錨桿靜壓樁在預制拼裝橋墩中的沉降特性研究

邱紅勝，朱萬鑫，李俊輝，付張龍

(1.武漢理工大學 交通學院，湖北 武漢 430063；2.貴州省交通規劃勘察設計研究院股份有限公司，貴州 貴陽 550081)

0 引 言

目前我國城市道路高架橋墩樁基多采用鉆孔灌注樁或預制樁。灌注樁施工時產生的泥漿會污染周圍環境，而預制樁在樁錘入時產生較大噪聲，影響周邊居民的正常生活，若采用靜壓預制樁，則機械設施龐大，阻礙交通。城市道路高架快裝橋墩及錨桿靜壓樁基礎的施工工藝不僅可大大縮短工期，而且對道路交通的影響小，施工期間無噪音、無污染，能滿足城市工程建設對環保及工期方面的要求。

目前，錨桿靜壓樁多用于地基加固[1,2]、建筑物糾偏[3]及基礎托換[4]。邱磊[5]歸納總結了建筑糾偏中錨桿靜壓樁的施工工藝，利用有限元軟件模擬分析了壓樁擠土效應和工后沉降；雷金波等[6]、楊磊[7]和楊軍等[8]研究了荷載、土質變化或基礎形式變化對樁土荷載分擔比的影響，得出了各因素的影響規律；何立明[9]采用模型和有限元對比分析了樁-土-承臺之間的相互作用，研究了不同性質土層、樁數對群樁基礎的承載力和沉降的影響。

城市高架橋梁拼裝橋墩與錨桿靜壓樁相結合，可大大減少修筑橋墩、基礎所需要的時間。鑒于錨桿靜壓樁后壓成樁的特性，筆者分別建立了無樁承臺基礎及成橋后的群樁基礎2種模型，分析基礎在外荷載作用下的應力及沉降。通過改變單一變量，分別分析了土體彈性模量E和樁側摩阻系數f對基礎最大沉降量smax及樁土荷載分擔比η的影響。結果表明，增大土體彈性模量E及樁側摩阻系數f可減小基礎結構的沉降；當E=25 MPa、f=0.32時，E、f對沉降的影響不大。

1 城市高架道路快裝橋墩錨桿靜壓樁施工工藝

1.1 錨桿靜壓樁施工

上海某城市高架道路快裝橋墩采用錨桿靜壓樁基礎，錨桿靜壓樁設計樁長20 m，標準節段長3 m，首節段樁預留樁頭以便錨桿靜壓樁的下壓，其余節段樁兩端均設置鋼板套以方便節段間的焊接。具體的施工流程如下：

1)壓樁前，復核樁孔位置，清理預留樁孔。

2)安裝錨桿靜壓樁壓樁反力架，并配備YJ-150型液壓壓樁機、切割機、電焊機等相關機具。

3)通過壓樁反力架提供的結構物自重反力，壓樁機將標準預制節段錨桿靜壓樁分段壓入樁孔中。接樁時，調直后節段樁，對準上、下節段，使兩樁的軸線在同一豎直線上。壓樁順序為先對稱跳壓中部4根錨桿靜壓樁，再對稱跳壓剩余12根樁。

4)全部16根錨桿靜壓樁下壓完成后，切除外露的樁頭，清理樁頂，用C40微膨脹早強混凝土填注預留樁孔并搗實，使錨桿靜壓樁和承臺連接成為整體。

1.2 預制拼裝橋墩施工

基礎施工完成，待土體超孔隙水壓力完全消散后即可進行橋墩施工。施工步驟如下[10]：

1)清理承臺頂面并檢查其平整度。

2)在承臺中心澆注定位墩，尺寸比預制墩內尺寸略小，然后進行預制拼裝橋墩的吊裝與拼接。吊裝過程中注意對預制塊的保護，承臺施工時預留有外露張拉預應力鋼筋，將預應力鋼筋穿過第1節預制橋墩預留的預應力鋼筋孔，注意橋墩垂直度的調整；同時應在第1節橋墩底面涂上環氧樹脂使橋墩和承臺粘合，橋墩分3節拼裝[圖1(a)]。

