錨桿靜壓樁在預(yù)制拼裝橋墩中的沉降特性研究

邱紅勝，朱萬(wàn)鑫，李俊輝，付張龍

(1.武漢理工大學(xué) 交通學(xué)院，湖北 武漢 430063；2.貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550081)

0 引 言

目前我國(guó)城市道路高架橋墩樁基多采用鉆孔灌注樁或預(yù)制樁。灌注樁施工時(shí)產(chǎn)生的泥漿會(huì)污染周圍環(huán)境，而預(yù)制樁在樁錘入時(shí)產(chǎn)生較大噪聲，影響周邊居民的正常生活，若采用靜壓預(yù)制樁，則機(jī)械設(shè)施龐大，阻礙交通。城市道路高架快裝橋墩及錨桿靜壓樁基礎(chǔ)的施工工藝不僅可大大縮短工期，而且對(duì)道路交通的影響小，施工期間無(wú)噪音、無(wú)污染，能滿足城市工程建設(shè)對(duì)環(huán)保及工期方面的要求。

目前，錨桿靜壓樁多用于地基加固[1,2]、建筑物糾偏[3]及基礎(chǔ)托換[4]。邱磊[5]歸納總結(jié)了建筑糾偏中錨桿靜壓樁的施工工藝，利用有限元軟件模擬分析了壓樁擠土效應(yīng)和工后沉降；雷金波等[6]、楊磊[7]和楊軍等[8]研究了荷載、土質(zhì)變化或基礎(chǔ)形式變化對(duì)樁土荷載分擔(dān)比的影響，得出了各因素的影響規(guī)律；何立明[9]采用模型和有限元對(duì)比分析了樁-土-承臺(tái)之間的相互作用，研究了不同性質(zhì)土層、樁數(shù)對(duì)群樁基礎(chǔ)的承載力和沉降的影響。

城市高架橋梁拼裝橋墩與錨桿靜壓樁相結(jié)合，可大大減少修筑橋墩、基礎(chǔ)所需要的時(shí)間。鑒于錨桿靜壓樁后壓成樁的特性，筆者分別建立了無(wú)樁承臺(tái)基礎(chǔ)及成橋后的群樁基礎(chǔ)2種模型，分析基礎(chǔ)在外荷載作用下的應(yīng)力及沉降。通過(guò)改變單一變量，分別分析了土體彈性模量E和樁側(cè)摩阻系數(shù)f對(duì)基礎(chǔ)最大沉降量smax及樁土荷載分擔(dān)比η的影響。結(jié)果表明，增大土體彈性模量E及樁側(cè)摩阻系數(shù)f可減小基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的沉降；當(dāng)E=25 MPa、f=0.32時(shí)，E、f對(duì)沉降的影響不大。

1 城市高架道路快裝橋墩錨桿靜壓樁施工工藝

1.1 錨桿靜壓樁施工

上海某城市高架道路快裝橋墩采用錨桿靜壓樁基礎(chǔ)，錨桿靜壓樁設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)20 m，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段長(zhǎng)3 m，首節(jié)段樁預(yù)留樁頭以便錨桿靜壓樁的下壓，其余節(jié)段樁兩端均設(shè)置鋼板套以方便節(jié)段間的焊接。具體的施工流程如下：

1)壓樁前，復(fù)核樁孔位置，清理預(yù)留樁孔。

2)安裝錨桿靜壓樁壓樁反力架，并配備YJ-150型液壓壓樁機(jī)、切割機(jī)、電焊機(jī)等相關(guān)機(jī)具。

3)通過(guò)壓樁反力架提供的結(jié)構(gòu)物自重反力，壓樁機(jī)將標(biāo)準(zhǔn)預(yù)制節(jié)段錨桿靜壓樁分段壓入樁孔中。接樁時(shí)，調(diào)直后節(jié)段樁，對(duì)準(zhǔn)上、下節(jié)段，使兩樁的軸線在同一豎直線上。壓樁順序?yàn)橄葘?duì)稱跳壓中部4根錨桿靜壓樁，再對(duì)稱跳壓剩余12根樁。

