关于软土地区锚杆静压桩地基加固应用实例研究

莫显勇 金波

中国有色金属工业昆明勘察设计研究院有限公司 云南 昆明 650000

摘 要：我国国土面积广大，地质情况复杂，其中部分地区有较厚的软土层。在这些软土地基进行建筑项目施工，极易因为软土低强度、高压缩的地质特点，使得建筑项目沉降过大，严重威胁到建筑项目的安全。鉴于此，本文以某小学校区建设项目为例，深度探讨了在软土地区如何利用锚杆静压桩实施地基加固，以及应用锚杆静压桩后的地基加固效果。以此验证软土地区锚杆静压桩地基加固的有效性，为相关从业人员的研究和实践，提供一定的理论依据和经验借鉴。

关键词：锚杆静压桩；软土；地基加固；应用实例

引言

在抗剪强度参数较差的细颗粒和软土上设计和建造对工程师来说一直是一项艰巨的任务，因为工程不仅容易发生高沉降和剪切破坏，而且在某些情况下还会液化。为克服在针对软土地区设计和建造过程中所面临的复杂性而采取的各种缓解措施中，地基加固是十分常用且经济性极高的一种有效措施。^[1]

地基是建筑结构的一部分，它将荷载直接传递给下面的土。如果表面附近的土壤能够充分承受结构荷载，则可以使用基础或筏板。基础是一个相对较小的单独支撑结构的一部分。一个支撑单层柱的基础称为独立基础(或垫块) 。一组柱子支撑为组合基础，一个支撑隔墙支撑为条形基础。如果表面附近的土壤不能充分支撑结构荷载，则采用桩将荷载传递到更深的适当的土壤(或岩石)中。因此，桩的主要功能是将基础载荷通过相对较弱或较松散的地层传输到较坚硬的下层土壤或岩石地层。^[2]

桩也可用于承载隆起载荷，抵抗侧向载荷并减少浅垫或筏板基础的沉降。桩对竖向载荷的抵抗力是由桩轴摩擦力和端部轴承共同提供的，即使是名义上的端部承重桩，也可以从轴摩擦力中获得很大的阻力。承受侧向载荷的桩主要依靠在地面附近产生的阻力。但是，在我国一些地质条件差的地区，特别是在软土地区，单纯的使用桩基础进行地基加固是不能满足工程所需。于是，自80年代起，经过40余年的技术发展，锚杆静压桩技术成为了软土地区地基基础加固过程中的关键控制因素。^[3]

1 工程概况

本次工程为某小学的校区建设项目，项目总用地面积23193.1m²,总建筑面积为8539.5m²。主教学楼层数4～5层，为框架剪力墙结构，基础形式为静压预制管桩，桩长20米。教学楼于2010年8月底竣工投入使用。

工程土层的力学性质指标如表1所示：

表1 土层的力学性质指标表

地层名称	土的密度ρ(g/cm3)	压缩模量 ES(MPa)	承载力特征值 fak(kPa)	锥尖阻力平均值qc(MPa)	侧摩阻力平均值fs(kPa)
人工填土①1	/	/	/	0.212	8.8
粉质粘土②	1.92	7.1	150	1.190	81.3
粘土②1	1.71	2.8	80	0.523	17.3
泥炭质土③1	1.30	1.5	70	0.674	27.7
粘土③	1.79	3.1	100	0.754	20.4
粘土④	1.87	5.2	130	1.096	27.2
粉土⑤	1.92	13.6	180	11.939	147.0
泥炭质土⑥2	1.39	2.0	100	1.024	30.9
粘土⑥	1.70	3.8	140	1.154	32.3
粉土⑦1	1.98	9.7	160	3.183	51.1
泥炭质土⑦2	1.28	2.3	130	1.380	51.5
粘土⑦	/	/	150	1.325	26.1

如表1所示，工程桩端持力为粉土层⑤、泥炭质土层⑥2或粘土层⑥。桩基础承台底部为人工填土，填土厚度为4.0m～5.0m，于2009年12月完成填土，填土底部的原状地基土依次为硬塑状态的粉质粘土、软塑状的粘土及软塑～流塑状的泥炭质土，承台底存在软弱下卧层。

2 沉降分析

在大多数岩土工程问题中，只有了解相应的应力路径，才有可能理解土的反应。因此，在进行软土地区的沉降分析时，一般假定在施工过程中是完全不排水的，排水固结只有在施工结束后才开始。这种方法已得到广泛应用，并在常规设计情况下普遍表现良好。^[4]本次项目的沉降分析由建设单位委托云南省地震局形变测量中心对主教学楼进行沉降观测，共布设41个沉降观测点(包括地面沉降观测点12个)，绘制了30个以上在第一阶段荷载作用下的孔隙水压力增长曲线作为标准化深度的函数。

