加筋水泥土锚桩在基坑中锚固机理的试验研究

王经国 朱寿增 赵北辰

0 引言

近年来，我国软土锚固技术发展迅速，基坑工程支护技术创新不断[1-3]，加筋水泥土锚桩(以下简称锚桩)即是其中一种新型的基坑软土锚固技术。该技术结合了搅拌桩和高压旋喷桩的特点，使水泥与土的拌合更均匀，桩身强度大幅度提高，从而形成水泥土复合式锚固结构。工程实践表明，针对淤泥质软土深基坑，锚桩支护产生的锚固效果是普通锚杆、土钉等支护结构所不能达到的，已成功应用于100多个基坑工程，最大支护开挖深度达20.0m。

目前，锚桩支护技术的理论研究还处于初级阶段，对于其土层加固机理还在探索之中，结构设计主要参考常规的支护结构设计理论与方法，不能体现该支护结构自身的特点，从而阻碍了该技术的完善和推广应用。基于拉拔试验结果，分析了锚桩在荷载作用下的变形规律;通过对比分析，阐明了锚桩与土的相互作用关系，并以此为基础建立了淤泥质软土基坑中锚桩支护的作用机理，对以后的工程设计与应用具有重要的参考价值。

1 锚桩静载试验

某建设场地浅层主要为淤泥质粘土，其特征为:灰色，饱和，流塑，含大量腐殖质，属高含水量、高压缩性、低强度的浅海相沉积土层，土层物理力学指标见表1。试桩桩长10.0m，桩径500mm，扩大头直径700mm，长度1.5m，内插入2-φ15.2mm的钢绞线，桩端进入到淤泥土层。静载试验的单根试桩极限抗拔承载力 208 kN，采用慢速维持荷载法加载。典型的试桩荷载—桩顶位移(U—δ)关系曲线如图 1～图 4所示。

表1 淤泥质粘土的物理力学特性参数

1.1 U—δ曲线特征

1)由图1，图3可以看出，SZ1号，SZ2号试桩的U—δ曲线均为缓变型曲线。在前 12级荷载下，桩顶位移增加平缓;当荷载加至224 kN，桩顶位移急剧增加，最大位移量分别为118.0mm，120.0mm，达到终止加载的条件，确定其前一级荷载U=208 kN为抗拔极限承载力。卸载至零后，桩顶残余变形分别为108.0mm，95.0mm。2)由图2，图4可以看出，SZ1号，SZ2号试桩的δ—lgt曲线尾部无明显的弯曲现象，由此说明，在某一恒载作用下，随着时间的增长，淤泥质软土中的锚桩锚固力变化比较稳定，土体处于低应力水平状态，无明显的流变变形特性。3)图 2中试桩第 13级荷载加载初期(即U=224 kN)，桩顶位移有一个明显的增长过程，其后这种变化趋于平缓，这一现象说明，随着荷载的增大，锚桩端部扩大头的挤压、增阻作用越来越明显。

1.2 桩体变形规律

1)回弹率。回弹率是反映桩土相互作用关系的重要指标。经计算，SZ1号和SZ2号试桩的桩体回弹率分别为9.3%，20.8%，由此说明试验卸载后土体的回弹量较大，在极限抗拔力作用下淤泥质软土处于弹性变形阶段;另一方面也说明锚桩的扩大头部分对土体的压缩作用明显，与普通圆柱形锚杆相比，锚桩的承载力由桩侧土体的“摩擦作用”和桩端土体的“压缩作用”共同来提供。

2)桩顶位移发展规律。锚桩U—δ曲线表明，桩顶位移逐渐增大的过程，也即荷载向深层稳固土层传递的过程，桩顶位移发展规律一定程度上反映了桩的荷载传递规律。因此建议对锚桩分级施加应力，充分发挥异形支盘与扩大头的作用，其对控制软土变形效果较好。

