锚杆静压桩在预制拼装桥墩中的沉降特性研究

邱红胜，朱万鑫，李俊辉，付张龙

(1.武汉理工大学 交通学院，湖北 武汉 430063；2.贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司，贵州 贵阳 550081)

0 引 言

目前我国城市道路高架桥墩桩基多采用钻孔灌注桩或预制桩。灌注桩施工时产生的泥浆会污染周围环境，而预制桩在桩锤入时产生较大噪声，影响周边居民的正常生活，若采用静压预制桩，则机械设施庞大，阻碍交通。城市道路高架快装桥墩及锚杆静压桩基础的施工工艺不仅可大大缩短工期，而且对道路交通的影响小，施工期间无噪音、无污染，能满足城市工程建设对环保及工期方面的要求。

目前，锚杆静压桩多用于地基加固[1,2]、建筑物纠偏[3]及基础托换[4]。邱磊[5]归纳总结了建筑纠偏中锚杆静压桩的施工工艺，利用有限元软件模拟分析了压桩挤土效应和工后沉降；雷金波等[6]、杨磊[7]和杨军等[8]研究了荷载、土质变化或基础形式变化对桩土荷载分担比的影响，得出了各因素的影响规律；何立明[9]采用模型和有限元对比分析了桩-土-承台之间的相互作用，研究了不同性质土层、桩数对群桩基础的承载力和沉降的影响。

城市高架桥梁拼装桥墩与锚杆静压桩相结合，可大大减少修筑桥墩、基础所需要的时间。鉴于锚杆静压桩后压成桩的特性，笔者分别建立了无桩承台基础及成桥后的群桩基础2种模型，分析基础在外荷载作用下的应力及沉降。通过改变单一变量，分别分析了土体弹性模量E和桩侧摩阻系数f对基础最大沉降量smax及桩土荷载分担比η的影响。结果表明，增大土体弹性模量E及桩侧摩阻系数f可减小基础结构的沉降；当E=25 MPa、f=0.32时，E、f对沉降的影响不大。

1 城市高架道路快装桥墩锚杆静压桩施工工艺

1.1 锚杆静压桩施工

上海某城市高架道路快装桥墩采用锚杆静压桩基础，锚杆静压桩设计桩长20 m，标准节段长3 m，首节段桩预留桩头以便锚杆静压桩的下压，其余节段桩两端均设置钢板套以方便节段间的焊接。具体的施工流程如下：

1)压桩前，复核桩孔位置，清理预留桩孔。

2)安装锚杆静压桩压桩反力架，并配备YJ-150型液压压桩机、切割机、电焊机等相关机具。

3)通过压桩反力架提供的结构物自重反力，压桩机将标准预制节段锚杆静压桩分段压入桩孔中。接桩时，调直后节段桩，对准上、下节段，使两桩的轴线在同一竖直线上。压桩顺序为先对称跳压中部4根锚杆静压桩，再对称跳压剩余12根桩。

4)全部16根锚杆静压桩下压完成后，切除外露的桩头，清理桩顶，用C40微膨胀早强混凝土填注预留桩孔并捣实，使锚杆静压桩和承台连接成为整体。

1.2 预制拼装桥墩施工

基础施工完成，待土体超孔隙水压力完全消散后即可进行桥墩施工。施工步骤如下[10]：

1)清理承台顶面并检查其平整度。

2)在承台中心浇注定位墩，尺寸比预制墩内尺寸略小，然后进行预制拼装桥墩的吊装与拼接。吊装过程中注意对预制块的保护，承台施工时预留有外露张拉预应力钢筋，将预应力钢筋穿过第1节预制桥墩预留的预应力钢筋孔，注意桥墩垂直度的调整；同时应在第1节桥墩底面涂上环氧树脂使桥墩和承台粘合，桥墩分3节拼装[图1(a)]。

3)进行盖梁的拼装[图1(b)]。

4)进行预应力钢筋的预应力张拉，使盖梁、桥墩和承台连接为整体而承受后续的桥梁上部荷载。

1.3 锚杆静压桩压桩力验算

根据YBJ 227—91《锚杆静压桩技术规程》，锚杆静压桩最终压桩力可按式(1)计算：

Pp(L)=KpPa

(1)

式中：Pp(L)为桩设计入土深度为L时的设计压桩力，kN；Kp为压桩力系数，根据现场土质等条件确定，触变性黏土L< 20 m，Kp=1.5，非触变性土Kp=2.0；Pa为设计单桩竖向承载力容许值，kN。

