锚杆静压桩终压标准及关键施工工艺探讨

赵桐丽，朱宏伟，姚建平，李中国，蔡德钩

(1.中国中元国际工程有限公司，北京 100089;2.中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，北京 100081)

1 工程概况

某项目有2栋建筑物，地上6层，建筑总高度18.0 m，地下1层，基础埋深为3.6 m。地上建筑为框架剪力墙结构，地下建筑为钢筋混凝土框架结构，采用筏型基础，筏板厚40 cm，筏板下部为16 cm厚素混凝土垫层，其下为50 cm厚级配砂石垫层。结构设计要求建筑地基承载力≥150 kPa，允许最大沉降量为20 mm，沉降差不大于20 mm。为满足地基承载力要求，地基土回填后采用1 500 kN级满夯处理，然后进行CFG桩处理，桩径0.4 m，桩距1.8 m×1.8 m。该结构于2011年底封顶，封顶后由于降雨的影响基础出现不均匀沉降，导致建筑物出现裂缝，需对该建筑进行地基加固。

该工程所在位置地貌上属于山麓坡积裙地貌，地面高差较大，北高南低，西高东低。场地内基础筏板以下的地层自上而下主要为人工填土，第四纪坡洪积黏性土(粉质黏土)，碎石土(夹碎石透镜体)和全风化、强风化的砂岩、页岩和泥岩。该场地水位变化较大，在雨季稳定水位埋深1.3～4.6 m。

沉降的主要原因有以下两个方面:

1)雨水汇集造成地基软化。原地形整体为洼地，属典型的汇水地形，2012年遭遇特大暴雨，导致雨水大量渗入地基，地下水水位上升。而地基土中粉质黏土层较厚，分布不均，粉质黏土在遇水时强度变低导致地基整体承载能力降低。

2)地基处理不当。补勘表明人工填土除①3层经过强夯处理外，其余填土层结构松散，性质不均匀，目前处于欠固结状态，物理力学性质差，遇水易软化。部分CFG桩未达到持力层，造成地基承载力达不到设计标准。

经过综合考虑，最终采取锚杆静压桩进行地基加固［1］。锚杆静压桩是锚杆和静压桩结合而成的一种桩基施工工艺，它是通过在原基础上埋设受拉锚杆，利用锚杆固定压桩反力架，以建筑物所能发挥的自重作为压桩反力，用千斤顶将桩段从基础预留或者开凿的压桩孔内，逐段压入地基中，然后，将桩和基础连在一起共同承载。锚杆静压桩工作原理是利用锚杆桩承担上部结构的部分荷载，从而达到提高基础承载能力和控制沉降的目的。

静压桩在整栋建筑基础范围内布置，对于建筑物沉降控制与稳定起主要作用的位置加大布桩密度，如位于建筑物的边缘桩、角点桩以及上部荷载能力起直接作用的桩位，静压桩总体布置重心与建筑物形心一致。布桩时需注意避开原有的CFG桩。对于建筑沉降较大的东北角区域，应将静压桩布置在剪力墙两侧并尽量靠近剪力墙，使之位于刚性角范围内，以减小筏基承受的弯矩。静压桩单桩承载力设计值200 kN，从施工便捷性及地下室施工空间受限的实际情况出发，桩身选用直径203 mm壁厚6 mm的普通钢管，设计深度为桩身进入持力层(强风化岩层1 m)，压桩完成后桩身灌注 C20混凝土。为便于施工，钢管加工成1.5～2.0 m一节，第一节下端焊接高度30 cm的圆锥形桩尖，每节钢管间采用对焊加扁铁帮焊进行连接。静压桩反力架用镦粗螺栓固定在地面上，螺栓孔内用硫磺粘结剂进行锚固，设计要求单个螺栓抗拔力＞100 kN。

2 静压桩压桩过程分析

压桩力是沉桩过程中使桩能贯入土层所施加的静压力，主要是克服桩端阻力和桩周摩擦力组成的沉桩阻力。沉桩时，桩周土体会受到剧烈的挤压，桩尖首先使土体产生冲剪破坏，孔隙水受到冲剪挤压作用形成不均匀水头，产生急剧上升的超孔隙水压力，扰动了土体结构，这种扰动和破坏随着桩的贯入会连续不断地向下传递，使桩周一定范围内的土体形成重塑区，由于超孔隙水压力在黏性土和砂性土中消散的快慢程度不同，沉桩阻力的构成也不相同。

在黏性土层中沉桩，由于黏性土灵敏度的影响，桩周重塑区土的抗剪强度大为降低。桩基工程研究的理论表明，饱和黏性土中桩的沉入过程是一个不排水过程，其重塑区的范围为距离桩身表面约0.5d(d为桩径)，而土的压缩性受到较大影响的范围可达1.5d，这使得黏性土中的超孔隙水压力消散缓慢，重塑区强度恢复需要较长时间。故在黏性土中沉桩时，沉桩阻力主要来自桩端阻力，而桩侧阻力较小。当桩尖处在同一土层中时，沉桩阻力基本上保持不变或者略有波动;当穿越不同土层时沉桩阻力会发生突变。因此对于黏性土中沉桩阻力的计算必须考虑土体的灵敏度(桩侧摩阻力与灵敏度成反比，灵敏度越高，桩侧摩阻力越小)。