通过二十五期的观测结果显示，建筑物的沉降继续增大，没有收敛趋势，而且沉降速率也偏大。在2.5米深处，孔隙水压力的增加很小，达到约25千帕，然后以与所施加的总垂直应力大致相同的速率上升。在5米深的地方行为基本相同，但是在 yh = 48千帕的地方行为相同。在更大的深度，孔隙压力的增加仍然小于所施加的应力。整栋建筑物西南角沉降量最大(8#点沉降量为223.9mm，沉降速率为0.36mm/d)，东北角沉降量最小(1#点沉降量为92.9mm，沉降速率为0.11mm/d)。建筑物存在不均匀沉降，局部地区结构主体及填充墙已出现了沉降斜裂缝，梁下粉刷层出现了水平裂缝。

3 地基加固

3.1锚杆静压桩加固地基原理

锚杆静压桩目的是加固地基，以稳定和支持工程结构，并抑制沉降。基本的设计概念是将夹杂物中产生的抗拉力通过界面处的摩擦力(或粘附力)转移到地面上，使工程师能够有效地利用现场地面提供垂直或侧向的结构支撑。与传统的刚性重力式挡土墙或外部支撑系统相比，锚杆静压桩具有显著的技术优势，从而节约了大量的成本，缩短了施工周期。^[5]

锚是各种土木工程应用的结构元件。通常，在岩土工程应用中使用的锚可以通过不同的方法进行分类。如螺旋形锚、板形锚和直接埋入式锚。每种类型的锚都旨在将载荷传递到基础上。其中，螺旋形锚是通过其中心轴旋转安装的锚的类型。因此，它不需要开凿钻孔或沟槽。螺旋系统的最终载荷可以根据其螺旋数而变化。通常，增加螺旋的数量有助于增加螺旋锚的最终价。但是，在某些情况下，由螺旋形锚固件的安装过程引起的土壤扰动会导致最终承载力小于估算值。螺旋锚桩通过拧紧安装在地面上，这是在扭矩电机的帮助下完成的。

锚杆静压桩中锚杆被安装在钻孔中，并预应力到设计荷载，以调动和传递所需的抗力从地面到结构元件。具有腐蚀防护功能，以确保其在设计使用寿命内的长期性能。锚杆静压桩由锚杆、压桩和孔桩组成，以此向地面传递拉力。设计锚固长度是为了提供锚杆静压桩所需的抗拔能力。具体工作原理如图2所示：

图2 锚杆静压桩工作原理

3.2锚杆静压桩加固地基方案

3.2.1锚杆静压桩加固地基方案设计

锚杆静压桩应低于受霜冻的深度，并在适当情况下低于土壤发生季节性膨胀和收缩的深度。锚杆静压桩的设计必须符合两项基本要求: (1)支撑土抗剪切破坏的安全系数必须足够，正常情况下指定的安全系数为2.5至3; (2)锚杆静压桩的沉降必须是可容忍的，特别是不同沉降不应造成任何不可接受的破坏，也不应干扰结构的功能。

容许承载力的定义是施加在土壤上的最大压力，使土壤满足两方面的要求。一个间接的要求是，锚杆静压桩及其施工所涉及的操作，不应对相邻的结构和服务产生不利影响。按照以上原则，对预制混凝土空心管桩单桩承载力特征值进行了计算，选取钻孔为zk1、zk2、zk4、zk6及zk8，得出的单桩承载力特征值为225kN～275 kN之间，故可将原有桩基的单桩承载力特征值按50%～60%考虑。具体的施工工艺如图3所示：

图3 锚杆静压桩接桩施工工艺（单位：mm）

3.2.2锚杆静压桩加固地基施工流程

锚杆静压桩加固地基施工分作以下几个步骤：

1. 测量放线；

2. 切割凿除；

3. 基槽开挖；

4. 地锚施工；

5. 注胶植筋；

6. 扁担梁施工；

7. M27锚杆安放；

8. 预制桩加工；

9. 压桩封桩；

10. 地面恢复。

具体施工流程如图5所示：

图5 工艺流程图

如图5所示，无论基础的目的是什么，都要遵循这些步骤。需要注意的是，在开挖过程中，一旦对原地梁造成破坏，应对地梁采取加固措施；由于上部存在5.0m厚的人工回填土，将对压桩造成了一定的难度，可进行引孔后，再进行压桩施工；压桩过程中，若扁担梁发生破坏，必须暂停施工，须重新调整施工方案。