该城市高架道路快装桥墩工程中，锚杆静压桩Pa=400 kN。现场土层工程性质较好，故Kp=2.0。由式(1)计算得压桩力Pp(L)=800 kN。

经初步验算，承台自重不足以提供锚杆静压桩下压反力。为能实现锚杆静压桩的顺利下压，可采用将载重卡车停留在基坑顶面中心钢板处以增加结构自重的方案(图2)。此时，承台板上施加重量为1 000 kN的载重卡车，取最不利压桩位置进行验算。承台和车辆总重为2 567 kN，压桩反力为800 kN。相对承台右侧底边缘，重力作用产生的正向弯矩M1=8 599.5 kN·m，压桩反力产生的负向弯矩M2=4 840 kN·m，M1>M2，故满足压桩反力对自重的要求。

2 有限元模型

2.1 现场地质概况

研究项目位于上海市中心城区，现场勘查的地层分布如表1。由表1可见：现场土层工程性质较好，能提供较大的桩侧摩阻力，适宜采用摩擦型桩，由于地层含水量不高，可考虑采用静压桩。但土层中含有较厚的粉细砂层，将阻碍大直径静压桩的下压，无法达到设计标高，桩基承载力不足。

表1 地层分布

综合考虑地质条件、工期长短及施工对周边环境的影响等，选择锚杆静压桩这种桩径较小的静压摩擦型桩。笔者以P8号桥墩基础为例，对锚杆静压桩在预制拼装桥墩中的沉降特性进行分析。

承台平面设计为方形，锚杆静压桩对称布置，实体采用快硬型C30混凝土现浇；锚杆静压桩桩基采用“逆作法”施工，即先施工承台再下压锚杆静压桩。在现浇承台时需预留锚杆静压桩桩孔，承台尺寸和预留锚杆静压桩桩孔布置如图3。承台的设计承载力F=16 000 kN，锚杆静压桩选用方桩，边长a=0.3 m。预制节段锚杆静压桩采用C30混凝土，节段长3 m。承台下对称布置16根桩。

2.2 模型参数的选取

模型土体参数根据地勘报告中的土层情况进行简化选取，桩体及承台参数根据设计强度等级并参考GB 50010—2011《混凝土结构设计规范》选取。具体参数如表2。

表2 材料参数

2.3 模型的建立

笔者主要对以下2种工况进行建模分析：①为提供足够压桩力，在压桩前的无桩承台板上施加1 000 kN移动车载；②成桥后，基础承受荷载按设计竖向荷载承载力F=16 000 kN取值。

为了消除边界效应的影响，土体1/4模型取3倍承台宽度；无桩承台模型土层深度取20 m；对于成桥后模型，深度方向取桩长的2倍。模型的平面布置如图4。

依据桩的作用机理，影响桩沉降的因素众多，如土体性质、桩自身刚度、桩截面的形状、桩间距、桩的入土深度及荷载等。为了研究锚杆静压桩适用的土质条件，笔者通过改变土体弹性模量E及桩侧摩阻系数f来分析它们对基础沉降的影响情况。

3 无桩承台基础计算结果分析

3.1 基础沉降和土体竖向应力

3.1.1 基础沉降

在无桩承台基础上施加1 000 kN车载，即在1/4基础上施加250 kN荷载时，无桩承台基础沉降云图如图5。可见，此时基础最大沉降量smax出现在承台底部中央土体表面，smax=7.49 mm。而现场实测沉降量s测=6.92 mm。smax>s测，满足要求。

3.1.2 土体竖向应力

图6为承台以下1.0 m处，土体竖向应力σz沿水平方向变化曲线。

由图6可知：水平方向上，承台下1.0 m处，d=0～2.0 m范围内，地基土的竖向应力σz缓慢增大；在水平距离d=2.0 m处，竖向应力达到最大值，σz,max=43.5 kPa；当d=2.0→4.9 m，σz迅速减小到19.8 kPa；随后，曲线趋于平缓，竖向应力值基本不变。这与A.NOUR等[11]的结论是一致的。

3.2 承台底土体弹性模量对基础沉降的影响

3.2.1 上土层(持力层)弹性模量E1的影响

为了得到承台底上土层弹性模量E1对无桩基础沉降的影响，保持其它参数不变，分别取E1=5、18、25、35、45 MPa，在1/4承台上施加250 kN荷载，E1对基础最大沉降量smax的影响如图7。

由图7可见，smax随着E1的增大而减小，且减小的速率逐渐降低。因此，为了提供足够的压桩反力而在承台上施加移动车载时，一定要进行沉降的验算，严格控制车载大小；由于土体的弹性模量越大，静压桩越难压入，故在承台底上土层为中硬土层的地区，适宜采用锚杆静压桩作为新建桥梁桩基。

3.2.2 下土层(下卧层)弹性模量E2的影响

在1 000 kN荷载下，承台底下土层弹性模量E2对基础最大沉降量smax的影响如图8。

由图8可见，smax随着E2的增大而减小。当E2> 25 MPa时，smax趋于稳定；当E2=5 MPa时，smax=9.84 mm；当E2=18 MPa时，相较5 MPa时，沉降减小2.04 mm。虽然E2对沉降有一定影响，但smax较小(不足10 mm)，与E1相比，E2对基础沉降影响不大。

