錨桿靜壓樁終壓標準及關鍵施工工藝探討

趙桐麗，朱宏偉，姚建平，李中國，蔡德鉤

(1.中國中元國際工程有限公司，北京 100089;2.中國鐵道科學研究院鐵道建筑研究所，北京 100081)

1 工程概況

某項目有2棟建筑物，地上6層，建筑總高度18.0 m，地下1層，基礎埋深為3.6 m。地上建筑為框架剪力墻結構，地下建筑為鋼筋混凝土框架結構，采用筏型基礎，筏板厚40 cm，筏板下部為16 cm厚素混凝土墊層，其下為50 cm厚級配砂石墊層。結構設計要求建筑地基承載力≥150 kPa，允許最大沉降量為20 mm，沉降差不大于20 mm。為滿足地基承載力要求，地基土回填后采用1 500 kN級滿夯處理，然后進行CFG樁處理，樁徑0.4 m，樁距1.8 m×1.8 m。該結構于2011年底封頂，封頂后由于降雨的影響基礎出現(xiàn)不均勻沉降，導致建筑物出現(xiàn)裂縫，需對該建筑進行地基加固。

該工程所在位置地貌上屬于山麓坡積裙地貌，地面高差較大，北高南低，西高東低。場地內(nèi)基礎筏板以下的地層自上而下主要為人工填土，第四紀坡洪積黏性土(粉質黏土)，碎石土(夾碎石透鏡體)和全風化、強風化的砂巖、頁巖和泥巖。該場地水位變化較大，在雨季穩(wěn)定水位埋深1.3～4.6 m。

沉降的主要原因有以下兩個方面:

1)雨水匯集造成地基軟化。原地形整體為洼地，屬典型的匯水地形，2012年遭遇特大暴雨，導致雨水大量滲入地基，地下水水位上升。而地基土中粉質黏土層較厚，分布不均，粉質黏土在遇水時強度變低導致地基整體承載能力降低。

2)地基處理不當。補勘表明人工填土除①3層經(jīng)過強夯處理外，其余填土層結構松散，性質不均勻，目前處于欠固結狀態(tài)，物理力學性質差，遇水易軟化。部分CFG樁未達到持力層，造成地基承載力達不到設計標準。

經(jīng)過綜合考慮，最終采取錨桿靜壓樁進行地基加固［1］。錨桿靜壓樁是錨桿和靜壓樁結合而成的一種樁基施工工藝，它是通過在原基礎上埋設受拉錨桿，利用錨桿固定壓樁反力架，以建筑物所能發(fā)揮的自重作為壓樁反力，用千斤頂將樁段從基礎預留或者開鑿的壓樁孔內(nèi)，逐段壓入地基中，然后，將樁和基礎連在一起共同承載。錨桿靜壓樁工作原理是利用錨桿樁承擔上部結構的部分荷載，從而達到提高基礎承載能力和控制沉降的目的。

靜壓樁在整棟建筑基礎范圍內(nèi)布置，對于建筑物沉降控制與穩(wěn)定起主要作用的位置加大布樁密度，如位于建筑物的邊緣樁、角點樁以及上部荷載能力起直接作用的樁位，靜壓樁總體布置重心與建筑物形心一致。布樁時需注意避開原有的CFG樁。對于建筑沉降較大的東北角區(qū)域，應將靜壓樁布置在剪力墻兩側并盡量靠近剪力墻，使之位于剛性角范圍內(nèi)，以減小筏基承受的彎矩。靜壓樁單樁承載力設計值200 kN，從施工便捷性及地下室施工空間受限的實際情況出發(fā)，樁身選用直徑203 mm壁厚6 mm的普通鋼管，設計深度為樁身進入持力層(強風化巖層1 m)，壓樁完成后樁身灌注 C20混凝土。為便于施工，鋼管加工成1.5～2.0 m一節(jié)，第一節(jié)下端焊接高度30 cm的圓錐形樁尖，每節(jié)鋼管間采用對焊加扁鐵幫焊進行連接。靜壓樁反力架用鐓粗螺栓固定在地面上，螺栓孔內(nèi)用硫磺粘結劑進行錨固，設計要求單個螺栓抗拔力＞100 kN。