3)進行蓋梁的拼裝[圖1(b)]。

4)進行預應力鋼筋的預應力張拉，使蓋梁、橋墩和承臺連接為整體而承受后續的橋梁上部荷載。

1.3 錨桿靜壓樁壓樁力驗算

根據YBJ 227—91《錨桿靜壓樁技術規程》，錨桿靜壓樁最終壓樁力可按式(1)計算：

Pp(L)=KpPa

(1)

式中：Pp(L)為樁設計入土深度為L時的設計壓樁力，kN；Kp為壓樁力系數，根據現場土質等條件確定，觸變性黏土L< 20 m，Kp=1.5，非觸變性土Kp=2.0；Pa為設計單樁豎向承載力容許值，kN。

該城市高架道路快裝橋墩工程中，錨桿靜壓樁Pa=400 kN。現場土層工程性質較好，故Kp=2.0。由式(1)計算得壓樁力Pp(L)=800 kN。

經初步驗算，承臺自重不足以提供錨桿靜壓樁下壓反力。為能實現錨桿靜壓樁的順利下壓，可采用將載重卡車停留在基坑頂面中心鋼板處以增加結構自重的方案(圖2)。此時，承臺板上施加重量為1 000 kN的載重卡車，取最不利壓樁位置進行驗算。承臺和車輛總重為2 567 kN，壓樁反力為800 kN。相對承臺右側底邊緣，重力作用產生的正向彎矩M1=8 599.5 kN·m，壓樁反力產生的負向彎矩M2=4 840 kN·m，M1>M2，故滿足壓樁反力對自重的要求。

2 有限元模型

2.1 現場地質概況

研究項目位于上海市中心城區，現場勘查的地層分布如表1。由表1可見：現場土層工程性質較好，能提供較大的樁側摩阻力，適宜采用摩擦型樁，由于地層含水量不高，可考慮采用靜壓樁。但土層中含有較厚的粉細砂層，將阻礙大直徑靜壓樁的下壓，無法達到設計標高，樁基承載力不足。

表1 地層分布

綜合考慮地質條件、工期長短及施工對周邊環境的影響等，選擇錨桿靜壓樁這種樁徑較小的靜壓摩擦型樁。筆者以P8號橋墩基礎為例，對錨桿靜壓樁在預制拼裝橋墩中的沉降特性進行分析。

承臺平面設計為方形，錨桿靜壓樁對稱布置，實體采用快硬型C30混凝土現澆；錨桿靜壓樁樁基采用“逆作法”施工，即先施工承臺再下壓錨桿靜壓樁。在現澆承臺時需預留錨桿靜壓樁樁孔，承臺尺寸和預留錨桿靜壓樁樁孔布置如圖3。承臺的設計承載力F=16 000 kN，錨桿靜壓樁選用方樁，邊長a=0.3 m。預制節段錨桿靜壓樁采用C30混凝土，節段長3 m。承臺下對稱布置16根樁。

2.2 模型參數的選取

模型土體參數根據地勘報告中的土層情況進行簡化選取，樁體及承臺參數根據設計強度等級并參考GB 50010—2011《混凝土結構設計規范》選取。具體參數如表2。

表2 材料參數

2.3 模型的建立

筆者主要對以下2種工況進行建模分析：①為提供足夠壓樁力，在壓樁前的無樁承臺板上施加1 000 kN移動車載；②成橋后，基礎承受荷載按設計豎向荷載承載力F=16 000 kN取值。

