筒桩在软基加固工程及围护工程中的应用

陈东曙

（浙海桐高新工程技术有限公司，浙江 宁波 315800）

0 引言

图1 环形桩尖+双钢管护筒+中高频振动锤

大直径现浇混凝土筒桩简称筒桩，已成功应用于海港工程、公路工程、建筑工程和市政工程等，充分显示了该技术的优越性[1]。筒桩是中国人首创采用环形桩尖+双钢管护筒+中高频振动锤,见图1，把双钢管护筒，振/压/锲沉入土中在地下形成管桩现状的环形空隙体，再在环形空隙体内进行钢筋混凝土现场灌注，完成施工大直径现浇管桩的技术。用兼起密封作用，在筒桩成孔器的上部安装特制的夹持器夹持固定，这样双层钢管得以上下固定成为一个整体成孔器；夹持器的上方连接有中高频振动器，整体成孔器在中高频振动器及桩架自重等加压力组合作用力的作用下，通过振/压/锲多形式作用力把筒桩成孔器沉入土中，一直至环形桩尖底部到达设计标高；这样在地下地基土内产生一个由筒桩成孔器挤扩形成的环形空隙体。

图2 带中高频振动器与环形桩尖的筒桩成孔器

1 筒桩的原理

筒桩作为一种现浇大直径管桩形式之一，其成桩原理为：利用双层钢管组成的同心圆双套管护筒作为筒桩成孔器，见图2。在筒桩成孔器下部安装已经预制好的钢筋混凝土环形桩尖起固定作

出泥口的排土有利于减少土芯上顶夹持器产生的下沉阻力，更有效地把筒桩成孔器下沉至要求标高。筒桩成孔器下沉至要求标高后，移开上部的夹持器，放入钢筋笼，通过在外钢管安装的送料槽中灌入混凝土。在振动情况下混凝土的自重把底部环形桩尖脱落推开，因此混凝土连续导入至地下的环形空隙体中。双层钢管振动拔出后，就在地下形成一根筒桩（大直径现浇混凝土管桩）。

2 筒桩特点

（1）从桩型结构来看，属于薄壁圆形结构，且有较强的抗压抗弯性能。作为环形竖向结构以环形空心节省了中心部位的混凝土,以最合理的材料获得最有效的结构效应。突破了普通沉管桩和普通预制桩直径800 m m以内的限制，使桩径直径增加到900～1 500 m m。与相同有效截面积的实心桩相比，大直径筒桩，可节省非常可观的混凝土，筒桩与桩周土接触面积较大，大幅提高桩侧摩阻力；在不考虑筒桩土芯闭塞端阻力时候，可以计入筒桩内壁的侧摩阻力，大大降低了筒桩复合地基的工程造价。

（2）从成桩机理来看，筒桩工艺有如下三大特点：a.模板特点。环形腔体成孔器沉入土中后，混凝土从成孔器上端送料槽进入环形环形空隙体内，双钢管护筒起到了模板护壁作用，因此不易出现缩壁和塌壁现象；b.振捣作用。成孔器振动提拔时，对混凝土有连续振捣作用，使桩体充分振动密实；c.挤密作用。在施工过程中由于振动、挤压等原因，对桩间土起到一定的挤密作用。

（3）从桩的成型作业来看，采用双层套管护壁，振动沉入大直径钢管，施工现场无泥浆污染，同时一次灌注成桩，与常规钻孔灌注混凝土桩相比，施工功效提高10倍以上，施工快捷。环形桩靴套入的软土多余部分自动排出，构成了自动排土技术，大大减少地面隆起、桩体被拉长、拉裂等问题；同时筒桩无桩侧泥皮与桩底沉渣，相同条件下的承载力较高，施工质量易控制。

（4）从桩的能力来看，在相同混凝土用量的情况下，圆筒形结构比圆柱形结构具有大得多的外表面积和惯性矩。作摩擦型桩使用时，单方混凝土可以发挥更大的承载力，以壁厚200 m m、直径1 500 m m的筒桩与直径1 000 m m的钻孔灌注桩相比，两者混凝土用量大体相等，前者的极限承载力是后者的 1.5倍以上；筒桩作为支护桩使用时，直径1 500 m m时抗弯强度可以达到2 000 kN·m弯矩。

3 在软基加固工程中的筒桩案例

筒桩处理软土地基，常采用复合地基形式，属于刚性桩复合地基；与柔性桩复合地基、散粒体桩复合地基相比，地基承载力大，桩体质量好，可有效控制软土地基的沉降，把工后沉降控制在100 m m以内。

3.1 筒桩复合地基的形式

在筒桩复合地基中，筒桩通常采用直径1 000 m m/1 200 m m/1 500 m m壁厚120～150 m m，混凝土强度等级为C20素混凝土桩，桩间距一般为3.0～4.5 m，路基填土较厚时可以做到5.0m桩间距。桩头可以用素混凝土封口，也可以采用大于桩径的方形盖板设计。在桩顶上面一般会铺设一到两层土工格栅，见图3，以发挥桩体和桩间土的协调承载能力，减少路基加固区的沉降量及沉降差异性。