2 靜壓樁壓樁過程分析

壓樁力是沉樁過程中使樁能貫入土層所施加的靜壓力，主要是克服樁端阻力和樁周摩擦力組成的沉樁阻力。沉樁時，樁周土體會受到劇烈的擠壓，樁尖首先使土體產(chǎn)生沖剪破壞，孔隙水受到?jīng)_剪擠壓作用形成不均勻水頭，產(chǎn)生急劇上升的超孔隙水壓力，擾動了土體結構，這種擾動和破壞隨著樁的貫入會連續(xù)不斷地向下傳遞，使樁周一定范圍內(nèi)的土體形成重塑區(qū)，由于超孔隙水壓力在黏性土和砂性土中消散的快慢程度不同，沉樁阻力的構成也不相同。

在黏性土層中沉樁，由于黏性土靈敏度的影響，樁周重塑區(qū)土的抗剪強度大為降低。樁基工程研究的理論表明，飽和黏性土中樁的沉入過程是一個不排水過程，其重塑區(qū)的范圍為距離樁身表面約0.5d(d為樁徑)，而土的壓縮性受到較大影響的范圍可達1.5d，這使得黏性土中的超孔隙水壓力消散緩慢，重塑區(qū)強度恢復需要較長時間。故在黏性土中沉樁時，沉樁阻力主要來自樁端阻力，而樁側阻力較小。當樁尖處在同一土層中時，沉樁阻力基本上保持不變或者略有波動;當穿越不同土層時沉樁阻力會發(fā)生突變。因此對于黏性土中沉樁阻力的計算必須考慮土體的靈敏度(樁側摩阻力與靈敏度成反比，靈敏度越高，樁側摩阻力越小)。

在砂性土中沉樁時，由于砂層的滲透系數(shù)較大，沉樁產(chǎn)生的孔隙水壓力迅速消散，故在同一性質的砂層中，樁側摩阻力隨樁入土深度的增大而顯著增大，即使在同一土層中，樁端阻力變化不大的情況下，沉樁阻力也會出現(xiàn)明顯的增長。

關于樁側摩阻力的取值，張明義等［2］認為壓樁過程中樁周土與樁體的摩擦表現(xiàn)為滑動摩擦，但在壓樁過程中，土體擾動使得樁周土壓力衰減，因此根據(jù)室內(nèi)試驗確定的樁側摩阻力值和根據(jù)現(xiàn)場資料確定的樁側摩阻力值有較大差異，采用室內(nèi)直接試驗的方法將會導致樁側摩阻力的估算偏大。

圖1右側為該項目27號樁的壓樁深度—壓樁力關系曲線，左側為該樁位對應的地層柱狀圖，表1為從地質剖面圖上截取的該樁位對應的地層情況。由圖中可以看出，當樁尖位于人工填土層①3和①2中時，其沉樁阻力隨深度增加而增大，從144 kN近似線性地增加到300 kN。樁尖進入粉質黏土層②后，壓樁力迅速下降，在175～225 kN之間波動。在樁尖進入強風化巖層④后壓樁力迅速增長，在0.6 m的深度范圍內(nèi)從225 kN增長到458 kN。可見，壓樁力并不一定是隨深度增加而增大。在松散的填土層中，沉樁阻力隨深度增加而增大，是樁端阻力和樁側摩阻力共同增加的結果。在進入黏土層后，由于粉質黏土遇水軟化，樁端阻力明顯減小，同時黏性土受到擾動造成樁側摩阻力變小，壓樁力下降明顯。而在進入持力層后，樁端阻力迅速增長，直至壓樁力達到設計標準。

圖1 27號樁壓樁力—壓樁深度關系曲線及地層柱狀圖

表1 地層情況

根據(jù)靜壓樁在黏性土和砂性土中壓樁曲線的不同特點，在某些項目施工時可以分別制定合適的施工方案。如地下托換工程施工時，對于黏性土應逐根壓樁，把所有樁沉至相應深度，待超孔隙水壓力消散和樁承載力提高后開挖托換承臺下的土方再進行荷載轉換。對于砂性土，可以邊開挖土方邊壓樁，因為孔隙水在砂性土中消散比較快，而且樁側阻力在沉樁阻力中所占比例較大，通過控制沉樁和開挖土方的速度，可以很好地控制壓樁力和建筑物的沉降，保證建筑物的安全。

