锚杆静压桩桥梁基础加固设计探讨

景 语

（山西诚达公路勘察设计有限公司，山西 太原 030006）

0 引言

旧桥梁维修加固过程中，通过锚杆静压桩加固桥梁基础是常见的处理技术。该技术主要借助钢筋混凝土平台自重，并配合液压千斤顶顶进原理，将预制钢筋混凝土短桩逐节压入土基内连接牢固；再将平台和旧桥梁地基牢固焊接，形成共同受力结构，从而以较小的静压力换取较大的承载力。工程实践证明，锚杆静压桩处理技术具有设备简单、施工方便、技术先进、成本可控优势，在旧桥梁基础加固方面具有广阔的应用前景。

1 工程概况

某六跨简支梁桥分新旧两幅，新桥上部为混凝土简支T 梁结构，跨径6×16m，长96m，旧桥上部则为混凝土简支肋板梁结构，新旧桥分别位于下游和上游。进场后在施工围堰及抽水施工的过程中，旧桥基础河床经历洪水后冲刷愈加严重，基础底面几乎与河床完全脱空，其中旧桥2#墩冲刷脱空最为严重，其次为3#和4#墩。经过多方调研和论证，决定对旧桥基础部分进行锚杆静压桩加固处理。

2 锚杆静压桩加固机理及设计

2.1 加固机理

桥梁墩台基础在设计或施工方面存在缺陷，导致实际承载力不足，或者是桥梁使用条件发生改变，荷载等级提高等原因使其地基承载力无法适应等情况下，必须通过锚杆静压桩加固桥梁墩台基础。锚杆静压桩技术是静压桩和锚杆施工技术的有机结合，就加固方法而言，通常在墩台基础襟边或底板下施加静压桩，并将其与原基础结构连接成共同受力的整体，增强地基承载力。通过静压桩加固后，静压桩与原土层地基共同受力，且静压桩形变模量超出土基数倍[1]；静压桩与土体受力在时间上不同步，静压桩起初几乎不受力，当土体接近或达到极限强度后，静压桩方进入工作状态。

2.2 锚杆静压桩设计

应用锚杆静压桩进行桥梁基础加固设计前必须全面分析桥梁病害、桥梁基础现状及土基承载力，并通过地质钻探方式进行基岩及硬层厚度勘测，分析土质力学特征；此后则根据液压桩加固桥梁基础的力学原理，进行桥梁基础加固处理。加固过程中必须在充分考虑基层厚度的基础上合理确定桩位、桩距、桩径及桩深等参数，对于较浅基岩，应按照支承桩设计，对于较深基岩，则应按摩擦桩设计。设计过程中还应重视静压桩与旧桥梁基础连接的处理，使其相互锚固、啮合，以保证静压桩与旧桥梁基础形成共同受力结构。

2.2.1 单桩竖向承压力

与其他类型的桩一样，锚杆静压桩埋入地基后主要凭借桩周和土壤的摩擦以及桩端面允许承载力所构成的单桩竖向承载力承压。结合《建筑桩基技术规范》（JGJ 94—2008）以及桥梁工程地基土壤特性进行单桩竖向承压力设计，如式（1）所示。

式（1）中：Quk：表示静压桩单桩竖向承载力最大值（kN）；u：表示桩周长（m）；qsik：表示静压桩旁第层土侧阻力最大值（kN）；li：表示静压桩插入第i层土深度（m）；qpk：表示静压桩端阻力最大值（kN）；Ap：表示静压桩桩端面积（m2）。