模型中，上土层较厚且上部车载较小，因而，下土层弹性模量E2的变化对基础沉降影响不大。但当上部荷载较大时，传递到下土层体的附加应力随之增大，如果下土层体弹性模量过小，基础沉降将快速增大。

4 成桥后群桩基础计算结果分析

4.1 群桩基础沉降

在1/4群桩基础承台板上施加3 000 kN竖向荷载时，成桥后群桩基础在竖向荷载作用下沉降云图如图9。

由图9可知：

1)竖向。对群桩基础按设计承载力施加荷载后，基础最大沉降量smax出现在承台底部中央土体上表面，smax=22.88 mm，而现场实测基础沉降量s测=20.39 mm。smax>s测，故该群桩基础符合设计承载力要求。

2)水平向。随着与基础中心距离的增加，基础沉降值s逐渐减小，在距承台中心17 m处，s趋近于0。在竖向荷载作用下，承台板-桩-土相互作用产生协同变形，且在承台板范围内，桩间土体沉降值比较接近。

4.2 土体弹性模量的影响

4.2.1 承台底上土层弹性模量E1的影响

为了研究承台底上土层弹性模量E1对基础最大沉降smax和桩土荷载分担比η的影响，保持桩数、桩长、桩径、桩侧摩阻系数及下土层弹性模量等参数值不变，选择E1=5～45 MPa，在1/4基础的承台上施加4 000 kN荷载时，E1对smax、η的影响如图10。

由图10可见：

1)smax随着E1的增大而减小。因此，采用锚杆静压桩做新建桥梁桩基，适用于上土层为中硬性土的地区，这样可充分利用上土层体对荷载的分担作用以减小基础沉降。

2)当上部竖向荷载恒定时，桩体荷载分担比ηpile随着E1的增大而减小，曲线逐渐趋于平缓。因此，在土质较好地区进行桩基设计时，应考虑土体对荷载的分担，以充分利用土体承载力，节省造价。

4.2.2 承台底下土层(持力层)弹性模量E2的影响

承台底下土层弹性模量E2对基础最大沉降量smax和桩土荷载分担比η的影响曲线如图11。

由图11可见：

1)smax随着E2的增大而减小，当E2>20 MPa时，减小趋于平缓；当E2=5 MPa时，smax=89.85 mm，沉降量严重超过规定要求；当E2=18 MPa时，smax=38.24 mm，说明良好的持力层能有效提高桩体的承载力，减小基础的沉降量。

2)桩体荷载分担比ηpile随着E2的增大而增大，但增长速率逐渐减小。当E2=5 MPa时，ηpile=54.0%；当E2=45 MPa时，ηpile=71.2%。原因是：桩体承载力随着持力层土体弹性模量E2的增大而增大，所以基础整体沉降量减小，土体受压分担荷载减小，而桩体荷载分担比ηpile增大。

4.3 桩侧摩阻系数f的影响

当锚杆静压桩受到竖向上部荷载作用时，桩土之间将发生相对滑动而产生桩侧摩阻力，承载能力主要通过桩侧摩阻力实现。ABAQUS对桩侧摩阻力的模拟是通过改变桩土接触的桩侧摩阻系数f来实现的。保持模型其它参数不变，f对smax、η的影响如图12。

由图12可见：

1)smax随着f的增大而减小，且减小速率逐渐降低。当f从0.20增大到0.32时，smax减小了21.0%；当f从0.32增大到0.52时，smax仅减小了6.5%。

2)当竖向荷载不变时，土体荷载分担比ηsoil随着f的增大而减小。原因是：随着f的增大，土体可提供桩侧摩阻力增大，桩体承载力也增大，而桩间土分担荷载减小。

3)当竖向荷载不变时，桩体荷载分担比ηpile随着f的增加而增大，且增大速率逐渐降低。说明f对ηpile的影响有限，当f=0.42时，ηpile≈70.0%。

5 结 论

1)承台底上土层的弹性模量E1对无桩承台基础最大沉降量smax的影响较大，而对群桩基础最大沉降量smax影响相对较小。随着E1的增大，无桩承台和压桩后群桩基础最大沉降量smax不断减小，地基土体荷载分担比ηsoil不断增大，且影响程度逐渐减小。

2)承台底下土层弹性模量E2对群桩基础smax影响较大，而对无桩承台基础smax影响相对较小。随着E2的增加，无桩承台和压桩后群桩基础最大沉降量smax明显减小，桩体荷载分担比ηpile不断增大。

3)锚杆静压桩作为新建桥梁桩基适用于中硬性土层。

4)群桩基础的smax及ηsoil随着桩侧摩阻系数f的增大而减小，但减小速率逐渐降低，最终趋于水平直线。说明增大桩侧摩阻系数f对减小土体荷载分担比ηsoil的作用是有限的。