3 靜壓樁終壓力的確定

沉樁完成后隨著時間的推移，樁周土體中超孔隙水壓力逐漸消散，土體發(fā)生固結，土的抗剪強度及側摩擦力逐步恢復。恢復后的土體抗剪強度才使靜壓樁獲得極限承載力，所以靜壓樁的終壓力與極限承載力是兩個不同的概念，兩者的量值也不盡相同。在實際工程應用中，壓樁系數(shù)Q/Rk值(靜壓樁終壓力Q與預估單樁承載力標準值Rk之比)取值范圍0.98～3.80，呈現(xiàn)了較大的離散性。如何確定壓樁系數(shù)具有很重要的工程意義，一方面它關系靜壓樁的成樁質量，另一方面它對工程造價有著重大的影響，制定安全合理的終壓力標準可以指導選用經(jīng)濟適用的施工機械。

從大量工程實踐看，在一些樁周土為黏土、粉質黏土等固結系數(shù)較高的地區(qū)，當壓樁完成黏性土抗剪強度恢復，靜壓樁最終獲得的單樁極限承載力可能比壓樁時的終壓力值高出2倍甚至更高，其增長幅度與土的性質、樁長、樁間距、固結時間等有關。袁星武［3］通過對軟土地區(qū)多個實際樁基工程數(shù)據(jù)統(tǒng)計后認為:當樁長≥20 m時，壓樁系數(shù)取值1.3～1.8較為適宜;當樁長＜20 m時，壓樁系數(shù)取值應略高，在1.7～2.0;當壓樁系數(shù)＞2.0時，應驗算樁身抗壓強度。而在砂層中沉樁時，由于砂層的滲透系數(shù)較大，沉樁產(chǎn)生的孔隙水壓力迅速消散，樁側摩阻力在沉樁阻力中所占比例較大。當以砂層為持力層時，在終壓力作用下，砂顆粒之間的咬合和摩擦作用提供的反作用力使樁處于動態(tài)平衡狀態(tài)。卸載后一定時期內(nèi)，砂粒之間會產(chǎn)生部分滑動，顆粒重新排列，樁端阻力和樁側摩阻力會有所降低，樁的極限承載力要低于壓樁的終壓力。

在實際的工程應用中，多通過試壓法來確定壓樁系數(shù)［4-6］。通過試樁可以摸清持力層的特性及樁尖進入持力層所需的最佳壓樁力，進而選定經(jīng)濟合理的壓樁系數(shù)。試樁要選擇離勘探鉆孔位置最近的樁位(至少2根)，先計算出預估壓樁力并考慮一定余地選擇相應的壓樁設備，并做好壓樁記錄。本項目中設計方案給出的終壓標準為:“壓樁深度達到設計深度或小于設計深度1 m范圍內(nèi)，且終止壓力值達到300 kN，封樁頭后可達到設計承載力200 kN”。本工程選取217，187號樁進行試樁，試壓結果表明300 kN的壓樁力不能達到設計要求的樁深。試樁后最終選取2.0的壓樁系數(shù)，確定的終壓控制標準為:“壓樁深度達到設計深度或小于設計深度1 m范圍內(nèi)，且終止壓力值達到400 kN，封樁頭后可達到設計承載力200 kN”。項目施工過程中委托第三方在每棟樓隨機選取了3根樁進行單樁豎向抗壓靜載試驗，檢驗結果證明各個樁的單樁豎向抗壓極限承載力均不小于400 kN，滿足設計要求。

4 靜壓樁施工技術要點

通過該項目的施工，總結出以下幾個施工技術要點:

1)壓樁順序:如樁長、截面大小不一致時，應按照先深后淺，先大截面后小截面方式安排壓樁。錨桿靜壓樁是擠土型樁，易對周邊樁造成擠壓位移，同時為避免樁周土體塑性重合，應調整鄰樁壓樁次序間隔施工。不宜數(shù)臺壓樁機同時在一個獨立區(qū)域內(nèi)施工。施工期間，壓樁力總和不得超過該基礎及上部結構的自重，以防止基礎上抬造成結構破壞。

