隧道中支盘式锚杆静压桩单桩极限承载力分析*

邱红胜 胡玉华 余 浪 赵勇强

(武汉理工大学交通学院1) 武汉 430063) (昆明市政工程设计科学研究院2) 昆明 650100)

隧道中支盘式锚杆静压桩单桩极限承载力分析*

邱红胜1)胡玉华1)余 浪2)赵勇强1)

(武汉理工大学交通学院1)武汉 430063) (昆明市政工程设计科学研究院2)昆明 650100)

基于理论分析、数值模拟及经验公式验算等方法对支盘式锚杆静压桩在隧道止沉工程中的应用进行了研究.使用支盘式锚杆静压桩这一新型桩型处理隧道下卧层软基；介绍了该桩的成桩工艺流程、压浆机理并分析其优缺点.通过单桩模型分析表明，支盘式锚杆静压桩相比于普通锚杆静压桩，承载力较大且沉降量较小.采用单一因素变量分析了不同土层参数对其承载性能的影响.

支盘式锚杆静压桩；数值模拟；极限承载力；沉降分析

0 引 言

软弱下卧层上的已建地铁，经过长期运营，纵向不均匀沉降的问题逐渐凸现.研究隧道在长期荷载作用下的纵向变形，并对软基采取适当的处理措施十分必要.

魏欢[1]研究了独立基础的承载性能，对锚杆静压桩挤土位移及卸土时单桩承载力进行了建模分析.詹金林等[2]通过对锚杆静压桩工法理论研究总和现场施工经验提出了减小锚杆静压桩挤土效应及附加沉降的方法.李韬等[3]对采用锚杆静压桩桩基处理的某烂尾楼工程进行了地基处理方案的优化，研究了施工后的桩土应力比.当前静压锚杆桩在工民建及市政工程的止沉及纠偏中运用广泛，但在隧道止沉工程中的相关研究很少.

支盘式锚杆静压桩在处理隧道软基过程中，能合理地运用狭小空间、利用结构原有重量进行静压且可靠性高，有益于隧道安全.

文中所研究的支盘式锚杆静压桩结合了一般挤扩支盘桩和桩端后注浆桩的特点，在普通锚杆静压桩桩内预留PVC管道，使用静压法施工后沿预留孔注浆形成桩身支盘和桩端扩大头.

1 支盘式锚杆静压桩简介

1.1 成桩工艺

文中主要对隧道沉降进行研究，隧道内不适合采用大孔径灌注桩，且隧道已建成通车，故采用支盘式锚杆静压桩法.选取的桩型为预制刚性管桩，采用后压浆技术形成支盘.

施工流程为：在已建隧道中，按锚杆静压施工方法分节压入预制桩，该预制桩中心留有PVC压浆管道，桩身距桩端3 m和6 m处预留对称4孔，桩顶加压压浆，形成桩身支盘及桩端扩大头.具体工序分三个阶段：①将花管伸入到桩端采取渗透压浆压入混凝土浆液，在桩端和桩侧形成浆液凝固的薄壁；②采用压密压浆的方法，混凝土浆液在桩端挤压形成扩大头；③将花管提升到桩身预留孔处，反复进行压密压浆形成桩身混凝土支盘.

1.2 后压浆机理

1.2.1 桩端后压浆机理

1) 桩端后压浆在桩底形成了稳定的混凝土扩大体，桩端有效面积扩充，减缓了桩对土层的刺入，更好的利用桩端土的承载能力.后压浆对土层也有压密作用.浆液会沿着桩身上升一段距离，增大了土体和桩的接触，提升了侧摩阻力.

2) 压浆力相当于形成了预应反力，从而提升了桩的端阻力和摩阻力.

3) 若在群桩基础中采用后压浆技术，相当于在群桩的桩端形成了新的土质坚硬的持力层.桩端压浆相当于人为地固化了桩端持力层并使其强度提高，最终桩基础和隧道结构的共同沉降值更小并且均匀[4].

1.2.2 桩侧后压浆机理

1) 在桩身预留注浆孔，在预留孔周围反复压浆形成盘状的桩身混凝土支盘，支盘具备一定的端阻力，可增加桩的极限承载力.

2) 桩侧压浆口上下一定范围内，浆液会凝固形成一层薄膜，这层薄膜和桩身支盘及桩本身共同承担桩所受荷载.不但使桩土接触面更为粗糙紧密，并且“扩大”了桩身注浆口的有效截面积，同时新增了盘阻力和增大了侧摩阻力[5].

