咬合灌注桩多以圆形截面为主, 成桩多采用泥浆护壁的湿作业法成孔或挤土成桩 (如沉管灌注桩等) 。前者湿作业法成桩形成的泥浆对地下水及周边环境污染严重, 后者挤土成桩对周边已形成的工程桩或围护桩造成质量影响。为解决以上技术难题, 一种新型的围护桩型—沉管干提土式矩形咬合灌注连续桩应运而生。通过试验及验算证明, 矩形截面桩的抗弯能力大于同截面面积的圆形桩, 而且宽高比越大, 抗弯能力越强。

矩形灌注桩是将带钢翼凸边的矩形钢模管按设计要求沉入土层中, 然后采用沉管干提土式施工工艺成孔, 成孔后安放钢筋笼、浇筑混凝土。其中, 钢模的钢凸边置于矩形钢模管截面长边近中部处, 采用后桩切前桩的凸边混凝土沉管施工, 通过后桩的混凝土与前桩的凸边混凝土沿桩长咬接结合, 成为全桩长混凝土咬合的支护与防渗二合一的连续桩墙, 即矩形混凝土咬合连续桩墙。

矩形咬合桩墙的钢模管如图1所示, 是由矩形钢管底端的截面一侧焊接钢翼凸边, 钢翼凸边的截面为矩形, 突出钢模管部分为桩间净宽加100mm。该100mm为后桩切割前桩的尺寸, 留下的为二桩净距200mm, 统称钢翼凸边宽300mm。矩形钢管截面的尺寸不同, 钢翼凸边的厚度也不同, 如表1所示。

提土装置有2种: (1) 有格挡提土装置用于有配套的推土器, 提土装置将管内土提出管口, 由推土器逐格将土体推出进入溜槽弃土, 可由计算机控制的提土装置上拔与推土同步, 逐格推出弃土; (2) 无格挡提土装置振动上拔提土将管内的土体提出管口, 随着出管口距离加大, 土体在振动力作用下失稳, 自行倒向无格挡的一侧而弃土。

1) 有格挡提土装置

有格挡提土装置 (见图2a) 须方便地插入模管内取土, 比钢模管中矩形管的内净尺寸各小50mm的矩形提土器, 提土器的截边短边为通长钢板, 通长钢板由间隔钢板条焊接而成, 提土器底部设有活动翻板, 允许土体进入提土器, 提土时活动翻板关闭, 阻挡提土器内土体下落。图2b为有格挡提土器从矩形钢模内提出土体的情形。由图2c可知, 有格挡提土器中土体需借助外部撬棍将格挡间土体撬落, 施工十分不便。

2) 无格挡提土装置

常用的无格挡提土器 (见图2c) 构造上有三面通长钢板, 留出无格挡的宽面, 提土器的底部设有活动翻板。施工时允许土体进入提土器, 向上提土时活动翻板关闭, 阻挡提土器内土体下落, 拔出钢模管顶, 提土器内土体在振动作用下失稳, 因没有横格挡护土 (见图2d) , 提土器从矩形钢模管内上拔出管口一定高度、提土器内土体因无格挡阻挡而失稳, 自行倒向无格挡的宽面侧而弃土。

考虑到施工效率, 施工现场一般用无格挡提土装置, 施工时重点控制倾倒土体的有序弃土。

提土装置的长度可选取6~9m, 最长宜控制在12m, 具体根据用于基坑工程的矩形咬合桩墙的深度决定。一般来说, 单层地下室基坑矩形咬合支护桩墙深度12~15m, 2层地下室基坑矩形咬合支护桩墙深度22~27m, 3层地下室基坑矩形咬合支护桩墙深度33~42m。不同深度的基坑矩形咬合支护桩墙不可能用桩长同长的提土装置, 只能用统一长度的标准长度提土装置。

矩形钢模管内的深层土体需采用接长杆接长后方能提取 (见图3) , 每节接长杆长度6~9m, 杆的中点焊接均分的4块三角形钢板, 以防在传递压力时因矩形钢模内壁的约束导致接长杆失稳。接长杆连接提土装置, 施工长桩须多次接杆、多次提土, 将矩形钢模管内土体取净;接长杆与接长杆的连接均为快速翻杆挂钩连接, 一般施工现场连接仅须3s即可翻杆挂钩连接上或翻杆挂钩脱离。施工长桩须多节接长杆相接, 因均在钢模管内接长, 有管壁约束, 能使多节连接的接长杆传递压力不失稳, 将管内土体全部取净。

如图4所示, 矩形咬合桩墙施工前, 先按施工矩形咬合桩墙要求加工好图1所示钢模管, 选取和加工好图2c所示无格挡提土装置和图3所示接长杆, 方可按下述程序进行矩形咬合桩墙施工。

