作为一种快速发展的支护方式, 咬合式排桩具有平面布置灵活, 防渗能力强、施工进度快、环境影响小等多重优点, 与传统支护形式相比具有明显的综合技术优势, 广泛应用于珠三角、长三角及江浙等地区。近年来, 随着工程经验的积累和施工技术的进步, 咬合式排桩的设计理论不断丰富, 适用范围也突破了软土地区的限制, 成功应用于多类复杂地质条件下的深基坑支护工程。目前, JGJ/T396—2018《咬合式排桩技术标准》已正式发布实施。

咬合式排桩是指混凝土桩或其他桩型相互咬合搭接形成的具有挡土和止水作用的连续桩墙。其布置形式主要有3类, 一是有筋桩 (简称荤桩) 与无筋桩 (简称素桩) 搭配, 二是有筋桩与有筋桩搭配, 三是有筋桩与无筋桩的复合搭配, 如图1所示。

根据桩身材料的不同, 咬合式排桩主要包括以下几种类型。

钢筋混凝土桩与素混凝土桩搭配形成的咬合式排桩俗称荤素搭配咬合桩, 是目前国内应用最为广泛的一种咬合形式, 其施工方式简便灵活, 止水效果好。支护设计时, 可按等效截面法将荤素桩等效为T形截面梁处理, 或将素桩作为安全储备, 仅考虑其抗渗止水作用, 但过于保守, 经济性不佳, 一般均按等效截面法设计。

一般情况下, 荤桩采用普通混凝土, 素桩采用超缓凝混凝土 (初凝时间>60h) , 以全套管软法切割方式施工。超缓凝混凝土配合比通过试验或经验确定。亦可采用硬法切割施工, 素桩采用普通混凝土, 但容易在切割过程中产生裂缝, 影响后期防渗效果。

钢筋混凝土桩与钢筋混凝土桩搭配形成的咬合式排桩俗称荤荤搭配咬合桩, 该类咬合形式适用于深度较大的基坑支护工程或兼作地下室外墙的咬合式排桩, 设计时将桩体折算为等厚度的墙体进验算, 承载力较大。相比地下连续墙, 其施工方式更为灵活, 适用于各种形状的基坑, 国际上也有钢筋混凝土桩与型钢加劲桩的荤荤搭配形式, 但应用较少。

荤荤搭配咬合桩的施工方式与荤素搭配咬合桩类似, 可配套软法切割或硬法切割方式施工, 亦可通过人工挖孔的方式实现咬合。

在荤素搭配咬合桩设计时, 如仅考虑素桩的抗渗及止水作用, 荷载均由荤桩承担, 则素桩的材料强度贡献不大。为降低工程成本, 同时便于施工管理, 可采用水泥搅拌桩作为素桩与钢筋混凝土桩咬合, 施工时, 先完成水泥搅拌桩, 再硬法切割施工钢筋混凝土桩, 咬合形成止水帷幕。

该类咬合形式是随着旋挖机械的推广使用逐步发展起来的, 目前已在深圳、温州多地使用。因水泥搅拌桩28d无侧限抗压一般为1MPa左右, 普通旋挖机即可轻松切削, 不会破坏水泥土的抗渗性能, 施工工艺较为简单, 止水效果良好, 造价较低, 但设计时需考虑咬合面的抗剪强度, 且受限于水泥搅拌桩机的工作性能, 不适宜在硬塑及坚硬黏土层、密实砂层及卵石层使用, 如图2所示。

因水泥搅拌桩机尺寸较大, 在场地较小或净高受限的情况下无法使用, 此时可选用高压旋喷桩作为素桩与钢筋混凝土桩搭接。先施工钢筋混凝土桩, 然后在桩间通过旋喷或摆喷搭接成止水帷幕, 或先施工旋喷桩, 再通过旋挖成孔等方式施工钢筋混凝土桩。该方式具有与水泥搅拌桩相似的特点, 但旋喷桩施工质量与操作人员的经验和地层情况密切相关, 不确定性较大, 止水效果及可靠度劣于水泥搅拌桩, 在较硬的土层、堆积松散的人工填土层、砾砂层的防渗效果无法保证, 造价较高。