4)全部16根錨桿靜壓樁下壓完成后，切除外露的樁頭，清理樁頂，用C40微膨脹早強(qiáng)混凝土填注預(yù)留樁孔并搗實(shí)，使錨桿靜壓樁和承臺(tái)連接成為整體。

1.2 預(yù)制拼裝橋墩施工

基礎(chǔ)施工完成，待土體超孔隙水壓力完全消散后即可進(jìn)行橋墩施工。施工步驟如下[10]：

1)清理承臺(tái)頂面并檢查其平整度。

2)在承臺(tái)中心澆注定位墩，尺寸比預(yù)制墩內(nèi)尺寸略小，然后進(jìn)行預(yù)制拼裝橋墩的吊裝與拼接。吊裝過(guò)程中注意對(duì)預(yù)制塊的保護(hù)，承臺(tái)施工時(shí)預(yù)留有外露張拉預(yù)應(yīng)力鋼筋，將預(yù)應(yīng)力鋼筋穿過(guò)第1節(jié)預(yù)制橋墩預(yù)留的預(yù)應(yīng)力鋼筋孔，注意橋墩垂直度的調(diào)整；同時(shí)應(yīng)在第1節(jié)橋墩底面涂上環(huán)氧樹(shù)脂使橋墩和承臺(tái)粘合，橋墩分3節(jié)拼裝[圖1(a)]。

3)進(jìn)行蓋梁的拼裝[圖1(b)]。

4)進(jìn)行預(yù)應(yīng)力鋼筋的預(yù)應(yīng)力張拉，使蓋梁、橋墩和承臺(tái)連接為整體而承受后續(xù)的橋梁上部荷載。

1.3 錨桿靜壓樁壓樁力驗(yàn)算

根據(jù)YBJ 227—91《錨桿靜壓樁技術(shù)規(guī)程》，錨桿靜壓樁最終壓樁力可按式(1)計(jì)算：

Pp(L)=KpPa

(1)

式中：Pp(L)為樁設(shè)計(jì)入土深度為L(zhǎng)時(shí)的設(shè)計(jì)壓樁力，kN；Kp為壓樁力系數(shù)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)土質(zhì)等條件確定，觸變性黏土L< 20 m，Kp=1.5，非觸變性土Kp=2.0；Pa為設(shè)計(jì)單樁豎向承載力容許值，kN。

該城市高架道路快裝橋墩工程中，錨桿靜壓樁Pa=400 kN?，F(xiàn)場(chǎng)土層工程性質(zhì)較好，故Kp=2.0。由式(1)計(jì)算得壓樁力Pp(L)=800 kN。

經(jīng)初步驗(yàn)算，承臺(tái)自重不足以提供錨桿靜壓樁下壓反力。為能實(shí)現(xiàn)錨桿靜壓樁的順利下壓，可采用將載重卡車停留在基坑頂面中心鋼板處以增加結(jié)構(gòu)自重的方案(圖2)。此時(shí)，承臺(tái)板上施加重量為1 000 kN的載重卡車，取最不利壓樁位置進(jìn)行驗(yàn)算。承臺(tái)和車輛總重為2 567 kN，壓樁反力為800 kN。相對(duì)承臺(tái)右側(cè)底邊緣，重力作用產(chǎn)生的正向彎矩M1=8 599.5 kN·m，壓樁反力產(chǎn)生的負(fù)向彎矩M2=4 840 kN·m，M1>M2，故滿足壓樁反力對(duì)自重的要求。

2 有限元模型

2.1 現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)概況

研究項(xiàng)目位于上海市中心城區(qū)，現(xiàn)場(chǎng)勘查的地層分布如表1。由表1可見(jiàn)：現(xiàn)場(chǎng)土層工程性質(zhì)較好，能提供較大的樁側(cè)摩阻力，適宜采用摩擦型樁，由于地層含水量不高，可考慮采用靜壓樁。但土層中含有較厚的粉細(xì)砂層，將阻礙大直徑靜壓樁的下壓，無(wú)法達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)高，樁基承載力不足。

表1 地層分布

綜合考慮地質(zhì)條件、工期長(zhǎng)短及施工對(duì)周邊環(huán)境的影響等，選擇錨桿靜壓樁這種樁徑較小的靜壓摩擦型樁。筆者以P8號(hào)橋墩基礎(chǔ)為例，對(duì)錨桿靜壓樁在預(yù)制拼裝橋墩中的沉降特性進(jìn)行分析。

