鄒正盛，莫云波，孔清華，孔紅斌

（1.河南理工大學(xué)土木工程學(xué)院，河南 焦作 454003；2.河南理工大學(xué)深部礦井建設(shè)開放實驗室，河南 焦作 454003；3.浙江華展工程研究設(shè)計院，浙江 寧波 315012；4.浙江巖土基礎(chǔ)公司，浙江 寧波 315011）

基坑工程中的支護樁承受著側(cè)向土壓力的作用，屬于受彎構(gòu)件。然而，目前工程實踐中卻以圓形截面樁為主，以鉆孔灌注樁為主要樁型。承受側(cè)向土壓力的支護樁，截面均勻配筋時有45﹪的鋼筋只發(fā)揮了很少的作用。從材料力學(xué)角度看，工字形截面明顯優(yōu)于圓形截面、矩形截面。由于深基坑中護坡樁受力復(fù)雜［1］，工字形截面護坡樁還會優(yōu)于T形樁。異形樁由于截面幾何性能的優(yōu)勢，力學(xué)性能往往較好，但其成樁難度較大。隨著我國大量基礎(chǔ)建設(shè)發(fā)展的需求，近些年來多種異形樁相繼問世，如 X 形樁［2～3］、Y 型樁［4］、Y-H 復(fù)合型樁［5］、T 形樁［6～7］等等。在這些異形樁的沉管成樁過程中，曾出現(xiàn)過鋼模管癟管和漲管現(xiàn)象［8～9］。Y形樁模管通過加隔板提高模管的剛度來解決此問題［8］。從力學(xué)上看，工字形截面的模管抗變形性能要弱于X或Y形，因此，工字形截面灌注樁鮮見報道與應(yīng)用。作者的團隊在這方面所做的一些研究與嘗試，經(jīng)過多年對異形樁的研究、借鑒與實踐，較好地解決了工字形灌注樁成樁技術(shù)。

1 工字形護坡樁的優(yōu)勢

以寧波某工程為例。該工程設(shè)地下室二層，基坑面積7700m2，基坑開挖深度8～10.6m，采用樁排內(nèi)支撐體系。計算得內(nèi)力Mmax=486.3(kN·m)、Mmin=－203.72(kN·m)。支護樁為φ700鉆孔灌注樁@800，或600×800工字形截面樁@800。下面從材料用量對兩者進行對比。

因支護樁的樁距、樁長相同，故可依據(jù)單樁工程進行對比。鉆孔灌注樁因為圓形截面，不能顯示配筋的方向性，故采用均勻配筋。按最大彎矩配筋，則其截面配筋量為6124mm2。工字形灌注樁截面配筋有明顯的方向性，故采用按彎矩包絡(luò)面積內(nèi)的不對稱配筋。計算得其截面總配筋量為3170mm2。顯然，采用工字形600×800灌注樁可節(jié)省鋼筋48.23%。

φ700鉆孔灌注樁單樁截面積為0.385 m2，工字形600×800灌注樁截面積為0.315 m2，則采用工字形600×800灌注樁可節(jié)省混凝土18.2%。

顯然，在我國深大基坑不斷涌現(xiàn)的年代里，開發(fā)工字形樁成樁技術(shù)非常必要。這在國家倡導(dǎo)節(jié)能減排與低碳生活的時代里也頗具重要的現(xiàn)實意義。

2 工字形截面樁鋼模管

2.1 全長工字形截面鋼模管

圓形樁、矩形樁和目前的異形樁模管均設(shè)計成全長等截面，如X形模管截面為中空X形［3］，Y形模管截面為中空Y形［4］，T形模管截面為中空 T形［6］。受其影響，工字形樁鋼模管加工成截面為中空工字形的全長等截面。按成樁工字形截面600mm×800mm考慮，工字形截面的腹板與翼緣厚度選用180mm，用12mm厚鋼板焊接而成工字形樁模管，用此工字形截面的鋼模管在某場地進行試成樁施工。采用擠土法成樁，施工很順利(圖1)。

圖1 工字形鋼模管(a)和工字形灌注樁(b)Fig.1 I-shaped casing(a)and I-shaped cast-in-place pile(b)

隨后，選擇正在擠土樁施工的場地進行試驗性的成樁施工。將由預(yù)制樁靴封底的鋼模管靜壓沉入土層18m，再置入鋼筋籠。在澆灌混凝土過程中發(fā)現(xiàn)，模管內(nèi)混凝土拒落。鋼模管拔出地面后發(fā)現(xiàn)，模管截面產(chǎn)生很大的永久變形(圖2)。腹板向內(nèi)撓曲，管內(nèi)空間縮小嚴(yán)重，混凝土擁堵不下落。