只考虑荤桩承载力的另外一种咬合形式是采用普通M5或M7.5水泥砂浆桩作为素桩, 配套硬法切割施工方式, 与钢筋混凝土桩共同形成止水帷幕。在水泥搅拌桩/旋喷桩无法适用的地层, 先钻孔再浇灌桩身的砂浆桩具有较为明显的应用优势, 与素混凝土桩相比, 硬法切割时, 低强度的砂浆桩有利于减少对荤桩切削的影响, 保证垂直度, 同时降低素桩的开裂风险。

砂浆桩一般先行施工, 进入坑底以下0.5m, 不嵌岩, 施工工艺相对简单, 砂浆桩施工完成后, 再进行荤桩施工。

在部分地质条件复杂的区域, 如砂卵石层及较密实的砾砂层等, 普通搅拌桩/旋喷桩成桩困难或效果欠佳, 特别是在填石层、地下水丰富甚至存在动水的地层, 水泥搅拌桩/高压旋喷桩无法形成防渗效果良好的止水帷幕, 而采用砂浆桩替代则成本较高。故而部分工程开始尝试使用水泥土作为素桩材料, 水泥土采用水泥和黏土现场配制而成, 龄期强度1～2MPa, 旋挖/冲击成孔后浇灌成桩, 而后再施工钢筋混凝土桩, 咬合成止水帷幕。

水泥土就地取材, 可节约水泥用量, 较素混凝土桩、砂浆桩较为经济, 且水泥土强度低, 易于切削, 施工方便, 亦可在水泥土中插入型钢或钢筋笼作为荤桩使用, 特别适用于对支护结构强度有限制的区域, 如地铁隧道规划区 (支护强度≤2MPa) 。但因市场上尚无成品水泥土供应, 水泥土配合比、拌制机械、拌制方式、出料速度, 配料性能均需现场把控, 对现场施工经验和管控能力的要求较高。

传统的咬合式排桩施工方式起源于全套管施工工法, 最初应用于软土地区, 一般采用全套管钻机施工。随着施工技术的发展, 其施工工艺日趋多样化, 按护壁方式的不同, 可分为“套管护壁”和“泥浆护壁”;按荤桩成孔时素桩材料的凝结情况, 可分为“软法切割”和“硬法切割”, “软法切割”时素桩一般采用超缓凝混凝土, “硬法切割”则对素桩材料没有特殊要求。

咬合式排桩的关键施工技术在于成桩精度控制, 包括平面定位和垂直度两个方面。前者一般通过设置导墙来控制, 后者则主要通过成孔过程管理来实现。成桩精度直接影响排桩的咬合质量、支护的安全和抗渗。通过不同桩型及施工方式的组合运用, 咬合式排桩在不同地质条件中的应用越来越成熟。主要施工方法有以下几类。

全套管钻机 (又称搓管机或磨桩机) 是一种带有可升降液压卡盘, 能往复搓动、下压及起拔套管的全套管钻机, 配合履带式起重机及冲抓斗可实现全套管护壁及取土, 无需护壁泥浆、具有成桩精度高、充盈系数小、防渗能力强、对周边环境影响小等突出优点, 是目前咬合式排桩最常用的施工方式, 适用于软土地区。在配套冲击锤的情况下, 亦可用于处理孤石及嵌岩段的施工, 但效率较低。

施工时, 搓管机往复搓动套管降低摩阻力, 同时将套管压入地层, 通过带快放功能的履带式起重机将冲抓斗吊入套管内并释放, 实现冲抓取土。套管压入与冲抓取土同步进行, 一般情况下, 套管超前取土面1～4m, 以兼顾套管进尺速度和取土阻力, 具体根据地层条件而定, 砂层地层应适当增加超前深度, 以防流砂、管涌, 岩层地层套管则稍微滞后于取土面, 或采取半护壁方式。护壁类型如图3所示。

搓管取土成孔后, 放入钢筋笼, 一边浇筑混凝土一边拔管。搓管机切削力较小, 一般软法切割施工, 素桩采用超缓凝混凝土, 浇筑时混凝土面高于套管底不少于2m, 以防超缓凝混凝土管涌, 接口处荤桩采用砂桩处理, 待围护体系封闭时再正式施工。咬合式排桩施工顺序如图4所示。

