SR220旋挖钻机，即可以顺利成孔灌注。施工功效高，单班每天成孔16 根，为施工赢得了时间。

通过本站点主体围护结构方案的调整，同时在施工中积累了塑性混凝土配合试验以及成桩施工经验。本文在此基础上提出了“塑性混凝土咬合桩”设计及施工方法，将止水帷幕和支护结构两墙合一，以便节约投资减少能耗。

3 塑性混凝土咬合桩设计[1-4]

塑性混凝土咬合桩（plastic concrete interlocking pile）以下简称PCP工法，即是塑性混凝土桩之间套打钢筋混凝土钻孔桩形成连续墙，起到挡土止水的作用（图1）。钢筋混凝土桩承担截面的抗弯，其承载力验算可以参照现行的规范执行，本文主要补充塑性桩的承载力验算，其包括：塑性桩在钢筋混凝土桩之间的错动剪力设计值（V），轴向抗压设计值（N），抗弯承载力（M）均由钢筋混凝土桩承担。

图1 刚性桩与塑性桩间错动剪切破坏验算

3.1 塑性混凝土桩抗剪承载力计算

塑性混凝土桩应验算塑性混凝土桩与刚性桩桩身局部抗剪承载力。塑性桩与钢筋混凝土桩（刚性桩）之间的错动剪切承载力和按下式验算：

式中：τ1——刚性和塑性桩之间的错动剪应力设计值（N/mm2）；

Q1——刚性和塑性桩之间单位深度范围内的错动剪力标准值（N/mm）；

q——作用于计算截面处的侧压力标准值（N/mm2）；

L——刚性桩之间的净距（mm）；

de——错动剪切高度（mm）；

τ——塑性混凝土抗剪强度设计值（N/mm2）；

τc——塑性混凝土抗剪强度标准值（N/mm2）。

3.2 塑性混凝土轴向抗压承载力计算

塑性混凝土桩，在单位深度受侧压力的作用，对塑性混凝土产生的压应力验算。

式中：F——作用效应的抗压强度设计值（N/mm2）；

fcs——塑性混凝土抗压强度设计值（N/mm2）；

T——拱高（mm）；

b——计算宽度（mm）。

式中：F——塑性混凝土轴向抗压设计值（kN）；

Fk——按作用标准值计算的轴向设计值（kN）；

式中：l——拱轴水平长度（mm）；

h——拱轴高度（mm）；

q——作用于计算截面处的侧压力标准值（N/mm2）。

4 工程案例

4.1 计算条件

本文以三屯碑路站地下交通枢纽为工点，采用塑性混凝土咬合桩的塑性桩进行验算分析。本项目基坑开挖深度为12.10 m，围护壁采用PCP工法，内设2 道锚杆。采用Φ800 mm@1 200 mm塑性混凝土咬合桩，搭接200 mm，桩的嵌固深度为6 m。钢筋混凝土桩的桩身混凝土强度等级为水下C30，塑性混凝土桩身强度为5 MPa。

图2 计算单元剖面

图3 围护壁排桩布置

根据围护壁设计方案（图2、图3），土拱参数为：

T——拱高=250 mm；

h——拱轴高度=101 mm；

L——拱轴水平长度=449 mm。

4.2 围护墙主动土压力计算

根据本项目的岩土条件以及《建筑基坑支护技术规程》JGJ120—2012计算单元土应力包络线见图4。

图4 单元土应力计算模型及最大挖深时水土压力曲线

4.3 塑性混凝土配比

根据单元的计算，本项目塑性混凝土配合比28 d抗压强度按5 N/mm2配制，考虑到水下灌注的影响，最终成桩抽芯取样的混凝土强度不低于3 N/mm2。混凝土渗透系数为＜2×10-7cm/s。最终确定的塑性混凝土配合比： 水泥∶膨润土∶水∶砂∶石为150∶60∶252∶890∶890，水胶比为1.20。实测28 d的混凝土强度为5.3 MPa。

4.4 塑性桩截面承载力验算

4.4.1 塑性桩错动抗剪承载力

满足验算条件。

4.4.2 塑性混凝土轴向抗压承载力计算

塑性桩的轴向抗压承载力＜5 N/mm2，满足轴向抗压强度要求。

由此可见，当塑性混凝土桩的桩身强度设计值达到5 N/mm2时，设计选用的塑性桩截面及桩身混凝土强度完全满足截面承载力要求。

4.5 咬合桩施工

由于采用了塑性混凝土桩，施工采用了旋挖成桩的工艺，在施工主要增设排桩的施工导墙，在基坑开挖对施工的桩位进行了开挖验桩，其止水效果很好，无明显的渗漏现象。桩与桩均完全咬合。

5 结语

通过乌鲁木齐市轨道交通1号线三屯碑路交通枢纽站基坑围护方案的设计与施工，对于塑性混凝土土咬合桩工法得出以下结论：

（a）塑性混凝土咬合桩，在松散岩土层中特别是卵砾石地层中，常规止水桩难于实现时，采用塑性咬合桩，能起到止水、挡土作用；

（b）塑性混凝土咬合桩，由于其强度低便于咬合施工，其施工的可靠度大大高于刚性咬合桩，同时可以节约机械能耗，增加施工速度；

（c）尽管咬合桩的桩身强度和现行的建筑基坑规范有一定的冲突（要求混凝土强度不小于C20），但可以通过对其验算，同样能满足设计规范要求；

（d）根据计算，当主动土压力在196 kN·m时，塑性混凝土设计值5 N/mm2均能满足截面承载力要求；

（e）塑性混凝土在水利坝基止水应用虽广，但在深基坑工程可以作钢筋混凝土咬合使用，具有抗弯和轴向受压的地下连续墙，该工法实用性强，岩土使用条件广，可以作为一种新工法来推广应用于深基坑工程中。