中交四航工程研究院有限公司 广东广州 510230
摘要：为了解决临时围堰咬合止水桩桩顶极限位移不明确，无法有效指导现场坞内降排水作业和监测工作的难题，通过对咬合止水桩取样做抗折试验和抗压试验，获取抗折强度、抗压强度和弹性模量等材料重要参数，采用对咬合桩进行受力分析和公式推导等方法，进一步将各参数代入推导公式计算得到咬合止水桩桩顶极限位移，并对当前咬合止水桩的状态做出评价。
关键词：咬合止水桩；抗折试验；抗压试验；桩顶极限位移
The displacement control and evaluation method for cofferdam based on linked pile
Chen Mingjie,Wu Yinbin
(1 Guangzhou Nansha Engneering Company of CCCC Fourth Harbor Engineering Co., Ltd., Guangzhou, Guangdong 510230, China; 2 CCCC Fourth Harbor Engineering Institute Co., Ltd., Guangdong 510230, China)
Abstract：In order to solve the problem that the ultimate displacement for the top of water cut-off linked pile is not determined so that the work of dewatering for the dock and monitoring for the cofferdam can't be guided efficiently, the bending test and the compression test were carried out for the sample from water cut-off linked pile. The important material parameters such as tensile strength, compressive strength and elastic modulus were obtained. The methods of force analysis and formula derivation for linked pile were adopted. Farther more the material parameters were put into the formula to calculate the ultimate displacement for the top of water cut-off linked pile so that the safety of water cut-off linked pile was evaluate.
Key words: water cut-off linked pile; bending test; compression test; ultimate displacement for the top of pile
钻孔咬合桩是采用磨桩机施工，使桩与桩之间形成相互咬合的结构，从而达到围护和止水效果的一种围护体系[1]，由于其支护深度大、占地空间小等优点，在地铁、基坑、围堰和边坡等围护结构工程中应用比较广泛[2]。咬合桩是一种形式比较新颖的围护结构，桩与桩之间相互咬合，由于是在初凝前切割咬合部位再浇筑相邻桩，其止水效果比传统的桩身相切桩要好[3-4]。随着钻孔咬合桩被广泛推广使用，加深、加快对咬合桩的研究已经刻不容缓。
咬合桩目前在深基坑和围堰中应用较广，同时研究内容也较为深入，主要集中在抗弯承载力特性研究[1]、咬合桩结构施工及监测分析[2]、咬合桩设计方法[5]、咬合桩的施工止水工艺[6]等方面，而对于咬合桩在临时围堰使用过程中，允许的桩顶最大变形等鲜有研究。
本文立足深中通道桂山岛沉管预制场临时围堰项目，通过取芯样做抗折试验、抗压试验，研究咬合止水桩材料抗折、抗压破坏形态并获取相关的抗折、抗压强度及弹性模量等材料参数，进而代入推导公式计算临时围堰咬合止水桩桩顶最大允许变形，指导坞内降排水作业和相关的围堰监测工作。该项目中，设计方只给出了监测过程中表层沉降、水平位移和深层水平位移速率报警值，而对于止水桩累计位移报警值未能提供；监测过程中发现止水桩变形较大，有弯折开裂进而影响止水效果的危险；且经FLAC3D计算边坡稳定，其结果显示围堰坞侧边坡存在滑坡风险。由于围堰安全涉及整个项目及作业人员安全，亟需通过可靠的相对保守的算法获得止水桩桩顶的极限水平位移，进一步指导围堰的降排水作业和监测工作，本文的研究成果成功解决了这一难题。本文研究结论对于同类型项目设计、施工和监测工作具有重要指导意义，同时研究方法对于其他结构的变形也具有重要的参考借鉴价值。