2.2.2 压桩力

根据《锚杆静压桩技术规程》（YBJ227-91）进行静压桩压桩力确定，如式（2）所示。

式（2）中：Pp：表示静压桩压桩力（kN）；Kp：表示静压桩压桩力系数，与地基土土质、桩材、桩截面形状、压桩速度等有关；其余参数含义同前。

3 锚杆静压桩施工工艺要求

3.1 施工准备及控制

在锚杆静压桩桥梁基础加固前必须合理布设勘察点、全面勘察附近施工环境，避免施工期间环境的不利影响；在场地附近设置两个水准点，检测静压桩入土深度，标注轴线位置，并通过专用设备抽取地下水，及时清理底板混凝土表面杂物及污泥，为桩段运输提供顺畅通道。全面检查进场施工设备及预制桩，确保合格后安装压桩设备，并调试状态。

静压桩施工过程中会对周围土体造成一定程度的挤压，影响到整座桥梁质量，为此在施工开始前必须采取相关防治措施，按设计要求设置施工砂井及防挤沟，以加强孔隙水压力和挤土控制。静压桩打入土体的过程中会对周围土体造成一定程度影响，引发其位移变形。为此，必须在防挤沟以外的位置附近增设控制点，并在施工前测量桥轴线桩位，固定轴线控制点，通过钢筋标记桩位，校正桩位，确保静压桩受力始终处于可控范围，避免对其他桩造成不利影响。

3.2 桩机选择

锚杆静压桩桥梁基础加固方式下，桩机型号对施工质量影响较大，必须结合工程实际及不同型号静压桩机技术参数和性能，选择合适的桩机。静力压桩机分为液压式和机械式两种，该桥梁基础加固施工主要使用最大压力7000kN 的液压式静力压桩机，该压桩机械工作原理和锤击截然相反，且施工过程中无噪声、无振动，但存在挤土效应。

3.3 沉桩及压桩

静压桩沉桩施工过程中，桩尖刺入土体后原状土初始应力状态遭到破坏，使桩尖下土体发生压缩变形，土体同时向桩尖施加阻力。随着桩体贯入压力的持续增大，桩间土体所承受压力逐渐超过抗剪强度，此时土体在剧烈变形下达到极限破坏状态，土体也因此产生塑性流动、挤密侧移及下拖，地表处粘性土则会持续向上隆起，砂性土则在桩体拖带下下沉。在地面深处，因受到上覆土层压力的持续作用，土体持续向桩周沿水平向挤开，导致贴近桩周土体结构完全遭到破坏。较大的辐射向压力同时对邻近桩周土体造成较大扰动，桩身也因此遭受土体法向抗力所引起的桩尖阻力及桩周摩阻力抵抗。若桩顶静压力超出沉桩过程中诸多抵抗阻力，则桩身会持续下沉，否则，桩身便停止下沉[2]。

压桩过程中，桩周土体实际抗剪强度和地基土静态抗剪强度存在一定差异。在桩体持续沉入期间，桩体和桩周土之间发生相对剪切位移，在桩周土的粘着力以及土体抗剪强度的作用下，桩周表面将遭受土体摩阻力的作用。如桩周土质较硬，则剪切面主要位于桩身和土体的接触面，如桩周土较软，则剪切面位于桩表面土体中。随着桩周土抗剪强度的降低，粘性土随桩逐渐沉入，桩周土抗剪强度最终降低至重塑强度；砂性土抗剪强度则较为稳定，不同土层作用下桩侧摩阻力并非常数，而是随着桩身沉降不断减小，桩下部摩阻力在沉桩阻力中占比为50 ～80%，其取值与桩周土体强度成正比，与桩身入土深度成反比[3]。

4 结语

综上所述，锚杆静压桩成桩机理复杂，沉桩过程及加固施工质量与土质、土层、桩数、桩长、桩径、施工次序、进度等直接相关。静压桩施工期间必然面临各种突发事件和质量问题，应采取适宜的处理方法；对静压桩实施静载试验发现不合格后还应增加静载试验测次或实施大应变检测，以明确不合格桩数量。锚杆静压桩处理技术能有效避免旧桥梁基础出现沉降，对于无法搬迁以及工期要求严格的旧桥梁维修工程十分适用，维修加固期间还能同时展开一些作业空间较小的工程，工期有保证，可获得良好的施工效益。