在软土地区, 搓管机具有明显的技术优势, 桩身垂直度高、成桩质量好、桩间咬合紧密、止水效果好、沉降变形小、无泥浆污染, 对周边建 (构) 筑物的保护较为到位。但因搓管机扭矩较小, 无法应对复杂的地质条件, 在密实砂层、岩层等地层的应用受到限制。

全回转全套管钻机 (以下简称全回转钻机) 是在搓管机的基础上发展而来的一种可做360°回转的全套管施工设备, 相比于搓管机, 其扭矩大、下压力强、切割钻进速度快, 土层钻入速度可达14m/h, 钻孔深度可达120m以上, 适用于软土、硬土、填石、砂层、砾石层、硬岩等各类地质条件, 清障能力强。目前已开发出自行履带式机型, 现场施工生产非常灵活。

全回转钻机的施工工艺与搓管机基本相同, 通过配套履带起重机、冲抓斗、冲击锤在套管内取土。由于其强大的扭矩及下压力, 可实现超长超前护壁, 防止孔内流砂、管涌, 并可轻松切割各类硬岩, 切割强度可达120MPa, 实现桩基嵌岩。故一般采用硬法切割, 素桩无需采用超缓凝混凝土, 避免了搓管机施工过程中因荤桩成桩时间过长导致无法切割咬合的问题。

全回转钻机于1985年在日本问世, 仅少数大型设备商具备生产能力。至2011年, 国内尚无生产厂家, 进口数量不足20台。近年来, 虽然国内少数厂家已相继研制成功, 但市场保有量仍然较少, 施工成本较高, 一般用于地质条件复杂、周边变形及沉降要求严格而其他施工方式难以胜任的情况。

在采用冲抓斗施工时, 搓管机及全回转钻机的取土效率较低, 特别是在富水土层、密实砂层、硬岩层, 其取土效率直接影响施工进度及成本。为了解决这一问题, 旋挖机越来越多地被用于取土和嵌岩施工, 并形成了一种机械就位迅速、成孔速度快、成桩效率高、垂直度误差小的新型施工方式, 即旋挖咬合全套管施工工法。

根据套管压入方式的不同, 旋挖机与全套管有以下几种配套施工方式。

以旋挖机替代冲抓斗取土, 借助旋挖机高效的取土方式和强大的切削力, 可较大地提升施工效率, 并实现复杂地质条件和硬岩层的施工。但是受限于搓管机的扭矩和下压力, 该工艺下, 素桩一般仍采用超缓凝混凝土或其他低强度材料, 荤桩须在相邻素桩混凝土终凝前施工完成, 对现场施工组织要求较高。同时, 由于旋挖桩机的单价较履带式起重机+冲抓斗高出较多, 成孔费用会有一定的增加。

全回转钻机的适用范围非常广泛, 基本可适用于各种复杂地质条件, 其施工工艺俗称“万能施工工法”。但与搓管机类似, 在砂层、硬岩层采用冲抓斗+冲击锤施工时, 其成孔效率较低, 通过与旋挖机的配套使用, 两种机械可发挥出各自的优势, 大幅加快施工进度。

目前, 全套管钻机的保有数量仍然较少, 在无法配备全套管钻机时, 旋挖机可通过配套振动锤压入或起拔钢套管, 形成全套管护壁。该工艺一般采用软法切割, 施工较为简单, 野外作业时, 振动锤可采用柴油动力, 无需水电支持, 特别适用于富水非黏性土、砂层、砾石层, 但用于干硬性黏土、经人工排水的砂层则效率较低, 无法实现嵌岩, 套管深度一般≤15m, 且套管垂直度控制效果一般。

在未配备独立的沉管设备的情况下, 可通过驱动盘将旋挖机动力头与套管驱动器连接, 将旋挖机的扭矩及下压力传递给套管, 以实现套管的边旋转边压入, 形成全套管护壁。该工艺操作简单, 套管压入与旋挖取土交替进行, 但施工效率较低, 相较于搓管机及全回转钻机, 旋挖机动力头的扭矩及下压力较小, 故而该工艺仅适用于松散土层的浅桩软法切割施工, 套管深度一般≤20m。

