加筋水泥土錨樁在基坑中錨固機理的試驗研究

王經(jīng)國 朱壽增 趙北辰

0 引言

近年來，我國軟土錨固技術發(fā)展迅速，基坑工程支護技術創(chuàng)新不斷[1-3]，加筋水泥土錨樁(以下簡稱錨樁)即是其中一種新型的基坑軟土錨固技術。該技術結合了攪拌樁和高壓旋噴樁的特點，使水泥與土的拌合更均勻，樁身強度大幅度提高，從而形成水泥土復合式錨固結構。工程實踐表明，針對淤泥質(zhì)軟土深基坑，錨樁支護產(chǎn)生的錨固效果是普通錨桿、土釘?shù)戎ёo結構所不能達到的，已成功應用于100多個基坑工程，最大支護開挖深度達20.0m。

目前，錨樁支護技術的理論研究還處于初級階段，對于其土層加固機理還在探索之中，結構設計主要參考常規(guī)的支護結構設計理論與方法，不能體現(xiàn)該支護結構自身的特點，從而阻礙了該技術的完善和推廣應用?；诶卧囼灲Y果，分析了錨樁在荷載作用下的變形規(guī)律;通過對比分析，闡明了錨樁與土的相互作用關系，并以此為基礎建立了淤泥質(zhì)軟土基坑中錨樁支護的作用機理，對以后的工程設計與應用具有重要的參考價值。

1 錨樁靜載試驗

某建設場地淺層主要為淤泥質(zhì)粘土，其特征為:灰色，飽和，流塑，含大量腐殖質(zhì)，屬高含水量、高壓縮性、低強度的淺海相沉積土層，土層物理力學指標見表1。試樁樁長10.0m，樁徑500mm，擴大頭直徑700mm，長度1.5m，內(nèi)插入2-φ15.2mm的鋼絞線，樁端進入到淤泥土層。靜載試驗的單根試樁極限抗拔承載力 208 kN，采用慢速維持荷載法加載。典型的試樁荷載—樁頂位移(U—δ)關系曲線如圖 1～圖 4所示。

表1 淤泥質(zhì)粘土的物理力學特性參數(shù)

1.1 U—δ曲線特征

1)由圖1，圖3可以看出，SZ1號，SZ2號試樁的U—δ曲線均為緩變型曲線。在前 12級荷載下，樁頂位移增加平緩;當荷載加至224 kN，樁頂位移急劇增加，最大位移量分別為118.0mm，120.0mm，達到終止加載的條件，確定其前一級荷載U=208 kN為抗拔極限承載力。卸載至零后，樁頂殘余變形分別為108.0mm，95.0mm。2)由圖2，圖4可以看出，SZ1號，SZ2號試樁的δ—lgt曲線尾部無明顯的彎曲現(xiàn)象，由此說明，在某一恒載作用下，隨著時間的增長，淤泥質(zhì)軟土中的錨樁錨固力變化比較穩(wěn)定，土體處于低應力水平狀態(tài)，無明顯的流變變形特性。3)圖 2中試樁第 13級荷載加載初期(即U=224 kN)，樁頂位移有一個明顯的增長過程，其后這種變化趨于平緩，這一現(xiàn)象說明，隨著荷載的增大，錨樁端部擴大頭的擠壓、增阻作用越來越明顯。

1.2 樁體變形規(guī)律

1)回彈率?；貜椔适欠从硺锻料嗷プ饔藐P系的重要指標。經(jīng)計算，SZ1號和SZ2號試樁的樁體回彈率分別為9.3%，20.8%，由此說明試驗卸載后土體的回彈量較大，在極限抗拔力作用下淤泥質(zhì)軟土處于彈性變形階段;另一方面也說明錨樁的擴大頭部分對土體的壓縮作用明顯，與普通圓柱形錨桿相比，錨樁的承載力由樁側土體的“摩擦作用”和樁端土體的“壓縮作用”共同來提供。

2)樁頂位移發(fā)展規(guī)律。錨樁U—δ曲線表明，樁頂位移逐漸增大的過程，也即荷載向深層穩(wěn)固土層傳遞的過程，樁頂位移發(fā)展規(guī)律一定程度上反映了樁的荷載傳遞規(guī)律。因此建議對錨樁分級施加應力，充分發(fā)揮異形支盤與擴大頭的作用，其對控制軟土變形效果較好。