承臺(tái)平面設(shè)計(jì)為方形，錨桿靜壓樁對(duì)稱布置，實(shí)體采用快硬型C30混凝土現(xiàn)澆；錨桿靜壓樁樁基采用“逆作法”施工，即先施工承臺(tái)再下壓錨桿靜壓樁。在現(xiàn)澆承臺(tái)時(shí)需預(yù)留錨桿靜壓樁樁孔，承臺(tái)尺寸和預(yù)留錨桿靜壓樁樁孔布置如圖3。承臺(tái)的設(shè)計(jì)承載力F=16 000 kN，錨桿靜壓樁選用方樁，邊長(zhǎng)a=0.3 m。預(yù)制節(jié)段錨桿靜壓樁采用C30混凝土，節(jié)段長(zhǎng)3 m。承臺(tái)下對(duì)稱布置16根樁。

2.2 模型參數(shù)的選取

模型土體參數(shù)根據(jù)地勘報(bào)告中的土層情況進(jìn)行簡(jiǎn)化選取，樁體及承臺(tái)參數(shù)根據(jù)設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)并參考GB 50010—2011《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》選取。具體參數(shù)如表2。

表2 材料參數(shù)

2.3 模型的建立

筆者主要對(duì)以下2種工況進(jìn)行建模分析：①為提供足夠壓樁力，在壓樁前的無(wú)樁承臺(tái)板上施加1 000 kN移動(dòng)車載；②成橋后，基礎(chǔ)承受荷載按設(shè)計(jì)豎向荷載承載力F=16 000 kN取值。

為了消除邊界效應(yīng)的影響，土體1/4模型取3倍承臺(tái)寬度；無(wú)樁承臺(tái)模型土層深度取20 m；對(duì)于成橋后模型，深度方向取樁長(zhǎng)的2倍。模型的平面布置如圖4。

依據(jù)樁的作用機(jī)理，影響樁沉降的因素眾多，如土體性質(zhì)、樁自身剛度、樁截面的形狀、樁間距、樁的入土深度及荷載等。為了研究錨桿靜壓樁適用的土質(zhì)條件，筆者通過(guò)改變土體彈性模量E及樁側(cè)摩阻系數(shù)f來(lái)分析它們對(duì)基礎(chǔ)沉降的影響情況。

3 無(wú)樁承臺(tái)基礎(chǔ)計(jì)算結(jié)果分析

3.1 基礎(chǔ)沉降和土體豎向應(yīng)力

3.1.1 基礎(chǔ)沉降

在無(wú)樁承臺(tái)基礎(chǔ)上施加1 000 kN車載，即在1/4基礎(chǔ)上施加250 kN荷載時(shí)，無(wú)樁承臺(tái)基礎(chǔ)沉降云圖如圖5?？梢?jiàn)，此時(shí)基礎(chǔ)最大沉降量smax出現(xiàn)在承臺(tái)底部中央土體表面，smax=7.49 mm。而現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)沉降量s測(cè)=6.92 mm。smax>s測(cè)，滿足要求。

3.1.2 土體豎向應(yīng)力

圖6為承臺(tái)以下1.0 m處，土體豎向應(yīng)力σz沿水平方向變化曲線。

由圖6可知：水平方向上，承臺(tái)下1.0 m處，d=0～2.0 m范圍內(nèi)，地基土的豎向應(yīng)力σz緩慢增大；在水平距離d=2.0 m處，豎向應(yīng)力達(dá)到最大值，σz,max=43.5 kPa；當(dāng)d=2.0→4.9 m，σz迅速減小到19.8 kPa；隨后，曲線趨于平緩，豎向應(yīng)力值基本不變。這與A.NOUR等[11]的結(jié)論是一致的。

3.2 承臺(tái)底土體彈性模量對(duì)基礎(chǔ)沉降的影響

3.2.1 上土層(持力層)彈性模量E1的影響

為了得到承臺(tái)底上土層彈性模量E1對(duì)無(wú)樁基礎(chǔ)沉降的影響，保持其它參數(shù)不變，分別取E1=5、18、25、35、45 MPa，在1/4承臺(tái)上施加250 kN荷載，E1對(duì)基礎(chǔ)最大沉降量smax的影響如圖7。