在地下水位较低的软土地区, 咬合式排桩亦可采用双回转螺旋钻机+全套管的方式施工, 利用螺旋钻机将护壁套筒与钻具同步钻入地层, 土体通过螺旋钻叶片上升, 由套管管口排出, 成孔后通过压灌或干作业方式浇筑桩身材料如混凝土、砂浆等。该工艺施工较为简单, 取土效率较高, 与旋挖成孔相比造价较低。受限于螺旋钻机的钻入能力, 一般采用软法切割。

随着旋挖工艺的日益成熟, 在泥浆护壁效果良好的地层, 如无特殊的沉降及变形控制要求时, 可采用“旋挖施工+泥浆护壁”的方式替代传统的全套管施工。由于取消了全套管, 该工艺施工效率有较大提高, 施工进度较快, 适用于黏土、粉土层、砂层及风化岩层等各种地层。通过采用硬法切割方式, 可在素桩初凝或终凝后再进行荤桩切削施工, 素桩无需超缓凝混凝土, 减小了现场施工组织的难度。硬法切割在素桩切面形成近似地下连续墙的刷壁效果, 实现切面咬合。同时, 通过旋挖机垂直度自动控制系统及自动回位功能, 一般无需设置导墙即可实现咬合桩的精度控制, 有利于降低施工成本。该工艺也是目前较常采用的一种施工方式。

因采用硬法切割, 旋挖端部材料强度差异较大, 控制不当时易形成偏心切削, 在地层稳定性较差时, 桩身易出现颈缩、胀肚现象, 造成咬合不良、开叉渗水或管涌等安全隐患。故而采用该工艺时, 对机械手操作水平及现场管理要求较高。因采用泥浆护壁, 该工艺存在泥浆污染问题。

在卵石及抛石回填层等特殊地质条件下, 排桩成孔难度较大, 可采用冲孔处理。因冲孔垂直度控制难度较大, 素桩一般为水泥土或砂浆等强度较低的材料, 硬法切割施工。为确保排桩平面位置的准确, 需在地面设置导墙。

该工艺施工较为简单, 工程造价较低。但存在与旋挖+泥浆护壁施工方式类似的缺点。素桩采用混凝土时, 成孔垂直度易受影响, 常出现咬合不良情况, 且素桩桩身易因冲击力发生破坏。同时, 受冲孔工艺的影响, 施工效率较低, 进度较慢。

基坑支护工程投入大、造价高, 且占用土地。为更好地利用资源, 在城市核心区, 支护结构越来越多地作为地下主体结构的一部分使用, 多数采用地下连续墙做法, 采用咬合式排桩时, 对排桩的整体性提出了较高的要求。

一种较为简单的实现方式是采用人工挖孔咬合, 通过在人工挖孔桩内设置植筋与相邻桩形成受力连接, 将排桩连接成整体承载体系。早期的咬合式排桩作为地下主体结构使用时, 所有排桩均通过人工挖孔咬合, 随着旋挖机的日益普遍, 也可采用旋挖成孔与人工挖孔配套的方式实现。

软法切割施工时, 因施工组织不当和地质原因, 常出现荤桩施工时素桩已终凝的情况。此时亦可通过人工挖孔的方式进行处理。该工艺操作简单、质量可靠, 但因人工挖孔安全风险较大, 较少使用。

在变形控制要求较严的情况下, 相较于其他类别的深基坑支护方式 (见表1) , 咬合式排桩具有明显的技术优势, 综合考虑土地占用、兼作主体结构等因素后, 其社会经济效益亦较为明显。这也是其近年来得到广泛应用的重要原因。但咬合式排桩尚处于发展阶段, 没有成熟的设计理论和施工标准, 桩型类别众多, 施工方式更是日新月异。为更好地发挥出其应用优势, 必须因地制宜地选择合适的桩型及施工工艺 (见表2, 3) 。

作为一种快速发展中的新型支护形式, 咬合式排桩的可行性、可靠性已经得到了大量工程实践的证明。通过多种桩型和施工工艺的配套使用, 可适用于软土、硬土、砂石、硬岩等各类地层, 技术优势明显, 社会经济效益突出, 值得推广使用。目前, 咬合式排桩的设计理论尚未成熟, 需要结合工程实践经验进一步研究发展和应用。