2 桩与土的相互作用

从作用机理来讲，锚桩属于抗拔桩，其受力实质就是桩与桩周土组成的桩——土体系内相互作用，共同完成荷载传递这一过程。基于文献[4]中的混凝土扩底抗拔桩的抗拔作用机理、荷载传递规律，本文从研究桩侧土体入手，通过分析荷载传递过程中土体力学特性的变化规律，从而深入了解锚桩桩与土的相互作用关系，为建立锚桩桩的软土作用机理提供依据。

2.1 软土流变应力水平控制

村山塑郎(1956年)提出软土强度上屈服值的概念，指出如果作用于土体上的荷载小于某一荷载时，则软土蠕变变形随时间而逐渐减小，最后趋于停止，土体不至于达到破坏;如果作用于土体上的荷载大于某一荷载时，则变形速度增加，最后导致土体破坏。根据夏冰等软土蠕变试验结论，在此低应力水平作用下，土体处于可收敛流变变形阶段，由软土提供的极限摩阻力在满足锚桩桩抗拔承载力的基础上，尚能满足软土自身的可收敛流变变形。

2.2 桩侧土应力集度控制

岩土锚固理论指出锚固体的荷载传递是一个渐变的过程，是土体的摩阻力逐渐增大并向深层稳固土体传递的过程。对于淤泥质软土，如果在较大的荷载作用下，这种传递过程很难在短时间内完成，只有浅层土体来平衡这一外部荷载，这时土体极限摩阻力大于其收敛应力水平并产生非收敛蠕变变形，随着时间的延长，这种变形逐渐向深部土层扩展，从而影响锚固体的抗拔承载力。这种由于应力集中现象而产生的软土非收敛蠕变变形也是锚杆、土钉等支护不能在软土地区应用的一个重要原因。

锚桩通过水泥浆液地面加压，以高速喷射到土体中，在高压水泥浆液的作用下，软土的孔隙被填充，细小的土颗粒发生重新排列，形成一大直径水泥土复合式承载体，并通过往复加压喷浆形成多级异形支盘扩大体。与锚杆、土钉等支护结构相比，加筋水泥土锚桩直径(一般情况下能达到500mm～1 000mm)较大，桩与土体的接触面积增大，在短时间内能使更多范围内的土体参与到这种力系的平衡过程中，从而消除了短时间内桩侧土荷载传递过程中的应力集中现象，即锚桩桩的异形构造对桩侧土的应力集度控制效果显著。

3 结语

工程实践表明，基坑侧壁范围内的多排斜向锚桩组成的桩群，与竖向挡土结构组成空间支架体系，从而改良了软土结构，达到稳定基坑边坡的目的。锚桩支护技术的作用机理主要表现在:

1)加固作用。与普通锚杆、土钉相比，锚桩桩的高压旋喷作用使一定范围内的土体结构发生重新组合，形成一种新型的水泥—土网络结构，改善了土体的力学性质，特别对软土的加固效果显著。2)骨架约束作用。由于锚桩本身的强度和刚度，以及它在土体中的空间分布，形成一复合式挡土结构，从而对土体变形(特别是软土的流变变形)起到骨架约束作用，有效限制边坡滑裂面的移动，增强土体的整体性。3)应力扩散和传递作用。试验表明，大直径、多级异形支盘锚桩大大消弱了软土的流变应力水平，改善了桩体的应力分布状态。锚桩通过其应力传递作用，逐步将外力荷载传递到深部稳定土层中，并分散在较大范围的土体中，降低了应力集中程度。

[1] 程良奎.岩土锚固的现状与发展[J].土木工程学报，2001，34(3):28-29.

[2] 徐希萍，杨永卿.深基坑支护技术的现状与发展趋势[J].福建建筑，2008，12(9):66-67.

[3] 王卫东，吴江斌，许 亮，等.软土地区扩底抗拔桩承载特性试验研究[J].岩土工程学报，2007，29(9):5-9.

[4] 孙洋波，王 华，朱苦竹.软土地区扩底桩群桩抗拔试验分析[J].施工技术，2008，37(7):44-48.