1.3 支盘式锚杆静压桩的优缺点

通过反复后压浆形成的桩身支盘和扩大头，可提高浆液对桩周土的填充性、桩身受力更为明确、提升桩的整体可靠性.最终形成的支盘式锚杆静压桩桩的单桩承载力很高，抗拔性好且更加稳定.

支盘式锚杆静压桩法是技术难度较大，应考虑施工期间的桩挤土效应和附加沉降.预留管道和小孔最后成盘以及扩大头的形状大小很难准确判断.支盘和扩大头直径不能精准确定，承载力经验公式不够完善.

2 单桩极限承载力有限元模拟

2.1 单桩的有限元模拟

2.1.1 定义单元类型和材料参数

桩、土体使用SOLID45实体单元模拟，使用TARGE170单元模拟桩身，使用CONTA173单元模拟桩周土柔性接触[6].土使用D-P材料，材料的参数见表1.

表1 材料的参数表

2.1.2 实体模型建立

建立1/4简化模型，模型土体的长、宽、高分别为2.5，2.5，30 m，桩径300 mm、桩长12 m，在距桩顶3，6 m处设计2个承力盘，桩端设置扩大头，支盘和桩底扩大头直径均为600 mm.另外建立一普通静压锚杆桩(简称为等直径桩)与支盘式锚杆静压桩(简称为支盘桩)做对比.

2.2 计算结果分析

2.2.1Q-S曲线分析

从50 kN的荷载开始，以每50 kN为单位逐级加载得到图1的Q-S曲线：支盘桩的Q-S曲线变化趋势较缓，开始加载时，Q-S曲线为直线.随着荷载水平的提高，变化速率缓慢增长.取桩顶位移为40 mm时，此刻施加的荷载为支盘桩的竖向极限承载荷载，即1 900 kN.等直径桩在加载初期Q和S之间也是一次函数关系，随着荷载的增加，曲线斜率开始变大，当荷载增加到1 050 kN时，曲线出现陡降的趋势，此时桩底土层已经出现破坏状态，此载荷即为等直径桩的极限承载载荷.

图1 Q-S曲线

对比支盘桩和等直径桩的Q-S曲线，可发现在同一荷载水平下，后注浆形成支盘和扩大头能极大的减小桩身位移，且极限承载力比等直径桩高出约81%[7-8].

2.2.2 各部分应力分担比分析

文中所研究的支盘式锚杆静压桩所受荷载由桩身侧摩阻、上下支盘、桩端扩大头一起承担.将计算结果进行换算并绘出图2桩身各部分所分担荷载百分比随桩顶沉降变化图.

图2 桩身各部分所占荷载百分比

由图2可知，在桩顶荷载很小时，侧摩阻占绝大部分分担比，上盘承载能力的发挥随沉降的变化较为迅速，比下支盘承担更多荷载，端阻承担较小一部分荷载.随着沉降的增大侧摩阻力所占比例不断减小，上、下支盘及端阻力不断增加，且下支盘增长速率大于上支盘.而桩端一直保持着较为平稳的增长趋势，说明其承载力并没有完全的发挥.

当桩顶施加到极限承荷载时，桩的端阻力(支盘阻力、桩端阻力合成为端阻力)占49%，从而验证了支盘式锚杆静压桩属于多支点端承桩；但支盘式锚杆静压桩侧摩阻力仍占有超过50%的比例，一般挤扩支盘桩只占有30%左右[9]，这是由于支盘式锚杆静压桩为预制桩后注浆形成，预制桩为后压入桩，桩土接触更为紧密，侧摩阻力更大.

3 支盘式锚杆静压桩单桩承载力经验公式推导

在通用经验公式中，土的物理参数和桩的几何参数共同决定支盘桩的竖向单桩极限承载力.支盘式锚杆静压桩支盘的存在导致其桩身轴力图与一般等直径桩不同，会在盘所在位置发生较大折减.开始施加桩顶荷载时，桩身上支盘会较早发挥作用，而桩端扩大头作用发挥较为滞后，直至荷载增加大至极限荷载，桩端承载力并未完全发挥，可作为一定的安全储备[10].