图3 筒桩复合地基构造设计

3.2 杭宁高速公路首次采用筒桩复合地基

杭宁高速公路工程全长98.8 km,其中不少地段土体含水量高、强度低，需要加固处理的软土地基路段为48 km。软基处理设计最大深度为20 m以上，设计预压期最长为12个月。这对高填土路段尤其是桥台高填土路段属于关键线路的施工进度安排带来极大不利。同时软基处理的质量既直接影响路基工后沉降的大小，又影响到“桥头跳车”问题的解决。因此，选择一种施工进度快、处理效果好的软土加固方法是工程技术人员的迫切愿望。以溪港大桥桥头路段为例，里程桩号为K16+678～K16+728，路基设计宽度 34 m，填土高度4.5 m，路堤底宽46 m，原设计采用塑料排水板软基处理，处理软土深度17 m，预压期12个月。改成大直径筒桩加固该路段软土地基后，连续填土至设计高度，不需要预压期。

3.3 实测数据

（1）路基沉降监测。分为2个内容：使用沉降板和沉降环分别进行桩顶沉降和桩间土沉降的观测。如图4所示，填土高度至4.5 m时，桩顶累积总沉降量仅为97 m m，施工中总沉降量小且很快趋于稳定，同时工程工后沉降量小。如图5所示，填土至设计标高后，沉降变化趋于稳定，沉降主要发生在桩浅部4 m范围。桩周下部土体基本无压缩变形。

（2）加固路基受力状况分析，从2个方面加以阐述：第一，桩顶、桩间土压力随荷载加大而提高：如图6所示，随填土荷载的增大，桩土应力相继增大，填土初期复合地基受力以桩间土为主。当桩间土与土工格栅紧密结合后，路基荷载大部分转移到筒桩。第二，路基不同深度的孔压随荷载加大而逐渐增大。如图7所示，路基内部的孔隙水压力逐渐增大，在不同深度位置，筒桩筒桩加固路基的孔压变化幅值均匀，并且较小。

图4 沉降板随时间变化曲线（单位：mm）

图5 填土高度与地下沉降量（单位：mm）

图6 桩土承担荷载曲线（单位;kN）

（3）单桩竖向静载荷试验结果，见图8，桩荷载与沉降性状均呈缓变型。

（4）加固路基测斜仪水平位移分析结果如图9示，不同深度水平位移均小于5 m m，且集中在浅部，说明筒桩加固区，桩间土压缩变形小，路基比较稳定，桥台、路基不会产生滑移现象，可以采用较快的填筑速度填土，大幅缩短施工工期。

图7 孔压随时间变化曲线（单位:MPa）

图8 荷载-沉降（单位：mm）

图9 土体水平位移随深度变化（单位:mm）

3.4 甬台温铁路台州站采用筒桩加固高路堤软基

甬台温铁路位于浙江东部沿海，全线按照客运专线标准建设，设计时速200 km/h。台州站四周丘陵，中间是较大的冲海积盆地，软塑状淤泥或淤泥质粘土厚达20～30 m。设计要求工后沉降控制值正线为小于15 cm，沉降速度小于4 cm/a，桥过渡段小于8 cm。原方案为预制管桩复合地基，因为地下持力层起伏不定，导致大量截桩。后变更方案为筒桩复合地基，筒桩为现浇大直径管桩可以灵活地按照地下持力层深度调整桩长，现场根据桩长与贯入度指标联合控制。

设计筒桩直径1 000 m m，壁厚120 m m，桩长21～28 m，正方形布置，桩间距3.2 m，混凝土强度C20。检测情况如下：低应变检测，100%均为Ι类桩。单桩承载力试验2根（见表1）满足设计要求；筒桩复合地基承载力检测1根，筒桩复合地基承载力为146.6 kPa，最大加荷载至293.2 kPa，总沉降量18.69 m m，满足设计要求。

表1 单桩静载荷试验结果表

多年运行的甬台温铁路台州站经过施工和运营的考验，实际情况完全满足设计与使用要求。可见，筒桩复合地基加固深厚软土地基，在技术上是可靠的、工艺上是成熟的，市场前景广阔。

4 在围护工程中的筒桩案例

围护工程中的筒桩主要考量的是筒桩的水平承载力与抗弯抗剪能力。影响筒桩水平承载力的因素有很多，包括桩的截面刚度、材料强度、桩侧土质条件、桩的入土深度、桩顶约束情况等。筒桩因为直径大，同样条件下水平承载力大，抗弯能力强，使其在围护工程中的应用有一席之地。

