隧道中支盤式錨桿靜壓樁單樁極限承載力分析*

邱紅勝 胡玉華 余 浪 趙勇強(qiáng)

(武漢理工大學(xué)交通學(xué)院1) 武漢 430063) (昆明市政工程設(shè)計科學(xué)研究院2) 昆明 650100)

隧道中支盤式錨桿靜壓樁單樁極限承載力分析*

邱紅勝1)胡玉華1)余 浪2)趙勇強(qiáng)1)

(武漢理工大學(xué)交通學(xué)院1)武漢 430063) (昆明市政工程設(shè)計科學(xué)研究院2)昆明 650100)

基于理論分析、數(shù)值模擬及經(jīng)驗公式驗算等方法對支盤式錨桿靜壓樁在隧道止沉工程中的應(yīng)用進(jìn)行了研究.使用支盤式錨桿靜壓樁這一新型樁型處理隧道下臥層軟基；介紹了該樁的成樁工藝流程、壓漿機(jī)理并分析其優(yōu)缺點.通過單樁模型分析表明，支盤式錨桿靜壓樁相比于普通錨桿靜壓樁，承載力較大且沉降量較小.采用單一因素變量分析了不同土層參數(shù)對其承載性能的影響.

支盤式錨桿靜壓樁；數(shù)值模擬；極限承載力；沉降分析

0 引 言

軟弱下臥層上的已建地鐵，經(jīng)過長期運營，縱向不均勻沉降的問題逐漸凸現(xiàn).研究隧道在長期荷載作用下的縱向變形，并對軟基采取適當(dāng)?shù)奶幚泶胧┦直匾?

魏歡[1]研究了獨立基礎(chǔ)的承載性能，對錨桿靜壓樁擠土位移及卸土?xí)r單樁承載力進(jìn)行了建模分析.詹金林等[2]通過對錨桿靜壓樁工法理論研究總和現(xiàn)場施工經(jīng)驗提出了減小錨桿靜壓樁擠土效應(yīng)及附加沉降的方法.李韜等[3]對采用錨桿靜壓樁樁基處理的某爛尾樓工程進(jìn)行了地基處理方案的優(yōu)化，研究了施工后的樁土應(yīng)力比.當(dāng)前靜壓錨桿樁在工民建及市政工程的止沉及糾偏中運用廣泛，但在隧道止沉工程中的相關(guān)研究很少.

支盤式錨桿靜壓樁在處理隧道軟基過程中，能合理地運用狹小空間、利用結(jié)構(gòu)原有重量進(jìn)行靜壓且可靠性高，有益于隧道安全.

文中所研究的支盤式錨桿靜壓樁結(jié)合了一般擠擴(kuò)支盤樁和樁端后注漿樁的特點，在普通錨桿靜壓樁樁內(nèi)預(yù)留PVC管道，使用靜壓法施工后沿預(yù)留孔注漿形成樁身支盤和樁端擴(kuò)大頭.

1 支盤式錨桿靜壓樁簡介

1.1 成樁工藝

文中主要對隧道沉降進(jìn)行研究，隧道內(nèi)不適合采用大孔徑灌注樁，且隧道已建成通車，故采用支盤式錨桿靜壓樁法.選取的樁型為預(yù)制剛性管樁，采用后壓漿技術(shù)形成支盤.

施工流程為：在已建隧道中，按錨桿靜壓施工方法分節(jié)壓入預(yù)制樁，該預(yù)制樁中心留有PVC壓漿管道，樁身距樁端3 m和6 m處預(yù)留對稱4孔，樁頂加壓壓漿，形成樁身支盤及樁端擴(kuò)大頭.具體工序分三個階段：①將花管伸入到樁端采取滲透壓漿壓入混凝土漿液，在樁端和樁側(cè)形成漿液凝固的薄壁；②采用壓密壓漿的方法，混凝土漿液在樁端擠壓形成擴(kuò)大頭；③將花管提升到樁身預(yù)留孔處，反復(fù)進(jìn)行壓密壓漿形成樁身混凝土支盤.