在砂性土中沉桩时，由于砂层的渗透系数较大，沉桩产生的孔隙水压力迅速消散，故在同一性质的砂层中，桩侧摩阻力随桩入土深度的增大而显著增大，即使在同一土层中，桩端阻力变化不大的情况下，沉桩阻力也会出现明显的增长。

关于桩侧摩阻力的取值，张明义等［2］认为压桩过程中桩周土与桩体的摩擦表现为滑动摩擦，但在压桩过程中，土体扰动使得桩周土压力衰减，因此根据室内试验确定的桩侧摩阻力值和根据现场资料确定的桩侧摩阻力值有较大差异，采用室内直接试验的方法将会导致桩侧摩阻力的估算偏大。

图1右侧为该项目27号桩的压桩深度—压桩力关系曲线，左侧为该桩位对应的地层柱状图，表1为从地质剖面图上截取的该桩位对应的地层情况。由图中可以看出，当桩尖位于人工填土层①3和①2中时，其沉桩阻力随深度增加而增大，从144 kN近似线性地增加到300 kN。桩尖进入粉质黏土层②后，压桩力迅速下降，在175～225 kN之间波动。在桩尖进入强风化岩层④后压桩力迅速增长，在0.6 m的深度范围内从225 kN增长到458 kN。可见，压桩力并不一定是随深度增加而增大。在松散的填土层中，沉桩阻力随深度增加而增大，是桩端阻力和桩侧摩阻力共同增加的结果。在进入黏土层后，由于粉质黏土遇水软化，桩端阻力明显减小，同时黏性土受到扰动造成桩侧摩阻力变小，压桩力下降明显。而在进入持力层后，桩端阻力迅速增长，直至压桩力达到设计标准。

图1 27号桩压桩力—压桩深度关系曲线及地层柱状图

表1 地层情况

根据静压桩在黏性土和砂性土中压桩曲线的不同特点，在某些项目施工时可以分别制定合适的施工方案。如地下托换工程施工时，对于黏性土应逐根压桩，把所有桩沉至相应深度，待超孔隙水压力消散和桩承载力提高后开挖托换承台下的土方再进行荷载转换。对于砂性土，可以边开挖土方边压桩，因为孔隙水在砂性土中消散比较快，而且桩侧阻力在沉桩阻力中所占比例较大，通过控制沉桩和开挖土方的速度，可以很好地控制压桩力和建筑物的沉降，保证建筑物的安全。

3 静压桩终压力的确定

沉桩完成后随着时间的推移，桩周土体中超孔隙水压力逐渐消散，土体发生固结，土的抗剪强度及侧摩擦力逐步恢复。恢复后的土体抗剪强度才使静压桩获得极限承载力，所以静压桩的终压力与极限承载力是两个不同的概念，两者的量值也不尽相同。在实际工程应用中，压桩系数Q/Rk值(静压桩终压力Q与预估单桩承载力标准值Rk之比)取值范围0.98～3.80，呈现了较大的离散性。如何确定压桩系数具有很重要的工程意义，一方面它关系静压桩的成桩质量，另一方面它对工程造价有着重大的影响，制定安全合理的终压力标准可以指导选用经济适用的施工机械。

从大量工程实践看，在一些桩周土为黏土、粉质黏土等固结系数较高的地区，当压桩完成黏性土抗剪强度恢复，静压桩最终获得的单桩极限承载力可能比压桩时的终压力值高出2倍甚至更高，其增长幅度与土的性质、桩长、桩间距、固结时间等有关。袁星武［3］通过对软土地区多个实际桩基工程数据统计后认为:当桩长≥20 m时，压桩系数取值1.3～1.8较为适宜;当桩长＜20 m时，压桩系数取值应略高，在1.7～2.0;当压桩系数＞2.0时，应验算桩身抗压强度。而在砂层中沉桩时，由于砂层的渗透系数较大，沉桩产生的孔隙水压力迅速消散，桩侧摩阻力在沉桩阻力中所占比例较大。当以砂层为持力层时，在终压力作用下，砂颗粒之间的咬合和摩擦作用提供的反作用力使桩处于动态平衡状态。卸载后一定时期内，砂粒之间会产生部分滑动，颗粒重新排列，桩端阻力和桩侧摩阻力会有所降低，桩的极限承载力要低于压桩的终压力。

