工字型混凝土预制桩,水泥土连续墙的选用研究

陈宏刚

工字型混凝土预制桩水泥土连续墙作为新近出现的基坑围护体系有其优势。但近几年使用以来出现一系列问题。通过对该围护体系出现问题的列举，对围护设计单位在选用该体系时，提出有关建议。建议在发挥其优势的同时趋利避害，做到物尽其用。

所谓工字型混凝土预制桩水泥土连续墙，即在连续套接的三轴水泥搅拌桩内竖向插入工字型混凝土预制桩形成的复合挡土及截水结构。是浙江省住房和城乡建设厅2020 年第36 号公告，自2020 年12 月1 日起施行的地方性技术规程。该规程定名为《工字型混凝土预制桩水泥土连续墙技术规程》DB33/T 1208-2020。总体来说，工字型混凝土预制桩水泥土连续墙采用的预制工字桩与同等抗弯刚度的钻孔灌注桩相比，其综合节约钢筋混凝土；
相比钻孔灌注桩结合外侧的止水帷幕墙具有节地优势；
由于无泥浆外运且施工噪声相对较小，因而具有环保优势；
相对SMW 工法桩具有无须拔桩的特点。以上这些显而易见的优势在此不再赘述。但根据实际使用效果的研究，在以下情况建议围护设计慎重选择并提出一些建议。

淤泥的孔隙比大于1.5，含水量极高，具有流变性、触变性。经三轴水泥搅拌桩机掺入水泥浆搅拌后其性状处于流动状态。在插入工字桩时无法提供侧向摩擦力和端承力。如果采用无需接桩的单根桩，则下放后的工字桩在其自重作用下不受控制地落入水泥土的深处，特别是搅拌后插入第一根工字桩时，由于侧向阻力很小，极易发生该问题。如果基坑较深，需要的工字桩较长，需采用焊接接桩工艺，由于接桩需要水泥土对下桩提供支承，而下桩实施后在水泥土顶部无法自承，下桩会下沉，即无法提供下桩和上桩对接的可控施工状态。故淤泥中，甚至淤泥质土中使用工字型混凝土预制桩水泥土连续墙难以保证工字桩的桩顶标高。且后续施压的工字桩对前面施工的工字桩形成的挤压干扰导致工字桩无法保证桩位，甚至无法保证工字桩的垂直度（图1 为淤泥中挤压导致桩偏位和垂直度超出允许偏差）。故淤泥中应慎重选用。

图1 工字桩在淤泥土中桩位和垂直度差示例图

目前工字型混凝土预制桩水泥土连续墙还没有配套的专用设备。主要采用三轴或四轴水泥搅拌桩机另加改装的端承静压和振冲锤。该装置无法控制桩位，在施工时需挖掘机辅助抵住桩侧，桩位完全由外部的挖掘机控制。且振冲锤开启时极易导致钢丝绳脱落。一旦脱落需花费半天左右时间维修。所以相关配套设备还不成熟。如果仅仅有三轴或四轴搅拌桩机，就不可采用如同SMW 工法桩外配吊装式振冲锤的方法实施。因为工字型混凝土预制桩和H 型钢在重量和材料特性上有着本质的区别。毕竟H 型钢比工字型混凝土预制桩质量轻，抗弯和抗折性能高，起吊方便，抗振动和锤击能力强。

工字型混凝土预制桩水泥土连续墙，是在连续套接的水泥搅拌桩内插入工字型混凝土预制桩，水泥搅拌桩主要承担止水帷幕的作用，其无须与工字桩同等深度，只要根据地质勘探报告计算止水帷幕的深度及设置降水井的措施解决止水和降水问题。在水泥搅拌桩中插入工字桩时几乎没有阻力，关键是下部未搅拌的土层。如果土层密实、土体侧向摩擦力大、土层坚硬就难以进入。此时的顶端锤击难以奏效且极易破坏端部混凝土，一旦破坏只能废桩并补桩。如果补桩太多，土体的挤压使下压工字桩愈困难。所以设计人员在选用时要研读地质勘探报告，避免工字桩无法达到有效的设计深度或围护桩根本无法实施导致需要更改围护方案。

工字型混凝土预制桩水泥土连续墙需要大型设备。通常需要三轴水泥搅拌桩机、挖掘机、汽车吊、水泥罐和水泥搅拌工作台、至少保证1～2 天用量预制桩堆场、置换土堆场等，以上一整套设施场地需要至少3000 ㎡。为了减少接桩，预制工字桩一般较长（一层地下室单桩通常达15～17 米）、三轴水泥搅拌桩机巨大，要考虑运输车辆出入是否具备条件。如果场地狭窄、运输不便，不应采用该围护体系。