2)壓樁施工不得中途停頓，應一次到位，如必須中途停頓時，樁尖應停留在承載力較低土層中，且停歇時間不宜超過24 h，以免土體固結超靜水壓力消散引起摩阻力劇增。

3)正式圧樁前要進行試樁，以觀察樁對土體的擠壓情況、對周圍的影響程度及壓樁的偏差程度，以便在正常壓樁時參考。壓樁前應對螺栓的抗拔力進行檢驗，確保螺栓可以提供足夠的壓樁反力。壓樁使用的千斤頂要進行標定，根據(jù)檢定結果核準終壓控制指標。

4)圧樁時要確保壓樁架垂直，樁段的垂直度偏差不得超過1%樁段長，第一節(jié)樁壓樁前及接樁后應使用水平靠尺檢測樁身。接樁后待焊縫冷卻后方可繼續(xù)壓樁。為保證樁身豎直，送樁時，千斤頂與樁段軸線保持在同一垂直線上，千斤頂施加的壓力中心與樁截面中心重合，不得偏壓。

5)封樁要待沉降基本穩(wěn)定后一次封樁，這有利于各樁受力均勻。

6)錨桿靜壓樁在工程應用中也存在一些不足之處，靜壓樁樁徑較小，深度有一定限制，并不適合所有土質，對于較厚的中密以上砂夾層或較多孤石、障礙物的地層要慎重使用。本工程施工時，遇到入土深度較淺壓力卻急劇增加的情況，這種情況下如果加大壓樁力仍無法深入，再報請設計方做樁位變更，如樁位無法變更，只能采取引孔等方式。

5 小結

錨桿靜壓樁施工時對現(xiàn)場環(huán)境擾動較小，不會造成較大污染，很適合于古跡遺址以及房屋改造加固等項目。本項目選用靜壓樁進行房屋加固，取得了很好的效果，也獲取了一些關于靜壓樁關鍵工藝參數(shù)及施工技術的經(jīng)驗。

1)靜壓樁的沉樁阻力主要由樁端阻力和樁側摩阻力組成。由于靈敏度的影響，在黏性土層中沉樁樁側摩阻力所占比例很小，在同一土層中其沉樁阻力基本保持不變。而在砂性土層中，由于孔隙水壓力很快消散，其樁側摩阻力不能忽略，同一土層中沉樁阻力隨深度增加而增大。

2)靜壓樁的終壓力與其極限承載力是兩個不同的概念，量值也不盡相同。由于樁周重塑區(qū)的強度會隨超孔隙水壓力的消散而恢復，黏性土層中靜壓樁的極限承載力會得到提高，最終高于其終壓力。而砂性土層中由于砂土顆粒在荷載作用下重新排列，其極限承載力會低于其終壓力。故在正式施工前，應參考土層性質，采用試樁法制定合適的終壓標準。

3)靜壓樁施工時，壓樁順序應考慮到靜壓樁的擠土效應，先長后短，先大后小。壓樁應連續(xù)作業(yè)，在沉樁過程中注意保持樁架、千斤頂以及樁身的垂直，不得偏壓。封樁應待沉降穩(wěn)定后一次進行，以利于各樁均勻受力。

［1］詹金林，水偉厚，宋美娜，等.軟土地區(qū)錨桿靜壓樁施工問題及解決方案［J］.巖土工程學報，2010，32(增2):567-569.

［2］張明義，鄧安福.樁土滑動摩擦的試驗研究［J］.巖土力學，2002，23(2):246-249.

［3］袁星武.軟土地區(qū)靜力壓樁終壓控制的探討［J］.地下空間，1998，18(4):216-219.

［4］冶金工業(yè)部建筑研究總院.YB J277—1991 錨桿靜壓樁技術規(guī)程［S］.北京:冶金工業(yè)出版社，1991.

［5］賈強，應惠清，張鑫.錨桿靜壓樁技術在既有建筑物增設地下空間中的應用［J］.巖土力學，2009，30(7):2053-2057.

［6］王俊林，王志寬，馬艷.靜壓管樁單樁極限承載力與終壓力關系的探討［J］.巖土力學，2008，29(增):156-159.