由文献[11]可知，普通承压桩的单桩竖向承载力公式为

QS=QSK+QPK=U∑qsili+qpAp

(1)

式中：U为主桩桩周周长；li为第i层土有效厚度，m；qsi为桩侧第i层土的极限侧阻力标准值；Ap为桩端投影面积，m2；qp为桩端所在土层的极限端阻力标准值.

根据大量工程实测数据及相关文献分析可发现，支盘式锚杆静压桩桩侧反复后压浆形成支盘后，对桩周土体摩阻力的发挥产生了影响，支盘桩第一个持力上部和最后一个持力盘下部的实际桩侧摩阻力比预估的要高10%～50%，支盘所在土层的摩阻力发挥要减弱10%～30%.建议在计算支盘桩的桩侧极限摩阻力时，应该附加一个“侧摩阻力发挥系数ξ”，这样修正后的经验公式会更加准确.建议两个取值原则：①最上面一个持力盘以上土层，ξ=1.1～1.4；持力盘所在土层及持力盘间土层，ξ=1.0；最下面一个持力盘以下土层，ξ=1.0～1.2；②ξ在粉黏土中取较应较高，砂土中可取较小值.

支盘桩盘阻力实测值也比经验公式中计算得到的盘阻力低，因此建议在经验公式计算中需要在盘阻力前乘以一个“折减系数η”.

以文献[12]给出的支盘桩竖向承载力经验计算公式为基础，引入上文给出的“发挥系数ξ”及“盘阻折减系数η”，并将桩端投影面积Ap改为桩端扩大头投影面积Ap1.概括提出关于带扩大头支盘桩的竖向极限承载力的通用计算式为

QUK=QSK+QPK=

U∑ξqsiLi+η∑qpJAPj+qpApi

(2)

式中：Li为当第i层土中设置支盘，桩穿越第i层土折减盘高的有效厚度，m；ξ为桩侧摩阻力发挥系数，按上文给出的两点原则选取；η为盘底土层极限端阻力标准值修正系数；Api为桩端扩大头投影面积，m2；APj为第j盘除去桩身横截面积的盘投影面积，m2；qpj为第j盘处土层的极限端阻力标准值.

根据表1，按式(1)计算得QS=1 024.43 kN.同理，采用支盘式锚杆静压桩时按式(2)计算得QUK=1 861.45 kN.对比经验公式和ANSYS模拟结果得到的极限承载值可知，两种方法计算的结果误差为2.1%.

4 土层参数影响分析

4.1 粘聚力和内摩擦角

黏土的抗剪强度公式为τ=c+σtanφ,这表明土的黏聚力c和内摩擦角φ决定了土的强度，而土的强度也直接影响了支盘式锚杆静压桩的承载能力.

4.1.1 土黏聚力c的影响

当只改变土的黏聚力c大小时，对支盘式锚杆静压桩承载力的影响见图3.

图3 黏聚力对桩顶沉降的影响

由图3可知，当土层其他参数及桩身参数不变时，桩顶位移随着粘聚力c的增加而减少，说明土黏聚力对桩顶位移及桩的承载性能有影响，不过这种影响力随着土的黏聚力不断变大而减弱.荷载在加到800 kN之前，桩沉降和桩顶荷载呈线性关系，黏聚力的改变对Q-S曲线几乎没有影响.随着荷载的不断变大，黏聚力的增大减小了桩顶的位移，提高了桩的承载能力.

4.1.2 土的内摩擦角φ影响

当只改变土的内摩擦角φ大小时，对支盘式锚杆静压桩承载力的影响见图4.

图4 内摩擦角对桩顶沉降的影响

土的内摩擦角φ的改变对桩Q-S曲线的影响在荷载施加初期就可以表现出来，内摩擦为10°时，曲线表现为较为明显的向下弯曲趋势，这说明此时土的塑性形状得到明显的表现；随着内摩擦角的不断变大，曲线的弹性变化区间延长，弯曲的曲率变小，桩的承载力变高.当加载到1 800 kN时，内摩擦角由10°变化到50°，桩顶的沉降又由49.86 mm减小至41.75 mm.

4.2 各土层弹性模量

4.2.1 支盘所在土层弹性模量ES1的影响

图5为ES1对桩顶沉降的影响，由图6可知，由于支盘的存在，ES1的改变对桩的Q-S曲线趋势的变化有着很大的影响.在荷载为1 800 kN时，ES1由10 MPa增大到40 MPa，桩顶的位移由36.75 mm减少到27.52 mm，沉降量减少了25.11%.ES1的增加大大的较小了桩顶位移的大小，这说明ES1很大程度上决定了盘阻力的大小，将支盘设置在较为良好的土层中有利于提高桩的承载力.