圖2 工字形鋼模管的變形Fig.2 Deformation of the I-shaped casing

分析認(rèn)為，鋼模管截面產(chǎn)生如此大的永久變形主要是由于施工擠土壓力與擠土造成的超靜孔隙水壓力作用所致。據(jù)軟土區(qū)沉樁孔壓觀測，初始超靜孔隙水壓力可達 30 ～100kPa，有的甚至超過 150kPa［10］。寧波沉管擠土樁施工實測初始超靜孔隙水壓力可達或超過土層上覆有效壓力，沉樁施工所形成的塑性區(qū)半徑約為10～15倍的樁徑［11～13］。在塑性區(qū)半徑范圍內(nèi)，土體超靜孔隙水壓力相近。按等效半徑計算得工字形樁沉樁的塑性區(qū)半徑為3.2～4.8m，此值已超出施工的樁間距很多。由于高的超靜孔隙水壓力的存在，模管周邊一定范圍的土體近“非壓縮性”［10］，體積不發(fā)生變化。按飽和土固結(jié)理論，模管壓入到這種體積不變的土體中時需排開土體，因此在壓入之始模管會承受很大的側(cè)壓力。隨著模管前端不斷下沉，土體環(huán)境壓力增大，初始超靜孔隙水壓力也增大，加上超靜孔隙水壓力的累加，模管所承受的側(cè)壓力將更大。由于模管不斷壓入，模管前端無疑始終處于這種綜合高應(yīng)力環(huán)境中。一旦模管產(chǎn)生了一定的變形，其抗變形能力就會急劇下降，最終導(dǎo)致模管產(chǎn)生永久變形。從工字形截面結(jié)構(gòu)看，腹板長，而且垂直腹板方向正是擠土支護樁的擠土方向。因此，腹板首先向空心方向撓曲。翼板受力雖然略小一些，但在腹板變形的牽引下，自然形成凹向空心的彎曲。

試驗表明，工字形截面鋼模管不適宜擠土型工字形沉管灌注樁成樁。

2.2 矩形加翼呈工字形截面的鋼模管

和工字形截面模管相比，矩形截面鋼模管剛度有很大的提高。通過在模管底端局部加翼形成工形樁模管(圖3)，即，在矩形模管底端4角焊接封閉的鋼凸邊，鋼凸邊高度以0.8m為宜，則這一小段模管截面為工字形包絡(luò)面(圖3中A-A剖面)，而其它段仍保留矩形截面(圖3中B-B剖面)。顯然，矩形加翼呈工字形截面的鋼模管完全保留了矩形鋼模管大剛度的優(yōu)勢。由于4個翼呈對稱性布置，所以模管沉入時不會出現(xiàn)傾斜、偏心等施工問題。同時，封閉的凸邊所占截面積和體積均小，模管沉入阻力基本上與全矩形截面模管相當(dāng)。在澆灌混凝土?xí)r，由于管內(nèi)混凝土的密度遠超出了樁周軟土，因此隨著鋼模管向上滑移，管內(nèi)混凝土在拔管振動與砼自重作用下將迅速充填在土層內(nèi)留出的空間，并得到密實，同時混凝土也能完全充填鋼模管翼處所留出的空間，最終形成工字形截面沉管灌注樁。

圖3 底端局部加翼鋼模管Fig.3 Structure of casing with wings at bottom

通過底端加翼，有效地解決了工字形截面灌注樁的鋼模管問題。擠土施工時，模管底部可加工成帶活瓣樁尖的裝置(圖3)。也可以采用底部開口的模管，施工時采用預(yù)制鋼筋混凝土樁靴封底。對于大尺寸的工字形樁，可以采用加翼開口矩形鋼模管取土法施工。

此種類型的鋼模管后在多個工程實踐中經(jīng)受了考驗，取得了成功的應(yīng)用。

3 成樁工藝

工字形灌注樁除了常規(guī)沉管灌注樁的方法外，若配合專用管內(nèi)取土裝置與方法，可組合成更多的方法。工字形灌注樁的施工方法，按驅(qū)動力分有靜壓沉管法和振動沉管法，按擠土與否分有擠土法和取土法，按取土方法分有提土器取土法和高頻振動排土法。施工工藝流程如圖4所示，各環(huán)節(jié)更詳細的工藝技術(shù)可參見文獻［14］，矩形模管內(nèi)取土的工藝原理可參見文獻［15］、［16］，在此不贅述。