1.工程概况及施工工艺
深中通道是国务院批复的重大基础设施项目，是国高网G2518的关键工程。该项目隧道沉管E1~E22管节在牛头道预制场进行浇筑并在深坞出运。预制场深坞为原港珠澳沉管预制场深坞，可存放3个深中通道标准管节。坞口外新建临时施工围堰，采用斜坡式结构，内外侧边坡均采用1:2。堤的内、外侧为抛填块石，堤心采用碎石堤心+碎石土，其止水结构采用直径为1200mm，桩与桩之间咬合量不得小于300mm的咬合桩。
咬合桩混凝土中各掺合料的添加数量为：水泥按照150kg/m3，膨润土按照20kg/m3，粘土按照200kg/m3，砂石骨料734kg/m3，其中砂率49%，水胶比0.78。粘土和膨润土含粘量（小于0.005mm）应大于50%，采用干掺法掺入。
施工前先进行室内配合比试验和试桩，试桩选取具有代表性的位置，试桩过程应详细记录施工设备、工艺参数、成孔时间等；试桩时根据套筒打设时间和提升的速度，确定混凝土的初凝、终凝时间，通过添加絮凝剂使咬合桩的初凝时间足够长，从而保证套筒打设过程中不破坏桩体完整性，同时保证咬合桩间混凝土胶结良好，达到止水效果。按照试桩确定的施工工艺及水泥、粘土、膨润土掺入比和水灰比、水胶比等参数进行大面积施工，施工采用全回转全护筒咬合排桩施工工艺，利用冲抓斗、冲击锤挖掘取土，根据试桩结论确保单根桩最低点入完整中风化岩面不小于0.5m。
咬合桩一般由A桩和B桩组成，二者相互咬合，共同作用形成不可分割的整体。其施工工艺流程是：A1—A2—B1—A3—B2—A4—B3……，如图1所示。其中A桩先施工，为被切割桩；B桩后施工，施工时切割相邻的A桩，形成咬合止水结构。
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图1止水咬合桩施工顺序
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图2抗折试验加载装置示意图（单位：mm）
2.室内材料力学试验
2.1抗折试验
随机选取芯样做成KZ1~KZ5抗折试件并进行抗折试验，试验加载装置如图2所示，本试验采用三分点位置加载，保证跨中位置为纯弯段，排除剪力影响。试验采用锟支座，对试件只约束竖向变形，水平方向均自由形变；加载中增加分配梁，梁下亦为锟轴加载，排除水平向约束。对比图3~4可知，试件破坏时，有且仅有一条裂缝，裂缝位置发生在跨中1/3跨度范围内，自试件底部往顶部缓慢延伸，底部裂缝宽度最大。除跨中唯一的裂缝外，未发现其他破坏痕迹。由于跨中1/3跨度范围内为纯弯段，可见试件为典型的梁式构件弯拉破坏。
将抗折试验结果绘制成图5的荷载-位移曲线，由图5可知，KZ1~KZ5试验加载初期位移随荷载缓慢增长，加载到一定程度力维持稳定位移缓慢增长，出现了类似屈服阶段的平台，平台段之后位移随荷载线性增长，但增长的速度比加载初期缓慢，出现了刚度强化段，达到峰值荷载后，荷载陡然下降，表现为典型的脆性破坏。将峰值荷载作为试件破坏荷载，并根据受力情况和截面尺寸计算相应的抗折强度，汇总成表1。从表1可知，KZ1~KZ5峰值荷载介于1.20~3.30kN之间，抗折强度介于1.11~3.05MPa之间，平均为2.25MPa。
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图3抗折试件破坏前状态 图4抗折试件破坏后状态
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图5抗折试验荷载-位移曲线 图6抗压试验荷载-位移曲线
表1抗折试验结果
2.2抗压试验
抗折试验完成后，取用折断后的芯样通过切割打磨做成抗压试件，进行抗压强度试验，获取抗压强度和弹性模量。从图7~8可知，各试件由于顶面底面受到加载板的约束，二者摩擦力导致顶面底面混凝土处于三向受压状态，抗压强度有所提高；而中部混凝土距离顶面底面较远，强度提高较小或无提高，破坏时均是中部先破坏，破坏后试件呈漏斗状。
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图7抗压试件破坏前状态 图8抗压试件破坏后状态
试验后将各试件的加载过程绘制成图6荷载-位移曲线（KY8由于抗压强度异常低，曲线图已剔除），从曲线中可以看到，加载初期位移基本随荷载线性增长且增长较慢，加载到一定程度后，曲线斜率开始下降，但荷载仍持续增长，位移增长速率较快，直至达到峰值荷载。峰值过后荷载开始下降，位移仍保持较快的速率增长，试件完全被破坏后停止试验。相比于抗折试验，抗压试验更多体现的是延性破坏。从图6可知，KY1的斜率最大，KY7、KY12的斜率最小，计算弹性模量时已予剔除，其他试件计算得到的弹性模量取平均值作为该组试件的弹性模量；抗压强度计算中，唯有KY8数据较为异常已予剔除，其他试件计算得到的抗压强度取平均值作为该组试件的抗压强度。将结果汇总后制成表2，从表2中可知抗压强度介于5.61~8.92MPa之间，平均值为7.31MPa；弹性模量介于485.15~1100.51MPa之间，平均值为775.83MPa。