4.1 围护工程中的筒桩案例（双层地下室）

漳州悦华商业广场项目位于漳州市芗城区。地下2层，地上20层，建筑高度为99.8 m。地下室基坑开挖深度最深为10.4 m。基坑东侧紧邻丹霞路，北侧紧邻南昌路，南侧西段为1～3层民房，南侧东段为丹霞园C区6层民房。基坑四周紧邻已有建筑及市区道路，不具备放坡开挖的条件。场地自上而下分布的地下岩土状况：有杂填土:松散-稍密，厚 1.6～3.2 m；淤泥:流塑，厚 7.3～11.2 m；粉质黏土:软塑 -可塑，厚 0.8～5.0 m；中砂:松散 -稍密，厚 0.6～4.5 m ；黏土:软塑，厚 0.6～3.4 m 。

4.1.1 支护方案比较

通过招标，共有十多家施工和设计单位参加本工程深基坑支护方案的投标，初选确定4家单位入围。其中，第一方案和第二方案都是在基坑四周使用钻孔灌注桩作为支护桩，外加深层水泥搅拌桩止水；第三方案，在基坑四周全部采用钢板桩；第四方案，采用筒桩作为基坑支护的围护桩。第一方案和第二方案施工技术成熟，可靠，但价格高；第三方案，其优点在于地下室完成后钢板桩可以拔出重复使用，造价相对较经济，而且施工方便,工期短，但由于钢板桩刚度相对较小，要求增加水平支撑，使支撑间净空高度减小，不利于地下室挖土施工，影响施工速度；第四方案，筒桩围护方案，是一种新技术、新工艺。经过调研与分析，认为筒桩把原位土套入双层钢护筒的内筒，属于弱挤土，并适当挤密钢管外侧土体的设计方案是可行的。经过综合评定，第四方案既吸取了前两个方案的优点又弥补了它们的缺点，最终选定了第四设计方案。

4.1.2 围护工程的设计

围护结构周长为276.475 m。采用外径1 500 m m，内径1 100 m m，壁厚为200 m m的钢筋混凝土筒桩做围护桩，桩身混凝土强度等级C30。桩顶以上至自然地坪段得厚宽约2 m土层按1:1放坡进行卸载。在围护桩顶设置一道压顶环梁和一道钢筋混凝土水平角支撑，混凝土强度等级C30。围护筒桩间距为2.7 m，间隙采用3根桩径Φ600 m m水泥搅拌桩拱形布置进行挡土、止水，见图10。

图10 局部角支撑形式的筒桩围护结构（双层地下室）

4.1.3 筒桩基坑监测分析

施工过程中,对筒桩的水平位移、压顶环梁及坡顶的水平位移、临近主要建筑物的竖向沉降，以及筒桩和支撑梁的钢筋应力进行了动态的监测，监测结果如下:

筒桩水平位移在观测期间累计最大值为37.00 m m，为56#监测桩，日均侧移 0.170 m m/d；环梁及坡顶水平位移累计最大值为22 m m，日均位移为0.180 m m/d；围护桩、支撑梁钢筋最大应力为181.44 M Pa；南面东侧丹霞园C区3#楼安置房沉降量累计最大为9.8 m m，日均沉降量为0.080 m m/d。

侧向位移监测结果见表2，筒桩的侧向变形14～37 m m,除一根桩其最大位移发生在桩顶,而其余桩的最大位移均发生在桩顶下4.5～6.5 m。

4.2 围护工程中的筒桩案例（单层地下室）

温州市瓯海区梧田街道塘西村旧村，基坑开挖深度为5.40～6.20 m，见图11。基坑围护深度内地层为杂填土；黏土；淤泥；黏土。岩土参数建议见表3。

表2 筒桩侧向位移监测结果

图11 单层地下室悬臂直立无支撑筒桩

表3 地下岩土参数表

该基坑有以下几个难点：（1）基坑地质条件差，开挖深度范围内几乎全是淤泥质土；（2）基坑紧紧靠着新兴河，排水止水工作突出；（3）基坑工期紧，且周边的环境对于基坑的变形有严格的要求。

在施工期间对11、13号测斜进行位移检测，结果见图12。施工期两个月的测斜监测数据显示，筒桩的侧向变形较小，最大位移值不足30 m m，最大值均在桩顶下4.0～6.0 m处。体现了筒桩刚度大、抗侧向位移能力强的优点。

5 结语

在软土地基加固工程中及基坑围护工程中，采用大直径筒桩作为实施方案，优势明显。

图12 施工期间11、13号测斜孔的位移监测图（单位：mm）

筒桩作为复合地基的刚性桩处理软土地基，地基承载力大，桩体质量好，可有效控制软土地基的沉降，及桩间土的变形。

筒桩作为围护桩的工程案例证明，筒桩因为水平承载力大，抗弯强度大、刚度大，单程地下室可以直立悬臂支撑，具有较大的优势。

因此，在沿海深厚软土地基地区，筒桩具有广泛的应用前景和推广价值。