由圖7可見(jiàn)，smax隨著E1的增大而減小，且減小的速率逐漸降低。因此，為了提供足夠的壓樁反力而在承臺(tái)上施加移動(dòng)車載時(shí)，一定要進(jìn)行沉降的驗(yàn)算，嚴(yán)格控制車載大小；由于土體的彈性模量越大，靜壓樁越難壓入，故在承臺(tái)底上土層為中硬土層的地區(qū)，適宜采用錨桿靜壓樁作為新建橋梁樁基。

3.2.2 下土層(下臥層)彈性模量E2的影響

在1 000 kN荷載下，承臺(tái)底下土層彈性模量E2對(duì)基礎(chǔ)最大沉降量smax的影響如圖8。

由圖8可見(jiàn)，smax隨著E2的增大而減小。當(dāng)E2> 25 MPa時(shí)，smax趨于穩(wěn)定；當(dāng)E2=5 MPa時(shí)，smax=9.84 mm；當(dāng)E2=18 MPa時(shí)，相較5 MPa時(shí)，沉降減小2.04 mm。雖然E2對(duì)沉降有一定影響，但smax較小(不足10 mm)，與E1相比，E2對(duì)基礎(chǔ)沉降影響不大。

模型中，上土層較厚且上部車載較小，因而，下土層彈性模量E2的變化對(duì)基礎(chǔ)沉降影響不大。但當(dāng)上部荷載較大時(shí)，傳遞到下土層體的附加應(yīng)力隨之增大，如果下土層體彈性模量過(guò)小，基礎(chǔ)沉降將快速增大。

4 成橋后群樁基礎(chǔ)計(jì)算結(jié)果分析

4.1 群樁基礎(chǔ)沉降

在1/4群樁基礎(chǔ)承臺(tái)板上施加3 000 kN豎向荷載時(shí)，成橋后群樁基礎(chǔ)在豎向荷載作用下沉降云圖如圖9。

由圖9可知：

1)豎向。對(duì)群樁基礎(chǔ)按設(shè)計(jì)承載力施加荷載后，基礎(chǔ)最大沉降量smax出現(xiàn)在承臺(tái)底部中央土體上表面，smax=22.88 mm，而現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)基礎(chǔ)沉降量s測(cè)=20.39 mm。smax>s測(cè)，故該群樁基礎(chǔ)符合設(shè)計(jì)承載力要求。

2)水平向。隨著與基礎(chǔ)中心距離的增加，基礎(chǔ)沉降值s逐漸減小，在距承臺(tái)中心17 m處，s趨近于0。在豎向荷載作用下，承臺(tái)板-樁-土相互作用產(chǎn)生協(xié)同變形，且在承臺(tái)板范圍內(nèi)，樁間土體沉降值比較接近。

4.2 土體彈性模量的影響

4.2.1 承臺(tái)底上土層彈性模量E1的影響

為了研究承臺(tái)底上土層彈性模量E1對(duì)基礎(chǔ)最大沉降smax和樁土荷載分擔(dān)比η的影響，保持樁數(shù)、樁長(zhǎng)、樁徑、樁側(cè)摩阻系數(shù)及下土層彈性模量等參數(shù)值不變，選擇E1=5～45 MPa，在1/4基礎(chǔ)的承臺(tái)上施加4 000 kN荷載時(shí)，E1對(duì)smax、η的影響如圖10。

由圖10可見(jiàn)：

1)smax隨著E1的增大而減小。因此，采用錨桿靜壓樁做新建橋梁樁基，適用于上土層為中硬性土的地區(qū)，這樣可充分利用上土層體對(duì)荷載的分擔(dān)作用以減小基礎(chǔ)沉降。

2)當(dāng)上部豎向荷載恒定時(shí)，樁體荷載分擔(dān)比ηpile隨著E1的增大而減小，曲線逐漸趨于平緩。因此，在土質(zhì)較好地區(qū)進(jìn)行樁基設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮土體對(duì)荷載的分擔(dān)，以充分利用土體承載力，節(jié)省造價(jià)。