1) 测量定位, 埋设控制点在此阶段需将桩基施工区域剔除地表硬壳层与进入钢模管内易产生土塞的土体。

2) 桩机就位用临时固定在地表与定位轴线平行的槽钢梁外侧与基坑中的桩墙内侧一致, 将图1中钢模管离小缝 (10mm) 靠贴槽钢梁, 即为控制施工桩墙的直线, 钢模管离小缝 (10mm) 靠贴槽钢梁, 校正垂直即为控制施工桩墙直线上的平面, 将钢模管加压振入土层至要求的髙程, 土体进入钢模管内。

3) 从钢模管的上口插入如图2c所示的无格挡提土装置, 加压振入至提土装置顶离管口平, 管内土体进入提土装置内, 振动上拔提土装置, 提土装置内的土体出管口到一定高度, 在振动力作用下如图2d所示土体失稳倾倒而弃土, 而提土装置不出管口, 又回到管内接长杆接长, 加压振入管内深层土体, 同理上拔弃土再接长再弃土直至钢模管内的土体取完取净。

4) 从钢模管的上口置入钢筋笼, 灌入混凝土, 振动上拔钢模管出地面, 即呈现图4所示带凸边混凝土的截面。

5) 桩机移位到图4所示虚线位置, 钢模管切前桩凸边混凝土100mm, 钢模管离小缝 (10mm) 靠贴槽钢梁, 校正垂直即为控制施工桩墙的直线将钢模管加压振入土层至要求的标高, 土体进入钢模管内, 重复上述步骤直至完成矩形咬合桩墙的施工。

间断施工是常规的, 施工现场很难做到24h不间断连续施工, 一般情况下施工至晩上后暂停施工待第2天再施工。但凸边混凝土存在新老混凝土结合的时间规定, 混凝土初凝前结合为无施工缝结合可防压力渗水, 到达混凝土终凝后的结合, 则与混凝土终凝后和混凝土到达设计强度之间的时间有关。通过现场土方开挖后实际情况以及进行的各类试验得出, 混凝土终凝初期即使有施工缝仍可承受低压渗水, 间断施工可按混凝土终凝的初期进行控制。一般情况下控制在12~48h, 具体需结合混凝土的性能对待, 当然离混凝土终凝时间越短结合处的防渗效果越好。

施工到晚间收工前必须将钢模管切前桩凸边混凝土沉入土层至标高收工, 待第2天再开始提土施工。前桩凸边混凝土已达终凝时间, 混凝土虽无强度但已失去流动性, 凸边混凝土对后桩钢模管的上拔不产生影响, 按间断施工混凝土终凝的初期控制原则可达低压不渗水咬合的效果。

二次灌注混凝土需保证钢模管内的混凝土有足够的自重压力, 以便填实因矩形钢模管上拔过程中钢翼凸边在土层内形成的空间, 需要控制土体在回弹恢复之前依托混凝土自重迅速充填凸边形成的空间。

咬合桩咬合部分的密实度和连续性关乎止水挡土帷幕的效果。施工过程中考虑到挤土型桩因挤土压缩在钢凸边或钢模管约束时呈弾性压缩体, 一旦约束消失, 土体将迅速回弹恢复。此时混凝土需提供足够的自重压力条件, 以便约束消失土体回弹恢复之前空隙已被混凝土置换, 才能保证成桩的桩体混凝土均匀密实。

对于取土型非挤土型桩保证钢模管内混凝土有足够的自重压力很重要, 考虑到干取土型也需采用沉管式施工, 存在钢模管的扶壁约束, 一旦约束消失, 土体自重压力下会流向约束空间而极易产生桩体缩颈。只有存在足够压力混凝土才能填满钢模管上拔而解除约束的空间, 才能保证桩内混凝土均匀密实。

用沉管式施工必须保证钢模管内混凝土有足够自重压力的条件, 二次灌注混凝土的意义就是保证钢模管内混凝土有足够的自重压力。

矩形沉管干提土式咬合灌注连续桩是一种新型的基坑支护桩, 是以改进后的刚性矩形截面支护桩通过切割前桩凸边咬合成桩。咬合处不存在施工缝, 通过试验验证, 既能起到支护作用, 又能达到止水帷幕抗渗要求, 矩形桩截面的特性又使得其力学性能可充分发挥。矩形沉管干提土式咬合灌注连续桩是典型的降低能耗、降低材料浪费、降低成本、节能减排、低碳环保的新型支护桩型, 实现无泥浆排放、轻微挤土的效果。然而, 该新型桩型的开发是基于类似于宁波地区这样的软土地区, 基于试验性质的实践, 并未在中大型基坑支护中应用, 是否能够在中大型基坑支护中得到好的效果, 并应用于其他类型的地质还有待大量工程实践的证明。