1.2 后壓漿機(jī)理

1.2.1 樁端后壓漿機(jī)理

1) 樁端后壓漿在樁底形成了穩(wěn)定的混凝土擴(kuò)大體，樁端有效面積擴(kuò)充，減緩了樁對土層的刺入，更好的利用樁端土的承載能力.后壓漿對土層也有壓密作用.漿液會沿著樁身上升一段距離，增大了土體和樁的接觸，提升了側(cè)摩阻力.

2) 壓漿力相當(dāng)于形成了預(yù)應(yīng)反力，從而提升了樁的端阻力和摩阻力.

3) 若在群樁基礎(chǔ)中采用后壓漿技術(shù)，相當(dāng)于在群樁的樁端形成了新的土質(zhì)堅硬的持力層.樁端壓漿相當(dāng)于人為地固化了樁端持力層并使其強(qiáng)度提高，最終樁基礎(chǔ)和隧道結(jié)構(gòu)的共同沉降值更小并且均勻[4].

1.2.2 樁側(cè)后壓漿機(jī)理

1) 在樁身預(yù)留注漿孔，在預(yù)留孔周圍反復(fù)壓漿形成盤狀的樁身混凝土支盤，支盤具備一定的端阻力，可增加樁的極限承載力.

2) 樁側(cè)壓漿口上下一定范圍內(nèi)，漿液會凝固形成一層薄膜，這層薄膜和樁身支盤及樁本身共同承擔(dān)樁所受荷載.不但使樁土接觸面更為粗糙緊密，并且“擴(kuò)大”了樁身注漿口的有效截面積，同時新增了盤阻力和增大了側(cè)摩阻力[5].

1.3 支盤式錨桿靜壓樁的優(yōu)缺點

通過反復(fù)后壓漿形成的樁身支盤和擴(kuò)大頭，可提高漿液對樁周土的填充性、樁身受力更為明確、提升樁的整體可靠性.最終形成的支盤式錨桿靜壓樁樁的單樁承載力很高，抗拔性好且更加穩(wěn)定.

支盤式錨桿靜壓樁法是技術(shù)難度較大，應(yīng)考慮施工期間的樁擠土效應(yīng)和附加沉降.預(yù)留管道和小孔最后成盤以及擴(kuò)大頭的形狀大小很難準(zhǔn)確判斷.支盤和擴(kuò)大頭直徑不能精準(zhǔn)確定，承載力經(jīng)驗公式不夠完善.

2 單樁極限承載力有限元模擬

2.1 單樁的有限元模擬

2.1.1 定義單元類型和材料參數(shù)

樁、土體使用SOLID45實體單元模擬，使用TARGE170單元模擬樁身，使用CONTA173單元模擬樁周土柔性接觸[6].土使用D-P材料，材料的參數(shù)見表1.

表1 材料的參數(shù)表

2.1.2 實體模型建立

建立1/4簡化模型，模型土體的長、寬、高分別為2.5，2.5，30 m，樁徑300 mm、樁長12 m，在距樁頂3，6 m處設(shè)計2個承力盤，樁端設(shè)置擴(kuò)大頭，支盤和樁底擴(kuò)大頭直徑均為600 mm.另外建立一普通靜壓錨桿樁(簡稱為等直徑樁)與支盤式錨桿靜壓樁(簡稱為支盤樁)做對比.

2.2 計算結(jié)果分析

2.2.1Q-S曲線分析

從50 kN的荷載開始，以每50 kN為單位逐級加載得到圖1的Q-S曲線：支盤樁的Q-S曲線變化趨勢較緩，開始加載時，Q-S曲線為直線.隨著荷載水平的提高，變化速率緩慢增長.取樁頂位移為40 mm時，此刻施加的荷載為支盤樁的豎向極限承載荷載，即1 900 kN.等直徑樁在加載初期Q和S之間也是一次函數(shù)關(guān)系，隨著荷載的增加，曲線斜率開始變大，當(dāng)荷載增加到1 050 kN時，曲線出現(xiàn)陡降的趨勢，此時樁底土層已經(jīng)出現(xiàn)破壞狀態(tài)，此載荷即為等直徑樁的極限承載載荷.