图5 ES1对桩顶沉降的影响

4.2.2 持力层弹性模量ES2的影响

持力层土ES2的改变对桩端阻力的影响程度很大，见图6.由图6可知，在1 800 kN的荷载作用下，ES2由10 MPa增大到40 MPa时，桩顶的荷载由47.53 mm减少到34.92 mm，减少了12.61 mm，减少量为26.5%.这表明ES2的改变会通过影响桩的端阻力而直接对桩的承载能力产生较大的影响，在实际工程中对持力层的选取尤为重要.

图6 ES2对桩顶沉降的影响

5 结 论

1) 支盘式锚杆静压桩相比于一般锚杆静压桩有承载力较大和沉降量较小的优点.

2) 极限荷载下桩端阻力所占百分比高于任何单一支盘盘阻力，且桩端扩大头仍具备一定的安全贮备.

3) 桩顶位移随着土的粘聚力c的变大而减小，但这种影响力随着黏聚力不断增大而减弱.

4) 土的内摩擦角φ不断变大时，Q-S曲线的弹性变化区间延长，桩的承载性能得到提升.

5)ES1很大程度上决定了盘阻力大小，将支盘设置在较为良好的土层中有利于提高桩的承载力；ES2的改变会通过影响桩的端阻力直接对桩的承载能力产生较大影响，实际工程中对持力层的选取尤为重要.

[1]魏欢.锚杆静压桩在既有建筑物地下加层工程中的应用研究[D].南京:南京航空航天大学,2012.

[2]詹金林,水伟厚,宋美娜,等.软土地区锚杆静压桩施工问题及解决方案[J].岩土工程学报,2010(增刊2):566-569.

[3]李韬,毕兆云,高大钊.按复合桩基设计锚杆静压桩处理地基[J].岩土力学,2004,25(7):1171-1174.

[4]郑楷.北京市某超高层建筑基础灌注桩后压浆技术的研究与应用[D].长春:吉林大学,2013.

[5]裴二保.砂土中静压单桩及其桩侧注浆模型试验研究[D].太原:太原理工大学,2010.

[6]李立峰,王连华.ANSYS土木工程实例详解[M].北京:人民邮电出版社，2015.

[7]巨玉文.挤扩支盘桩力学特性的试验研究及理论分析[D].太原:太原理工大学,2005.

[8]宋志慧.管桩桩底注浆前后桩土应力应变特性研究[D].太原:太原理工大学,2007.

[9]唐松涛.DX旋挖挤扩灌注桩单桩及群桩承载机理及沉降研究[D].北京:北京交通大学,2012.

[10]张希川.支盘群桩在竖向荷载下的传力分析[D].天津:天津大学,2014.

[11]中华人民共和国住房和城乡建设部.建筑桩基技术规范：JGJ94-2008[S].北京：中国建筑工业出版社，2008.

Analysis on Ultimate Bearing Capacity of Single Pile of Branch Anchor Jacked Pile in Tunnel

QIU Hongsheng1)HU Yuhua1)YU Lang2)ZHAO Yongqiang1)

(School of Transportation, Wuhan University of Technology, Wuhan 430063, China)1)(KM Municipal Engineering Design Institute Co.,Ltd., Kunming 650100, China)2)

This paper gives a detailed analysis of the ultimate bearing capacity of single pile of branch anchor jacked pile in tunnel by means of field data collection, theoretical analysis, and numerical simulation and empirical formula calculation. The branch anchor jacked pile, as a new type of pile, is used for the first time to treat soft foundation of substratum. This paper introduces the technological process of the branch anchor jacked pile in detail and gives a comparative analysis of its advantages and disadvantages. Through ANSYS model analysis of branch anchor jacked single pile and common anchor jacked single pile, the paper adds to a growing body of evidence that branch anchor jacked pile have advantages of larger bearing capacity and less settlement compared with common piles. And variable analysis of different soil parameters on the bearing performance was studied using single factor.

branch anchor jacked pile; numerical simulation; ultimate bearing capacity; settlement analysis

2017-02-22

*国家自然科学基金项目资助(11672215、51308429)

U231

10.3963/j.issn.2095-3844.2017.03.014

邱红胜(1966—):男，博士，教授，主要研究领域为软土地基处理