預制方樁用作深基坑混凝土內支撐立柱的設計分析

0  引  言

基坑支護是一項系統工程，也是一項風險工程，設計過程應充分認識支護工程的特點，設計方案既要保證整個支護結構的安全，又要方便施工、節約造價。目前，土地使用范圍受限，支護結構不能超越用地范圍紅線，致使軟土地區大部分基坑采用板式圍護墻結合混凝土內支撐的支護型式。內支撐系統由水平支撐和豎向支承兩部分基本構件組成。在常規的支護工程中豎向構件包括立柱和立柱樁兩部分。其中立柱常采用角鋼格構柱、H型鋼[1]、鋼管或者鋼管混凝土柱，立柱樁常采用灌注樁、水泥土攪拌樁或者高壓旋噴樁[2~3]；部分工程采用PHC管樁[4]。根據工程需要，立柱和立柱樁進行組合設計。對大面積深基坑工程，豎向支撐系統采用上述組合型式，造價較高，不經濟，且立柱樁需要較長的養護時間。

針對以上問題，結合工程實例通過對預制方樁用作支撐立柱的可行性進行分析，對該立柱型式的技術難度、設計要點及施工注意事項進行較為詳細的闡述，并結合監測結果進一步證實了預制方樁用作內支撐立柱的可行性，希望為以后類似的工程提供一些借鑒。

1  工程實例

1.1  工程概況

本工程設2層地下室，基坑面積約17600m2，周長約535.0m?；颖眰鹊叵率彝鈮εc用地紅線最近距離約10.0m；南側地下室外墻與用地紅線最近約5.6m，西側地下室外墻距離用地紅線約9.0m；東側地下室外墻距離用地紅線約8.5m。

1.2 基坑支護設計概況

綜合本工程基坑開挖深度、場地土質條件、周邊環境保護要求以及工期及造價等因素考慮，本工程擋土支護樁采用450×600預應力高強度混凝土矩形支護樁，間距600mm。止水樁采用Ф850@1200三軸水泥土攪拌樁，水平向設置二道鋼筋混凝土內支撐，豎向立柱體系采用邊長500mm的預制方樁。支護型式詳見圖1。

2  關鍵的設計技術

2.1  預制方樁作為支撐立柱的可行性分析

豎向支撐體系包括立柱和其下的立柱樁。在允許的條件下盡可能利用主體結構工程樁以降低工程造價，提高工程經濟性；受主體結構影響時，立柱樁應專門增設。

支撐立柱需滿足基坑開挖階段的受力和使用要求，而且應便于現場施工操作[6]。在大面積的深基坑工程中，由于各個工程的現場環境以及主體結構設計等條件各不相同，必須合理地采取有針對性的技術對策，既要保障基坑工程的安全，又要兼顧施工效率，有效的解決工程中出現的具體問題。

內支撐立柱一般按照軸心受壓或者小偏心受壓柱計算。傳統的預制樁因其抗彎、抗裂能力較差，作為支撐立柱欠妥，但目前國內生產的高強度空心預制方樁，其抗彎、抗裂性能已提高，降低了原有混凝土方樁的施工破損率，且高強混凝土配方形頭部，耐沖擊性能較高，樁在施工中樁頭破損幾率很小。方形具有較大的焊接周長，充分保證每節樁之間的有效焊接強度，減小了施工中出現的節頭脫焊或移位現象，使沉樁質量較易保證。因此，高強度預制方樁可作為內支撐豎向的立柱及立柱樁，即“一樁兩用”。本工程設計采用PHS-B500(300)空心方樁作為立柱及立柱樁，現場實景詳見圖2。

2.2  預制方樁與首道支撐連接設計

支護樁、止水樁、工程樁及立柱樁施工結束后，開挖基坑內第一皮土方至第一道支撐底標高，人工清理立柱樁樁頭。清除樁頂時，不得將樁頭打得缺棱掉角、開裂、酥爛，避免影響預制樁與支撐的可靠牢固連接。

樁頭清理后，在預制方樁外側四周分別包焊4塊125×125×10角鋼，增大預制方樁立柱的強度，必要時可在外包角鋼上施加預應力。角鋼外側加焊矩形鋼綴板，其中支撐下第一塊鋼綴板尺寸為–440×450×12。外包角鋼應錨入支撐梁內，其錨固長度與預制樁錨入支撐內的長度相同。錨入支撐內的角鋼四周加焊長3.50m、直徑為Φ25（HRB400級）鋼筋的抗剪短鋼筋。預制樁與角鋼之間的間隙應采用等級不低于C30的素混凝土密實填充。預制方樁立柱與首道支撐的具體型式詳見圖3。

焊接結束后，在樁芯內插入連接主筋為6Φ20（HRB400級）鋼筋籠，并填芯澆筑混凝土至第二道支撐底標高。填芯連接鋼筋籠一般要求深入首道支撐內一定長度，露出樁截面500mm左右，露出的鋼筋彎鉤錨固在支撐里面，最后立柱樁樁頭與內支撐整體澆注在一起。