工字型混凝土预制桩水泥土连续墙的施工在理论上比较快，实际施工需考虑很多因素。考虑吊装的安全性通常杜绝夜间施工。经过统计，一层地下室的15-17米单根桩，在无机械故障等不利条件下的最理想状态，每天可以施工12-14 根工字桩；
22-26 米需要一个焊接接头的两层地下室围护工字桩，没有任何故障情况下每天最多可以施工6-7 根。对于场地较大且用电允许的，可以布多套设备实施。但大多数情况无法满足多套设备同时进场施工。工期要求紧迫的情况下，工字型混凝土预制桩水泥土连续墙在进度上不占优势。通过对比，1 台400KVA 的变压器只能带动一套工字型混凝土预制桩的施工设备。而1 台400KVA 的变压器可以带动6-7 台钻孔灌注桩机。通常1 台钻孔灌注桩机每天可以施工25 米左右的围护桩2-3 根。所以6 台钻孔灌注桩机综合效率是一套工字型混凝土预制桩的2-3 倍。故对于进度紧迫的项目应慎重选用。

虽然《工字型混凝土预制桩水泥土连续墙技术规程》条文说明列举了一个三层地下室的项目。该项目采用了Φ1000@750 三轴水泥搅拌桩隔一插一PC 工1000×400 预制桩，或建议采用图2 所示的四轴水泥搅拌桩机插入预制工字桩形式。

如果水泥含量百分比相同，对比采用钻孔灌注桩外加同样深度的Φ750@600 三轴水泥搅拌桩止水帷幕。以上Φ1000@750 三轴搅拌水泥土多用80%的水泥，Φ850@600 的四轴搅拌水泥土多70%的水泥，且四轴水泥搅拌桩在目前市场上很少，有些地区没有该设备。并且随着围护深度增加，水泥土承受的侧向压力越大，对水泥土的强度要求更高，往往需要水泥搅拌桩二次复打以提高水泥用量进而提高强度。即水泥用量高出约200-250%。所以工字型混凝土预制桩水泥土连续墙虽然在钢筋混凝土用量上有所节约，但综合效益不高，且工字型预制混凝土桩的脆性破坏特质使该围护体系存在较大安全风险。故10 米以上的深基坑应谨慎使用。

图2《工字型混凝土预制桩水泥土连续墙技术规程》DB33/T 1208-2020中示例图（mm）

对于基坑临近建筑物和高压线等设施，导致施工设备没有足够有效的工作面的应慎选。三轴水泥搅拌桩机属于大型设备，通常距离建筑物或构筑物需4 米以上的工作面，要充分考虑导沟开挖后机脚安放的安全和工字型桩吊装安全。此外充分考虑高压线和变压器与施工设备最小安全距离。还要考虑相邻建筑等设施安全使用等一系列安全问题，防止施工对既有建筑的不利影响。

1.接桩接头改进建议

接桩接头是工字型混凝土预制桩最关键工序也是受力薄弱部位。《工字型混凝土预制桩水泥土连续墙技术规程》中提供了3 种接桩方式，实际操作存在难度或难以保证质量，进而难以保证基坑安全。主要问题在于市场不健全，难以提供偏差合格的产品，造成上桩和下桩桩端预埋的槽钢无法对接焊。并且规程中提供的对接方式工序均较繁琐，按规程施工所需的时间较长。通过改进成图3 的形式后，某工程未出现接头缺陷导致的隐患。为了保证对接质量和加快施工进度，建议采用调整后的对接形式。该形式施工方便，质量容易保证。

图3 工字桩大、小翼缘接桩采用增加贴焊钢板图（mm）

2.支撑梁与冠梁交叉部位的工字桩布桩建议

支撑梁受力较复杂，要确保支撑梁与冠梁的有效连接锚固。由于该交叉节点部位工字型混凝土预制桩的存在导致支撑梁钢筋无法锚入冠梁内。考虑支撑体系的整体受力，在避开支撑梁和冠梁节点且临近节点位置开始布桩，并以双桩开始向外布置。该布桩方式有效解决了以上所述的支撑梁与冠梁锚固的问题。某工程桩位调整如图4 所示的形式后，有效解决该问题，且围护效果正常发挥。

图4 桩位调整前后节点对比图

工字型混凝土预制桩水泥土连续墙体系有其使用优势。建议设计单位在选用时慎重考虑，在发挥其优势的同时趋利避害，做到物尽其用。

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