在实际的工程应用中，多通过试压法来确定压桩系数［4-6］。通过试桩可以摸清持力层的特性及桩尖进入持力层所需的最佳压桩力，进而选定经济合理的压桩系数。试桩要选择离勘探钻孔位置最近的桩位(至少2根)，先计算出预估压桩力并考虑一定余地选择相应的压桩设备，并做好压桩记录。本项目中设计方案给出的终压标准为:“压桩深度达到设计深度或小于设计深度1 m范围内，且终止压力值达到300 kN，封桩头后可达到设计承载力200 kN”。本工程选取217，187号桩进行试桩，试压结果表明300 kN的压桩力不能达到设计要求的桩深。试桩后最终选取2.0的压桩系数，确定的终压控制标准为:“压桩深度达到设计深度或小于设计深度1 m范围内，且终止压力值达到400 kN，封桩头后可达到设计承载力200 kN”。项目施工过程中委托第三方在每栋楼随机选取了3根桩进行单桩竖向抗压静载试验，检验结果证明各个桩的单桩竖向抗压极限承载力均不小于400 kN，满足设计要求。

4 静压桩施工技术要点

通过该项目的施工，总结出以下几个施工技术要点:

1)压桩顺序:如桩长、截面大小不一致时，应按照先深后浅，先大截面后小截面方式安排压桩。锚杆静压桩是挤土型桩，易对周边桩造成挤压位移，同时为避免桩周土体塑性重合，应调整邻桩压桩次序间隔施工。不宜数台压桩机同时在一个独立区域内施工。施工期间，压桩力总和不得超过该基础及上部结构的自重，以防止基础上抬造成结构破坏。

2)压桩施工不得中途停顿，应一次到位，如必须中途停顿时，桩尖应停留在承载力较低土层中，且停歇时间不宜超过24 h，以免土体固结超静水压力消散引起摩阻力剧增。

3)正式圧桩前要进行试桩，以观察桩对土体的挤压情况、对周围的影响程度及压桩的偏差程度，以便在正常压桩时参考。压桩前应对螺栓的抗拔力进行检验，确保螺栓可以提供足够的压桩反力。压桩使用的千斤顶要进行标定，根据检定结果核准终压控制指标。

4)圧桩时要确保压桩架垂直，桩段的垂直度偏差不得超过1%桩段长，第一节桩压桩前及接桩后应使用水平靠尺检测桩身。接桩后待焊缝冷却后方可继续压桩。为保证桩身竖直，送桩时，千斤顶与桩段轴线保持在同一垂直线上，千斤顶施加的压力中心与桩截面中心重合，不得偏压。

5)封桩要待沉降基本稳定后一次封桩，这有利于各桩受力均匀。

6)锚杆静压桩在工程应用中也存在一些不足之处，静压桩桩径较小，深度有一定限制，并不适合所有土质，对于较厚的中密以上砂夹层或较多孤石、障碍物的地层要慎重使用。本工程施工时，遇到入土深度较浅压力却急剧增加的情况，这种情况下如果加大压桩力仍无法深入，再报请设计方做桩位变更，如桩位无法变更，只能采取引孔等方式。

5 小结

锚杆静压桩施工时对现场环境扰动较小，不会造成较大污染，很适合于古迹遗址以及房屋改造加固等项目。本项目选用静压桩进行房屋加固，取得了很好的效果，也获取了一些关于静压桩关键工艺参数及施工技术的经验。

1)静压桩的沉桩阻力主要由桩端阻力和桩侧摩阻力组成。由于灵敏度的影响，在黏性土层中沉桩桩侧摩阻力所占比例很小，在同一土层中其沉桩阻力基本保持不变。而在砂性土层中，由于孔隙水压力很快消散，其桩侧摩阻力不能忽略，同一土层中沉桩阻力随深度增加而增大。

2)静压桩的终压力与其极限承载力是两个不同的概念，量值也不尽相同。由于桩周重塑区的强度会随超孔隙水压力的消散而恢复，黏性土层中静压桩的极限承载力会得到提高，最终高于其终压力。而砂性土层中由于砂土颗粒在荷载作用下重新排列，其极限承载力会低于其终压力。故在正式施工前，应参考土层性质，采用试桩法制定合适的终压标准。

3)静压桩施工时，压桩顺序应考虑到静压桩的挤土效应，先长后短，先大后小。压桩应连续作业，在沉桩过程中注意保持桩架、千斤顶以及桩身的垂直，不得偏压。封桩应待沉降稳定后一次进行，以利于各桩均匀受力。

［1］詹金林，水伟厚，宋美娜，等.软土地区锚杆静压桩施工问题及解决方案［J］.岩土工程学报，2010，32(增2):567-569.

［2］张明义，邓安福.桩土滑动摩擦的试验研究［J］.岩土力学，2002，23(2):246-249.

［3］袁星武.软土地区静力压桩终压控制的探讨［J］.地下空间，1998，18(4):216-219.

［4］冶金工业部建筑研究总院.YB J277—1991 锚杆静压桩技术规程［S］.北京:冶金工业出版社，1991.

［5］贾强，应惠清，张鑫.锚杆静压桩技术在既有建筑物增设地下空间中的应用［J］.岩土力学，2009，30(7):2053-2057.

［6］王俊林，王志宽，马艳.静压管桩单桩极限承载力与终压力关系的探讨［J］.岩土力学，2008，29(增):156-159.