為了消除邊界效應的影響，土體1/4模型取3倍承臺寬度；無樁承臺模型土層深度取20 m；對于成橋后模型，深度方向取樁長的2倍。模型的平面布置如圖4。

依據樁的作用機理，影響樁沉降的因素眾多，如土體性質、樁自身剛度、樁截面的形狀、樁間距、樁的入土深度及荷載等。為了研究錨桿靜壓樁適用的土質條件，筆者通過改變土體彈性模量E及樁側摩阻系數f來分析它們對基礎沉降的影響情況。

3 無樁承臺基礎計算結果分析

3.1 基礎沉降和土體豎向應力

3.1.1 基礎沉降

在無樁承臺基礎上施加1 000 kN車載，即在1/4基礎上施加250 kN荷載時，無樁承臺基礎沉降云圖如圖5。可見，此時基礎最大沉降量smax出現在承臺底部中央土體表面，smax=7.49 mm。而現場實測沉降量s測=6.92 mm。smax>s測，滿足要求。

3.1.2 土體豎向應力

圖6為承臺以下1.0 m處，土體豎向應力σz沿水平方向變化曲線。

由圖6可知：水平方向上，承臺下1.0 m處，d=0～2.0 m范圍內，地基土的豎向應力σz緩慢增大；在水平距離d=2.0 m處，豎向應力達到最大值，σz,max=43.5 kPa；當d=2.0→4.9 m，σz迅速減小到19.8 kPa；隨后，曲線趨于平緩，豎向應力值基本不變。這與A.NOUR等[11]的結論是一致的。

3.2 承臺底土體彈性模量對基礎沉降的影響

3.2.1 上土層(持力層)彈性模量E1的影響

為了得到承臺底上土層彈性模量E1對無樁基礎沉降的影響，保持其它參數不變，分別取E1=5、18、25、35、45 MPa，在1/4承臺上施加250 kN荷載，E1對基礎最大沉降量smax的影響如圖7。

由圖7可見，smax隨著E1的增大而減小，且減小的速率逐漸降低。因此，為了提供足夠的壓樁反力而在承臺上施加移動車載時，一定要進行沉降的驗算，嚴格控制車載大小；由于土體的彈性模量越大，靜壓樁越難壓入，故在承臺底上土層為中硬土層的地區，適宜采用錨桿靜壓樁作為新建橋梁樁基。

3.2.2 下土層(下臥層)彈性模量E2的影響

在1 000 kN荷載下，承臺底下土層彈性模量E2對基礎最大沉降量smax的影響如圖8。

由圖8可見，smax隨著E2的增大而減小。當E2> 25 MPa時，smax趨于穩定；當E2=5 MPa時，smax=9.84 mm；當E2=18 MPa時，相較5 MPa時，沉降減小2.04 mm。雖然E2對沉降有一定影響，但smax較小(不足10 mm)，與E1相比，E2對基礎沉降影響不大。

模型中，上土層較厚且上部車載較小，因而，下土層彈性模量E2的變化對基礎沉降影響不大。但當上部荷載較大時，傳遞到下土層體的附加應力隨之增大，如果下土層體彈性模量過小，基礎沉降將快速增大。

4 成橋后群樁基礎計算結果分析

4.1 群樁基礎沉降

在1/4群樁基礎承臺板上施加3 000 kN豎向荷載時，成橋后群樁基礎在豎向荷載作用下沉降云圖如圖9。

由圖9可知：

1)豎向。對群樁基礎按設計承載力施加荷載后，基礎最大沉降量smax出現在承臺底部中央土體上表面，smax=22.88 mm，而現場實測基礎沉降量s測=20.39 mm。smax>s測，故該群樁基礎符合設計承載力要求。

2)水平向。隨著與基礎中心距離的增加，基礎沉降值s逐漸減小，在距承臺中心17 m處，s趨近于0。在豎向荷載作用下，承臺板-樁-土相互作用產生協同變形，且在承臺板范圍內，樁間土體沉降值比較接近。