4.2.2 承臺(tái)底下土層(持力層)彈性模量E2的影響

承臺(tái)底下土層彈性模量E2對(duì)基礎(chǔ)最大沉降量smax和樁土荷載分擔(dān)比η的影響曲線如圖11。

由圖11可見(jiàn)：

1)smax隨著E2的增大而減小，當(dāng)E2>20 MPa時(shí)，減小趨于平緩；當(dāng)E2=5 MPa時(shí)，smax=89.85 mm，沉降量嚴(yán)重超過(guò)規(guī)定要求；當(dāng)E2=18 MPa時(shí)，smax=38.24 mm，說(shuō)明良好的持力層能有效提高樁體的承載力，減小基礎(chǔ)的沉降量。

2)樁體荷載分擔(dān)比ηpile隨著E2的增大而增大，但增長(zhǎng)速率逐漸減小。當(dāng)E2=5 MPa時(shí)，ηpile=54.0%；當(dāng)E2=45 MPa時(shí)，ηpile=71.2%。原因是：樁體承載力隨著持力層土體彈性模量E2的增大而增大，所以基礎(chǔ)整體沉降量減小，土體受壓分擔(dān)荷載減小，而樁體荷載分擔(dān)比ηpile增大。

4.3 樁側(cè)摩阻系數(shù)f的影響

當(dāng)錨桿靜壓樁受到豎向上部荷載作用時(shí)，樁土之間將發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)而產(chǎn)生樁側(cè)摩阻力，承載能力主要通過(guò)樁側(cè)摩阻力實(shí)現(xiàn)。ABAQUS對(duì)樁側(cè)摩阻力的模擬是通過(guò)改變樁土接觸的樁側(cè)摩阻系數(shù)f來(lái)實(shí)現(xiàn)的。保持模型其它參數(shù)不變，f對(duì)smax、η的影響如圖12。

由圖12可見(jiàn)：

1)smax隨著f的增大而減小，且減小速率逐漸降低。當(dāng)f從0.20增大到0.32時(shí)，smax減小了21.0%；當(dāng)f從0.32增大到0.52時(shí)，smax僅減小了6.5%。

2)當(dāng)豎向荷載不變時(shí)，土體荷載分擔(dān)比ηsoil隨著f的增大而減小。原因是：隨著f的增大，土體可提供樁側(cè)摩阻力增大，樁體承載力也增大，而樁間土分擔(dān)荷載減小。

3)當(dāng)豎向荷載不變時(shí)，樁體荷載分擔(dān)比ηpile隨著f的增加而增大，且增大速率逐漸降低。說(shuō)明f對(duì)ηpile的影響有限，當(dāng)f=0.42時(shí)，ηpile≈70.0%。

5 結(jié) 論

1)承臺(tái)底上土層的彈性模量E1對(duì)無(wú)樁承臺(tái)基礎(chǔ)最大沉降量smax的影響較大，而對(duì)群樁基礎(chǔ)最大沉降量smax影響相對(duì)較小。隨著E1的增大，無(wú)樁承臺(tái)和壓樁后群樁基礎(chǔ)最大沉降量smax不斷減小，地基土體荷載分擔(dān)比ηsoil不斷增大，且影響程度逐漸減小。

2)承臺(tái)底下土層彈性模量E2對(duì)群樁基礎(chǔ)smax影響較大，而對(duì)無(wú)樁承臺(tái)基礎(chǔ)smax影響相對(duì)較小。隨著E2的增加，無(wú)樁承臺(tái)和壓樁后群樁基礎(chǔ)最大沉降量smax明顯減小，樁體荷載分擔(dān)比ηpile不斷增大。

3)錨桿靜壓樁作為新建橋梁樁基適用于中硬性土層。

4)群樁基礎(chǔ)的smax及ηsoil隨著樁側(cè)摩阻系數(shù)f的增大而減小，但減小速率逐漸降低，最終趨于水平直線。說(shuō)明增大樁側(cè)摩阻系數(shù)f對(duì)減小土體荷載分擔(dān)比ηsoil的作用是有限的。