圖1 Q-S曲線

對比支盤樁和等直徑樁的Q-S曲線，可發(fā)現(xiàn)在同一荷載水平下，后注漿形成支盤和擴(kuò)大頭能極大的減小樁身位移，且極限承載力比等直徑樁高出約81%[7-8].

2.2.2 各部分應(yīng)力分擔(dān)比分析

文中所研究的支盤式錨桿靜壓樁所受荷載由樁身側(cè)摩阻、上下支盤、樁端擴(kuò)大頭一起承擔(dān).將計算結(jié)果進(jìn)行換算并繪出圖2樁身各部分所分擔(dān)荷載百分比隨樁頂沉降變化圖.

圖2 樁身各部分所占荷載百分比

由圖2可知，在樁頂荷載很小時，側(cè)摩阻占絕大部分分擔(dān)比，上盤承載能力的發(fā)揮隨沉降的變化較為迅速，比下支盤承擔(dān)更多荷載，端阻承擔(dān)較小一部分荷載.隨著沉降的增大側(cè)摩阻力所占比例不斷減小，上、下支盤及端阻力不斷增加，且下支盤增長速率大于上支盤.而樁端一直保持著較為平穩(wěn)的增長趨勢，說明其承載力并沒有完全的發(fā)揮.

當(dāng)樁頂施加到極限承荷載時，樁的端阻力(支盤阻力、樁端阻力合成為端阻力)占49%，從而驗證了支盤式錨桿靜壓樁屬于多支點端承樁；但支盤式錨桿靜壓樁側(cè)摩阻力仍占有超過50%的比例，一般擠擴(kuò)支盤樁只占有30%左右[9]，這是由于支盤式錨桿靜壓樁為預(yù)制樁后注漿形成，預(yù)制樁為后壓入樁，樁土接觸更為緊密，側(cè)摩阻力更大.

3 支盤式錨桿靜壓樁單樁承載力經(jīng)驗公式推導(dǎo)

在通用經(jīng)驗公式中，土的物理參數(shù)和樁的幾何參數(shù)共同決定支盤樁的豎向單樁極限承載力.支盤式錨桿靜壓樁支盤的存在導(dǎo)致其樁身軸力圖與一般等直徑樁不同，會在盤所在位置發(fā)生較大折減.開始施加樁頂荷載時，樁身上支盤會較早發(fā)揮作用，而樁端擴(kuò)大頭作用發(fā)揮較為滯后，直至荷載增加大至極限荷載，樁端承載力并未完全發(fā)揮，可作為一定的安全儲備[10].

由文獻(xiàn)[11]可知，普通承壓樁的單樁豎向承載力公式為

QS=QSK+QPK=U∑qsili+qpAp

(1)

式中：U為主樁樁周周長；li為第i層土有效厚度，m；qsi為樁側(cè)第i層土的極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值；Ap為樁端投影面積，m2；qp為樁端所在土層的極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值.

根據(jù)大量工程實測數(shù)據(jù)及相關(guān)文獻(xiàn)分析可發(fā)現(xiàn)，支盤式錨桿靜壓樁樁側(cè)反復(fù)后壓漿形成支盤后，對樁周土體摩阻力的發(fā)揮產(chǎn)生了影響，支盤樁第一個持力上部和最后一個持力盤下部的實際樁側(cè)摩阻力比預(yù)估的要高10%～50%，支盤所在土層的摩阻力發(fā)揮要減弱10%～30%.建議在計算支盤樁的樁側(cè)極限摩阻力時，應(yīng)該附加一個“側(cè)摩阻力發(fā)揮系數(shù)ξ”，這樣修正后的經(jīng)驗公式會更加準(zhǔn)確.建議兩個取值原則：①最上面一個持力盤以上土層，ξ=1.1～1.4；持力盤所在土層及持力盤間土層，ξ=1.0；最下面一個持力盤以下土層，ξ=1.0～1.2；②ξ在粉黏土中取較應(yīng)較高，砂土中可取較小值.