4.2 土體彈性模量的影響

4.2.1 承臺底上土層彈性模量E1的影響

為了研究承臺底上土層彈性模量E1對基礎最大沉降smax和樁土荷載分擔比η的影響，保持樁數、樁長、樁徑、樁側摩阻系數及下土層彈性模量等參數值不變，選擇E1=5～45 MPa，在1/4基礎的承臺上施加4 000 kN荷載時，E1對smax、η的影響如圖10。

由圖10可見：

1)smax隨著E1的增大而減小。因此，采用錨桿靜壓樁做新建橋梁樁基，適用于上土層為中硬性土的地區，這樣可充分利用上土層體對荷載的分擔作用以減小基礎沉降。

2)當上部豎向荷載恒定時，樁體荷載分擔比ηpile隨著E1的增大而減小，曲線逐漸趨于平緩。因此，在土質較好地區進行樁基設計時，應考慮土體對荷載的分擔，以充分利用土體承載力，節省造價。

4.2.2 承臺底下土層(持力層)彈性模量E2的影響

承臺底下土層彈性模量E2對基礎最大沉降量smax和樁土荷載分擔比η的影響曲線如圖11。

由圖11可見：

1)smax隨著E2的增大而減小，當E2>20 MPa時，減小趨于平緩；當E2=5 MPa時，smax=89.85 mm，沉降量嚴重超過規定要求；當E2=18 MPa時，smax=38.24 mm，說明良好的持力層能有效提高樁體的承載力，減小基礎的沉降量。

2)樁體荷載分擔比ηpile隨著E2的增大而增大，但增長速率逐漸減小。當E2=5 MPa時，ηpile=54.0%；當E2=45 MPa時，ηpile=71.2%。原因是：樁體承載力隨著持力層土體彈性模量E2的增大而增大，所以基礎整體沉降量減小，土體受壓分擔荷載減小，而樁體荷載分擔比ηpile增大。

4.3 樁側摩阻系數f的影響

當錨桿靜壓樁受到豎向上部荷載作用時，樁土之間將發生相對滑動而產生樁側摩阻力，承載能力主要通過樁側摩阻力實現。ABAQUS對樁側摩阻力的模擬是通過改變樁土接觸的樁側摩阻系數f來實現的。保持模型其它參數不變，f對smax、η的影響如圖12。

由圖12可見：

1)smax隨著f的增大而減小，且減小速率逐漸降低。當f從0.20增大到0.32時，smax減小了21.0%；當f從0.32增大到0.52時，smax僅減小了6.5%。

2)當豎向荷載不變時，土體荷載分擔比ηsoil隨著f的增大而減小。原因是：隨著f的增大，土體可提供樁側摩阻力增大，樁體承載力也增大，而樁間土分擔荷載減小。

3)當豎向荷載不變時，樁體荷載分擔比ηpile隨著f的增加而增大，且增大速率逐漸降低。說明f對ηpile的影響有限，當f=0.42時，ηpile≈70.0%。

5 結 論

1)承臺底上土層的彈性模量E1對無樁承臺基礎最大沉降量smax的影響較大，而對群樁基礎最大沉降量smax影響相對較小。隨著E1的增大，無樁承臺和壓樁后群樁基礎最大沉降量smax不斷減小，地基土體荷載分擔比ηsoil不斷增大，且影響程度逐漸減小。

2)承臺底下土層彈性模量E2對群樁基礎smax影響較大，而對無樁承臺基礎smax影響相對較小。隨著E2的增加，無樁承臺和壓樁后群樁基礎最大沉降量smax明顯減小，樁體荷載分擔比ηpile不斷增大。

3)錨桿靜壓樁作為新建橋梁樁基適用于中硬性土層。

4)群樁基礎的smax及ηsoil隨著樁側摩阻系數f的增大而減小，但減小速率逐漸降低，最終趨于水平直線。說明增大樁側摩阻系數f對減小土體荷載分擔比ηsoil的作用是有限的。