2 樁與土的相互作用

從作用機理來講，錨樁屬于抗拔樁，其受力實質(zhì)就是樁與樁周土組成的樁——土體系內(nèi)相互作用，共同完成荷載傳遞這一過程?；谖墨I[4]中的混凝土擴底抗拔樁的抗拔作用機理、荷載傳遞規(guī)律，本文從研究樁側土體入手，通過分析荷載傳遞過程中土體力學特性的變化規(guī)律，從而深入了解錨樁樁與土的相互作用關系，為建立錨樁樁的軟土作用機理提供依據(jù)。

2.1 軟土流變應力水平控制

村山塑郎(1956年)提出軟土強度上屈服值的概念，指出如果作用于土體上的荷載小于某一荷載時，則軟土蠕變變形隨時間而逐漸減小，最后趨于停止，土體不至于達到破壞;如果作用于土體上的荷載大于某一荷載時，則變形速度增加，最后導致土體破壞。根據(jù)夏冰等軟土蠕變試驗結論，在此低應力水平作用下，土體處于可收斂流變變形階段，由軟土提供的極限摩阻力在滿足錨樁樁抗拔承載力的基礎上，尚能滿足軟土自身的可收斂流變變形。

2.2 樁側土應力集度控制

巖土錨固理論指出錨固體的荷載傳遞是一個漸變的過程，是土體的摩阻力逐漸增大并向深層穩(wěn)固土體傳遞的過程。對于淤泥質(zhì)軟土，如果在較大的荷載作用下，這種傳遞過程很難在短時間內(nèi)完成，只有淺層土體來平衡這一外部荷載，這時土體極限摩阻力大于其收斂應力水平并產(chǎn)生非收斂蠕變變形，隨著時間的延長，這種變形逐漸向深部土層擴展，從而影響錨固體的抗拔承載力。這種由于應力集中現(xiàn)象而產(chǎn)生的軟土非收斂蠕變變形也是錨桿、土釘?shù)戎ёo不能在軟土地區(qū)應用的一個重要原因。

錨樁通過水泥漿液地面加壓，以高速噴射到土體中，在高壓水泥漿液的作用下，軟土的孔隙被填充，細小的土顆粒發(fā)生重新排列，形成一大直徑水泥土復合式承載體，并通過往復加壓噴漿形成多級異形支盤擴大體。與錨桿、土釘?shù)戎ёo結構相比，加筋水泥土錨樁直徑(一般情況下能達到500mm～1 000mm)較大，樁與土體的接觸面積增大，在短時間內(nèi)能使更多范圍內(nèi)的土體參與到這種力系的平衡過程中，從而消除了短時間內(nèi)樁側土荷載傳遞過程中的應力集中現(xiàn)象，即錨樁樁的異形構造對樁側土的應力集度控制效果顯著。

3 結語

工程實踐表明，基坑側壁范圍內(nèi)的多排斜向錨樁組成的樁群，與豎向擋土結構組成空間支架體系，從而改良了軟土結構，達到穩(wěn)定基坑邊坡的目的。錨樁支護技術的作用機理主要表現(xiàn)在:

1)加固作用。與普通錨桿、土釘相比，錨樁樁的高壓旋噴作用使一定范圍內(nèi)的土體結構發(fā)生重新組合，形成一種新型的水泥—土網(wǎng)絡結構，改善了土體的力學性質(zhì)，特別對軟土的加固效果顯著。2)骨架約束作用。由于錨樁本身的強度和剛度，以及它在土體中的空間分布，形成一復合式擋土結構，從而對土體變形(特別是軟土的流變變形)起到骨架約束作用，有效限制邊坡滑裂面的移動，增強土體的整體性。3)應力擴散和傳遞作用。試驗表明，大直徑、多級異形支盤錨樁大大消弱了軟土的流變應力水平，改善了樁體的應力分布狀態(tài)。錨樁通過其應力傳遞作用，逐步將外力荷載傳遞到深部穩(wěn)定土層中，并分散在較大范圍的土體中，降低了應力集中程度。

[1] 程良奎.巖土錨固的現(xiàn)狀與發(fā)展[J].土木工程學報，2001，34(3):28-29.

[2] 徐希萍，楊永卿.深基坑支護技術的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].福建建筑，2008，12(9):66-67.

[3] 王衛(wèi)東，吳江斌，許 亮，等.軟土地區(qū)擴底抗拔樁承載特性試驗研究[J].巖土工程學報，2007，29(9):5-9.

[4] 孫洋波，王 華，朱苦竹.軟土地區(qū)擴底樁群樁抗拔試驗分析[J].施工技術，2008，37(7):44-48.