圖4 工字形灌注樁施工流程Fig.4 Construction program of I-shaped cast-in-place pile

4 沉管變形控制對策

雖然矩形鋼模管的剛度較中空工字形模管高，而且進行了局部加強，但總體上要比X形和Y形弱些。中空工字形、X形和Y形模管在沉管過程中出現(xiàn)一些變形，甚至是破壞，警醒我們要加強沉管過程中鋼模管的變形的控制，以保證樁的施工質(zhì)量。

前已述及，軟土區(qū)模管擠土沉入變形主要是由于擠土施工形成的土壓力與超靜孔隙水壓力所致。因此，模管沉入變形的控制宜從擠土和超靜孔隙水壓力控制與防治著手。

(1)選擇適當(dāng)?shù)臉妒┕らg隔，控制沉樁擠土與超靜孔隙水壓力累加?；庸こ讨兄ёo樁圍繞基坑沿周條線狀布置，應(yīng)重視鄰樁擠土效應(yīng)。據(jù)研究［11～13］，對于圓形沉管灌注樁，寧波軟土沉樁施工所形成的塑性區(qū)半徑為10～15倍的樁徑，超靜孔隙水壓力影響半徑為20倍的樁徑。按等效樁徑計算，工字形樁沉樁塑性區(qū)半徑為2.8～4.1m。如果考慮基坑支護單排樁擠土的方向性，則塑性區(qū)半徑為1.5～2.3m。在此之外，土體超靜孔隙水壓力衰減快，土體易壓縮，擠土水平位移衰減也快。另一方面，加翼模管的4個翼在土中的移動軌跡為超靜孔隙水壓力消散創(chuàng)造了通道，降低了初始超靜孔隙水壓力，而且消散加快，有利于軟土固結(jié)壓縮。因此，沉樁引起的塑性區(qū)半徑會進一步縮小。事實上，多個工程采用隔2打1(樁施工間距為2.4m)的方案所造成的擠土效應(yīng)并不比常規(guī)的特別。

(2)靜壓沉管，避免高超靜孔隙水壓力產(chǎn)生。振動沉管采用高頻振動作為驅(qū)動力。據(jù)土動力學(xué)研究，在連續(xù)振動作用下，土體中孔隙水壓力會不斷累加，軟土可發(fā)生觸變，飽和粉土粉細砂易產(chǎn)生液化。但是，采用靜壓沉管方法，超靜孔隙水壓力就會小很多，可以避免高超靜孔隙水壓力的產(chǎn)生與累加。超靜孔隙水壓力的大幅度降低，對于保護模管不變形大有好處。

(3)管內(nèi)帶砼沉入，后插筋成樁。中空結(jié)構(gòu)體承受外壓力是有限的，但如果在中空里作用有內(nèi)壓力，則可以減小其內(nèi)外壓差。以承受一定的壓差來看，內(nèi)壓力大，則能承受的外壓力也越大。樁砼一般是在置入鋼筋籠后灌注的，但如果在模管內(nèi)先適時適量地灌入砼，則可減小模管內(nèi)外壓差，保護模管不變形。先灌注了部分砼，會給鋼筋籠的插入帶來困難，但比較成熟的后插筋技術(shù)可以解決此問題。

(4)變換施工方法，避免高超靜孔隙水壓力的不利影響。模管沉入時，土體中初始超靜孔隙水壓力很大，加上超靜孔隙水壓力的累加，對模管構(gòu)成威脅。但是，初始超靜孔隙水壓力下降很快，因此，如果讓模管先實后空，通過時間差來避開高的超靜孔隙水壓力的不利影響。取土成樁法即是如此。取土成樁法是先將開口模管壓入土中，此時模管非中空，模管可以承受很大的壓力。在管內(nèi)取土的這個時間里，很高的初始超靜孔隙水壓力快速下降到一個有限值，避免模管產(chǎn)生大變形。

5 結(jié)論

(1)全長等截面中空工字形模管因整體剛度小，施工中易受擠土壓力和擠土引起的超靜孔隙水壓力影響，可發(fā)生大變形，不宜用于較長沉管灌注樁的施工。

(2)底部加翼的矩形截面鋼模管的巧妙結(jié)構(gòu)使其整體剛度遠大于全長工字形截面模管，具抗變形能力強、所誘發(fā)的超靜孔隙水壓力低且消散快、沉入阻力與矩形鋼模管相當(dāng)?shù)葍?yōu)點，成功實現(xiàn)了工字形沉管灌注樁的成樁。

(3)工字形樁抗彎性能高，可減少鋼筋量，節(jié)省混凝土，降低成本。工字形樁系列施工工藝技術(shù)(方法)和沉管變形控制對策可成為成樁的保證，為大量推廣應(yīng)用奠定了堅實的基礎(chǔ)。

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