支盤樁盤阻力實測值也比經(jīng)驗公式中計算得到的盤阻力低，因此建議在經(jīng)驗公式計算中需要在盤阻力前乘以一個“折減系數(shù)η”.

以文獻(xiàn)[12]給出的支盤樁豎向承載力經(jīng)驗計算公式為基礎(chǔ)，引入上文給出的“發(fā)揮系數(shù)ξ”及“盤阻折減系數(shù)η”，并將樁端投影面積Ap改為樁端擴(kuò)大頭投影面積Ap1.概括提出關(guān)于帶擴(kuò)大頭支盤樁的豎向極限承載力的通用計算式為

QUK=QSK+QPK=

U∑ξqsiLi+η∑qpJAPj+qpApi

(2)

式中：Li為當(dāng)?shù)趇層土中設(shè)置支盤，樁穿越第i層土折減盤高的有效厚度，m；ξ為樁側(cè)摩阻力發(fā)揮系數(shù)，按上文給出的兩點原則選取；η為盤底土層極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值修正系數(shù)；Api為樁端擴(kuò)大頭投影面積，m2；APj為第j盤除去樁身橫截面積的盤投影面積，m2；qpj為第j盤處土層的極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值.

根據(jù)表1，按式(1)計算得QS=1 024.43 kN.同理，采用支盤式錨桿靜壓樁時按式(2)計算得QUK=1 861.45 kN.對比經(jīng)驗公式和ANSYS模擬結(jié)果得到的極限承載值可知，兩種方法計算的結(jié)果誤差為2.1%.

4 土層參數(shù)影響分析

4.1 粘聚力和內(nèi)摩擦角

黏土的抗剪強(qiáng)度公式為τ=c+σtanφ,這表明土的黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ決定了土的強(qiáng)度，而土的強(qiáng)度也直接影響了支盤式錨桿靜壓樁的承載能力.

4.1.1 土黏聚力c的影響

當(dāng)只改變土的黏聚力c大小時，對支盤式錨桿靜壓樁承載力的影響見圖3.

圖3 黏聚力對樁頂沉降的影響

由圖3可知，當(dāng)土層其他參數(shù)及樁身參數(shù)不變時，樁頂位移隨著粘聚力c的增加而減少，說明土黏聚力對樁頂位移及樁的承載性能有影響，不過這種影響力隨著土的黏聚力不斷變大而減弱.荷載在加到800 kN之前，樁沉降和樁頂荷載呈線性關(guān)系，黏聚力的改變對Q-S曲線幾乎沒有影響.隨著荷載的不斷變大，黏聚力的增大減小了樁頂?shù)奈灰?，提高了樁的承載能力.

4.1.2 土的內(nèi)摩擦角φ影響

當(dāng)只改變土的內(nèi)摩擦角φ大小時，對支盤式錨桿靜壓樁承載力的影響見圖4.

圖4 內(nèi)摩擦角對樁頂沉降的影響

土的內(nèi)摩擦角φ的改變對樁Q-S曲線的影響在荷載施加初期就可以表現(xiàn)出來，內(nèi)摩擦為10°時，曲線表現(xiàn)為較為明顯的向下彎曲趨勢，這說明此時土的塑性形狀得到明顯的表現(xiàn)；隨著內(nèi)摩擦角的不斷變大，曲線的彈性變化區(qū)間延長，彎曲的曲率變小，樁的承載力變高.當(dāng)加載到1 800 kN時，內(nèi)摩擦角由10°變化到50°，樁頂?shù)某两涤钟?9.86 mm減小至41.75 mm.