2.2  預制方樁與二道支撐連接設計

預制方樁立柱與第二道內支撐的連接節點區，處于壓、彎、剪復合受力狀態，受力較復雜。節點區不同尺寸和材料的抗力元件上下、左右、前后交錯，構造連接復雜。這種復雜的連接構造應合理、可靠、傳力明確，不應力集中，方便構件加設、支撐鋼筋綁扎及混凝土澆筑，實現“節點更強”的設計原則。第二道支撐與預制方樁立柱連接實施效果詳見圖4。

基坑工程中支撐梁為現澆鋼筋混凝土梁，支撐縱筋會受到預制方樁立柱的影響，不能使梁內縱向主筋順利貫通。若在節點處預制方樁立柱上開孔、現場穿過鋼筋，方樁內需設置上下兩層雙向鋼筋孔，消弱了樁壁，不利于保持節點的整體性。

現澆混凝土內支撐梁的寬度一般大于預制方樁立柱的邊長，因此設計時，可采用梁縱筋繞過方樁的連接方式，將梁端局部增大、加寬，使梁頂面和底面縱向鋼筋靠近樁邊連續通過。同時可根據計算，必要時加設牛腿作為梁的支座以傳遞梁的剪力。梁端加寬的腋角邊長不小于600mm，在梁寬的起點處，于鋼筋轉折點前后設置附加箍筋，以承受縱筋的側向張力。

立柱與支撐連接節點，施工期間主要承受臨時支撐豎向荷載引起的剪力，設計時一般根據剪力的大小計算確定后在節點位置立柱上設置足夠數量的抗剪鋼筋。圖5為設置抗剪鋼筋與臨時支撐連接的節點示意。

2.4  預制方樁底板止水構造設計

基坑工程中由于預制樁立柱要在水平支撐全部拆除之后方能拆除，水平支撐則隨著地下結構由下往上逐層施工而逐層拆除，因此立柱需穿越基礎底板，方樁立柱與結構底板接縫處，將成為地下水往上滲流的通道，應根據防水等級要求采取多道防水措施設防。立柱底板防水現場照片詳見圖6。

預制樁立柱位置，基礎底板設置施工縫，采用二次澆筑的型式，其中基礎底板施工縫應設置在基礎底板內部，即基礎分兩層施工，施工縫形成凹字形，把施工縫留在底板內部，降低基礎底板漏水的幾率。凹字后施工面積和深度應根據結構基礎底板的厚度和配筋綜合確定，不宜太大，深度建議取板厚的2/5。施工縫是混凝土結構的薄弱環節，也是地下工程易出現滲漏的部位，因此，其防水設防應采用多道設防的處理方法，具體防水措施詳見圖7。

基礎底板施工縫以下，在預制樁外側豎向包焊四塊高度為30mm，尺寸為510×510×10方形鋼片，且四塊鋼板焊接成一個整體；水平向包焊一塊530×530×10封閉的方形鋼板。豎向鋼板與預制樁間隙密實填充環氧樹脂或者丙烯酸脂膠乳類防水涂料等其它柔性防水材料，不宜采用剛性防水材料。最上端預制立柱四側采用四塊L140×140×10角鋼包焊，形成兩道防水，通過延長滲水途徑起到止水目的。

后期預制方樁鑿除后，采用一塊–600×600×10蓋在角鋼上面，四邊與密封角鋼焊接牢固。立柱位置留空澆筑，待立柱鑿除干凈后，將施工縫鑿毛，設置尺寸為20×30的遇水膨脹止水條，并采用水泥釘固定，然后填充微膨脹混凝土。

3  監測結果分析

本工程從基坑開挖至第一道內支撐底標高開始到拆除第二道內支撐期間，對預制樁立柱先后進行了20次沉降觀測，其中圖8為五個關鍵部位的立柱沉降變化曲線。從圖8可看出，預制樁立柱的沉降變化規律基本相似，均為回彈和沉降相互交叉。其中從第二道支撐施工到向下開挖土方至坑底（第十三次監測）這一段時間內，立柱沉降發展迅速。地下結構施工期間沉降仍繼續發展，但沉降速度明顯減慢，之后各測點的沉降緩慢趨向穩定。

從圖8中可看出，LZ2號立柱發生最大沉降為29.62mm；LZ1號立柱發生最大沉降最小沉降為18.51mm；LZ4號立柱和LZ5號立柱最大沉降兩者均接近于25.00mm。存在差異沉降是因立柱的沉降存在“時空效應”，LZ2號立柱和LZ5號立柱在先開挖的區域內。因此，沉降大于其它立柱。但是在整個基坑施工過程預制樁立柱沒有發現裂縫。表明采用預制方樁作支撐立柱能夠較好地承擔基坑開挖過程中支撐自重及部分豎向荷載。

4  結 論

目前相關基坑支護技術規范未明確內支撐立柱樁的具體設計方式，但在工程設計中，既要保證立柱、立柱樁的設計承載力具備足夠的安全度，又要保證立柱與支撐連接的可靠性，并應提出全面的質量檢測要求。

本工程施工已結束，實測結果表明，基坑開挖與地下結構施工階段，立柱沉降均在可控范圍內，對支撐穩定無安全影響，該方式是可行的、有效的。這說明本工程設計的預制方樁用作混凝土內支撐立柱的新技術是較成功的，可為今后類似的基坑工程提供一些借鑒。