表2抗压试验及弹性模量结果
3.变形计算
围堰挡浪结构顶标高为+6.1m，止水桩桩顶标高为+3.5m，对于止水桩桩顶已存在超载的水平土压力。根据长期监测数据显示，观测到的最大海侧水位标高为+1.82m，岩面标高为-14.4m，桩底标高为-14.9m，止水桩入岩0.5m。根据土石坝填料的情况，按照经验取值土石容重 kN/m3，内摩擦角 ，海水容重 kN/m3，画出外海侧对止水桩的受力简图如图9所示。
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图9止水桩海侧受力简图 图10止水桩计算单元（单位：mm）
选取止水桩其中一个单元进行截面计算（最终推导公式会抵消截面惯性矩），如图10所示。根据质心计算公式计算海侧合力质心与-14.4m平台距离 m。
将海侧的合力等效成集中力，该集中力作用点在质心位置。由于抗压强度比抗折强度高，验算开裂主要验算纤维拉应力产生的裂缝，按照悬臂梁弯矩计算和应力计算公式(1)~(2)及悬臂梁挠度计算公式(3)~(4)，有如下推导过程：
其中， 为破坏应力，单位Pa； 为破坏弯矩，单位N•m； 为纤维距离中性轴最远的距离，单位m； 对于中性轴的截面惯性矩，单位m4； 为施加在悬臂梁上的集中力，单位为N； 为集中力距离固接端部的距离； 为计算挠度，单位m； 为计算位置距离固接端部的距离； 为材料的弹性模量，单位Pa； 为悬臂梁的长度，单位m。计算桩顶位移时， ，根据公式(1)~(4)，推导有公式(5):
从公式(5)可知，桩顶极限挠度与破坏应力 成正比；与弹性模量 、纤维离中性轴最远距离 成反比；由于 ，主动力合力作用点距离固接端距离 越大，极限挠度越大；咬合桩的长度 越大，极限挠度越大。
根据文献[7]，基坑的水平位移和深层水平位移最大报警值取值为100mm及基坑深度1%二者的较小值，因此凡是超过10m的悬臂构件都统一按100mm的极限位移报警，按照坞内深度，最大桩顶位移应取100mm，但根据公式(5)分析，悬臂构件长度越长，顶部允许的水平位移越大，统一取值的规定显然过于笼统，也不太合理。根据抗折、抗压试验结果、合力作用位置及止水桩尺寸， MPa， MPa， m， m， m计算得 mm。计算结果止水桩桩顶极限位移为文献[7]规定的2.3倍，从而更加明确地指导坞内降排水作业，不至于因为担忧止水桩位移过大桩底端开裂而停止或减缓降排水速度。
由于临时围堰主要受力结构为土石坝，咬合桩只作为止水帷幕，其刚度过大容易开裂，影响止水效果，按照抗压试验结果弹性模量 MPa，咬合止水桩基本可判定为悬臂柔性结构。公式(5)中表明，刚度过大不利于结构的变形，施工中除了要保证浇筑的咬合桩抗压强度能满足要求外，也应注意控制其弹性模量不至于过大。一般而言，混凝土极限应变为0.0033，弹性模量越大，抗压强度越高，控制弹性模量可以从控制抗压强度着手，从而更具可操作性。设计中往往只规定抗压强度下限，却没有规定抗压强度上限，也因此误导了现场施工人员，以为抗压强度越高越好，这也是项目实施中的通病，应引起设计和施工人员的重视和警惕。
4.结论和建议
（1）咬合桩混凝土室内材性试验表明，抗折试验时材料呈脆性破坏，抗压试验时材料延性较好。
（2）咬合桩桩顶极限位移与集中力大小无关，而与破坏应力 成正比；与弹性模量 、纤维离中性轴最远距离 成反比，且合力作用点距离固接端距离 越大，极限挠度越大；悬臂段的长度 越大，极限挠度越大。工程施工中应严格控制咬合桩弹性模量，过大时桩顶极限位移变小，结构更容易弯折破坏。
（3）通过抗折试验、抗压试验获取材料参数，对咬合止水桩极限桩顶位移计算从而指导施工作业和监测工作是可行的。当设计无法提供相应的变形限值，规范规定又过于笼统时，可采用该方法确定桩顶变形限值。
参考文献
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[3]杨建学,侯伟生,郑陈旻,王曾辉,章昕.冲孔咬合桩在某邻海深基坑围护中的工程应用[J].岩土工程学报,2010(7):207-209（增）.
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[5]周学领.咬合桩复合结构设计理论及方法研究[D].上海：同济大学,2007.
[6]张滨,张力华,王宏波,袁路路.强透水性地层基坑钻孔咬合桩止水工艺[J].水运工程,2019(5):134-137.
[7]GB50497-2009.建筑基坑工程监测技术规范[S].北京:中国计划出版社,2009.
*基金项目
广州市珠江科技新星专项资助（201906010023）、广州市珠江科技新星专项资助（201806010164）、国家重点研发计划专项资助（2017YFC0805303）
作者简介
陈明杰（1987—），男，硕士，工程师，从事地基检测、桩基检测及基坑监测等工作。