4.2 各土層彈性模量

4.2.1 支盤所在土層彈性模量ES1的影響

圖5為ES1對樁頂沉降的影響，由圖6可知，由于支盤的存在，ES1的改變對樁的Q-S曲線趨勢的變化有著很大的影響.在荷載為1 800 kN時，ES1由10 MPa增大到40 MPa，樁頂?shù)奈灰朴?6.75 mm減少到27.52 mm，沉降量減少了25.11%.ES1的增加大大的較小了樁頂位移的大小，這說明ES1很大程度上決定了盤阻力的大小，將支盤設(shè)置在較為良好的土層中有利于提高樁的承載力.

圖5 ES1對樁頂沉降的影響

4.2.2 持力層彈性模量ES2的影響

持力層土ES2的改變對樁端阻力的影響程度很大，見圖6.由圖6可知，在1 800 kN的荷載作用下，ES2由10 MPa增大到40 MPa時，樁頂?shù)暮奢d由47.53 mm減少到34.92 mm，減少了12.61 mm，減少量為26.5%.這表明ES2的改變會通過影響樁的端阻力而直接對樁的承載能力產(chǎn)生較大的影響，在實際工程中對持力層的選取尤為重要.

圖6 ES2對樁頂沉降的影響

5 結(jié) 論

1) 支盤式錨桿靜壓樁相比于一般錨桿靜壓樁有承載力較大和沉降量較小的優(yōu)點.

2) 極限荷載下樁端阻力所占百分比高于任何單一支盤盤阻力，且樁端擴(kuò)大頭仍具備一定的安全貯備.

3) 樁頂位移隨著土的粘聚力c的變大而減小，但這種影響力隨著黏聚力不斷增大而減弱.

4) 土的內(nèi)摩擦角φ不斷變大時，Q-S曲線的彈性變化區(qū)間延長，樁的承載性能得到提升.

5)ES1很大程度上決定了盤阻力大小，將支盤設(shè)置在較為良好的土層中有利于提高樁的承載力；ES2的改變會通過影響樁的端阻力直接對樁的承載能力產(chǎn)生較大影響，實際工程中對持力層的選取尤為重要.

[1]魏歡.錨桿靜壓樁在既有建筑物地下加層工程中的應(yīng)用研究[D].南京:南京航空航天大學(xué),2012.

[2]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(xué)報,2010(增刊2):566-569.

[3]李韜,畢兆云,高大釗.按復(fù)合樁基設(shè)計錨桿靜壓樁處理地基[J].巖土力學(xué),2004,25(7):1171-1174.

[4]鄭楷.北京市某超高層建筑基礎(chǔ)灌注樁后壓漿技術(shù)的研究與應(yīng)用[D].長春:吉林大學(xué),2013.

[5]裴二保.砂土中靜壓單樁及其樁側(cè)注漿模型試驗研究[D].太原:太原理工大學(xué),2010.

[6]李立峰,王連華.ANSYS土木工程實例詳解[M].北京:人民郵電出版社，2015.

[7]巨玉文.擠擴(kuò)支盤樁力學(xué)特性的試驗研究及理論分析[D].太原:太原理工大學(xué),2005.

[8]宋志慧.管樁樁底注漿前后樁土應(yīng)力應(yīng)變特性研究[D].太原:太原理工大學(xué),2007.

[9]唐松濤.DX旋挖擠擴(kuò)灌注樁單樁及群樁承載機(jī)理及沉降研究[D].北京:北京交通大學(xué),2012.

[10]張希川.支盤群樁在豎向荷載下的傳力分析[D].天津:天津大學(xué),2014.

[11]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.建筑樁基技術(shù)規(guī)范：JGJ94-2008[S].北京：中國建筑工業(yè)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

*國家自然科學(xué)基金項目資助(11672215、51308429)

U231

10.3963/j.issn.2095-3844.2017.03.014

邱紅勝(1966—):男，博士，教授，主要研究領(lǐng)域為軟土地基處理