3.2.3锚杆静压桩加固地基关键因素

一个好的基础的基本要求是：可以安全地抵抗其所基于的土壤的完全坍塌或破坏；没有过分或破坏性的定居或移动；适当考虑了环境和其他因素；就整体结构的功能和成本而言，该基础在经济上是可行的。在该小学项目施工过程中，锚杆静压桩加固工程共设计加固承台58个，锚杆静压桩200根。其中，桩长分别为24、26、28米；预计引孔工作量为50个孔，开孔直径为A250，单孔长度为5m；预估总长度为250m。具体的工程量和平面布置如表2和图6所示：

表2 锚杆静压桩加固地基工程量表

名称	单位	数量	备注
土方开挖	米3	492	包括混凝土破除
地锚	米	2984
植筋	米	4385
扁担梁	米3	300
引孔	米	3577
压桩	米	4861
地面恢复	米2	624
绿化恢复	米2	492

图6 锚杆静压桩平面布置示意图

在锚杆静压桩施工过程中，桩长等因素极大地影响了锚杆静压桩的性能，对垂直度、接桩质量、压桩力、封桩等做了严格控制。

其中，就位的桩节保持竖直，使千斤顶、桩节及压桩孔轴线重合，不得采用偏心加压。压桩时，应垫钢板或桩垫，套上钢桩帽后再进行压桩。桩位允许偏差为±20mm，桩节垂直度允许偏差为桩节长度的±1.0%。钢管桩平整度允许偏差为2mm，接桩处的坡口应为 45°。

静压桩采用双控，压桩力达到规定的压桩力且桩进入持力层。桩一次连续压到设计标高，当中途停压时，桩端停留在软弱土层中且停压的间隔时间不超过 24 h。压桩力根据设计要求的单桩容许承载力确定为 1.3～1.5 倍单桩容许承载力。桩尖达到设计深度，且压桩力不小于设计单桩承载力 1.5 倍时的持续时间不少于 5 min 时终止压桩。

3.3锚杆静压桩加固地基效果

在施工完成后，需要对地基的稳定性(承载力)和沉降性能进行分析，主要要求是地基必须防止可能发生的失稳，即地基土必须具有足够的承载能力来承受结构的荷载。因此，通常首先进行承载力分析，以确保安全系数足够。如果承载能力令人满意，则进行沉降分析，以估计直接沉降和长期沉降。本工程于2011年9月5日施工完成后，继续对教学楼进行后期沉降观测工作，并于2012年9月19日组织专家对加固工程进行鉴定，经过分析沉降观测结果，结合专家鉴定意见，可以得出如下结论：

(1)教学楼经采用锚杆静压桩加固施工后，各观测点的日沉降量由加固前的不均匀变为基本均匀。

(2)教学楼的沉降速率明显下降，由加固前的最大0.961mm/天降至0.056mm/天，并且基本趋于稳定。

(3)教学楼的沉降速率已明显低于周边新填土场地的沉降速率。

(4)结构主体及填充墙未发现新的变化，既有裂缝没有继续扩大或发展。

图7 沉降观测数据走势图

综合上述情况可以得出结论：教学楼基础加固工程已基本达到预期效果。由于场地新填土尚未完成固结稳定，仍需对各沉降点进行后续观测，观测时间间隔建议6个月左右一次。

结语

综上所述，本文通过对某小学项目锚杆静压桩的实例论述，以及之后对项目沉降观测结果的分析，在一定程度上验证了软土地区应用锚杆静压桩进行地基加固的积极影响。具体结论如下：

首先，在软土地区应用锚杆静压桩进行地基加固过程中，需要设计好锚杆静压桩加固地基的施工流程，并牢牢把握住其中的关键因素，如垂直度、接桩质量、压桩力、封桩等，才能将锚杆静压桩的加固效果最大化；

其次，在软土地区应用锚杆静压桩确实能够实现地基加固的效果，并有效降低建筑项目的沉降速率，最终实现建筑项目的沉降稳定；

最后，本文是对软土地区建筑项目沉降改善的理论补充，对软土地区建筑项目的施工有极高的实践价值。

参考文献

[1]黄佳彬. 水泥土中GFRP筋粘结特性试验研究及应用[D].湖南大学,2019.

[2]严德华.内抛式钢管锚桩在软土地区深基坑支护中出现的问题分析及处理[J].安徽建筑,2018,24(05):196-198.

[3]韩凯吉. 宁波软土地质条件下微型钢管桩的承载特性研究[D].重庆交通大学,2017.

[4]徐婧. 软土地层单桩与群桩承载能力分析及关联性研究[D].太原理工大学,2017.

[5]徐明波. 滨江软土基坑加筋旋喷锚桩承载机理及设计方法研究[D].江苏科技大学,2016.