锚杆静压桩技术研究现状

摘 要：从锚杆静压桩工作机理、锚杆埋设、设计、挤土沉降等方面对锚杆静压桩技术的研究现状作了较为全面的阐述。

关键词：锚杆静压桩 设计 挤土沉降 研究

中图分类号：TU472.99 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2012）001-001-02

随着我国城市建设的不断发展，建设用地受到越来越大的制约。在软弱地基上修建建筑物或对原有建筑物进行加高、加固都需要对地基进行处理。锚杆静压桩技术是一种加固地基的新技术，自80年代在我国首次应用，经过二十多年的发展已经取得了很大的改进。本文将对锚杆静压桩的研究现状作简单的介绍。

1 锚杆静压桩工作机理

锚杆静压桩是借助锚杆与建筑物基础底板相固接提供的反力，再通过反力架作为传力系统，利用安装在桩顶的千斤顶把预制桩逐节挤压入土层中，达到设计深度和要求的承载力后，再把桩顶与基础底板用微膨胀早强混凝土进行封装，待混凝土凝固后便可和建筑物形成整体，与原有基础共同承受上部荷载，提高了原有建筑物基础的承载能力，满足建筑物加高或加固的需要。压桩反力由建筑物本身自重提供，同时也要求锚固结点满足一定的抗拔力，才能保证压桩的施工顺利进行。

2 锚杆埋设技术的研究

锚杆静压桩在施工过程中是依靠锚固于基础的锚杆和钢梁形成的反力架提供反力，因此，锚杆锚固于基础的牢固程度往往决定了压桩荷载的设计。若锚杆抗拔力过小，而压桩力又比较大，则锚杆容易发生滑脱，这是施工所不允许的，因此，必须对抗拔锚杆设计与埋设的质量足够重视。通常静力压桩的施工，是通过使用带有配重的静力压桩机完成的，而后压桩技术是在已有建筑物的基础上实施，大型压桩机械无法实施。使用锚杆静压桩很好地解决了场地受限的问题，但由于没有解决反力架的锚固问题，其使用受到了限制，为此，许多单位展开了对锚杆与基础锚固问题的研究。冶金部建筑研究总院同第一冶金建设公司等单位发明了环氧砂浆锚固地脚螺栓的新技术，奠定了锚杆静压桩的发展基础。施工时，先在基础中钻孔，然后放置锚杆，埋深为10倍锚杆直径，锚杆可采用直杆形式，端部镦粗或加焊钢盘箍。最后用环氧砂浆做粘结剂封填钻孔，在桩顶用混凝土封桩。经实践发现，少数锚杆会因设计压桩力超过锚杆的抗拉强度造成锚杆缩颈外，锚杆并未被拔出，从而可以证明用环氧砂浆粘结的锚杆具有较大的抗拔能力。此外，若能确保锚杆孔内干燥，也可用硫磺胶泥作粘结剂。

目前锚杆静压技术对于压桩深度较大的场地显得不足，为满足增加后压桩深度提高承载力的需要，上海市第二建筑有限公司发明了一种实用新型静压锚杆桩反力装置，它解决了传统的锚杆静压桩压桩深度小，压桩力小的缺陷，具有更合理的结构，反力架便于移位，施工工艺简单、工期短且造价低等优点，特别是当城市建筑物密集，打桩机械活动范围受到限制的施工环境时，更显示出其优越性。

3 锚杆静压桩的设计研究

1984年，周志道结合安徽芜湖少年宫事故工程《锚杆静压桩法》，标志此项技术的产生。在第七届全国地基处理学术讨论会上发表的论文中曾明确提出该项技术有待解决的课题：锚杆静压桩技术应用于新建压桩或已建工程补桩的设计计算理论研究和各种加固形式合理参数确定以及沉降计算。

现行针对锚杆静压桩技术的规范是1991年发行的《锚杆静压桩技术规程》，里面很多设计理论是参照桩基设计规范的，对锚杆静压桩工作机理，施工影响等还需要作深入的研究。近年来，许多学者和各种施工单位都对锚杆静压技术作了大量的研究，总结出了许多设计经验和理论研究成果。文献[1]从时间效应、深度效应、荷载分担以及工后沉降等问题对锚杆静压桩进行了较为系统的土力学阐述，并对设计提供较多的建议值。文献[2]探讨了压桩力系数取值问题，解决了相关规范和规程在对锚杆静压桩描述时的一些矛盾。文献[3-4]对桩身应力分布规律进行了研究。文献[5]系统地研究了桩身回弹问题。文献[6]用小孔扩张理论，分析了后压桩施工挤土的塑性半径范围。文献[7-12]结合工程实例扩展了锚杆静压桩的应用范围,并探讨了相关设计计算理论。从各种研究文献中还发现，其设计计算理论大多套用相关桩基规范，研究没有系统化，因而对施工造成了不必要的浪费。鉴于此，袁志斌等通过阐述复合地基理论,指出目前锚杆静压桩设计方法的不足，认为运用复合地基理论分析锚杆静压桩才是比较经济合理的，并通过实例验证了该设计理论的可靠性。锚杆静压桩不仅可以应用于基础加固，也可应用于新建工程，对于大型机械无法进入的场地其优越性得到充分显示。江声述对新建工程应用锚杆压桩法做了较为全面的研究，总结了许多设计理论：新建建筑物的基础需先施工承台，并预留压桩孔和预埋锚杆。接着施工上部结构且要保证自重足能满足压一根桩所需反力，这时就可以进行压桩施工，并封孔，使桩与基础牢固联接在一起。锚杆静压桩单桩的承载力要和上部结构可提供的压桩反力以及承台作为基础的承载力相互联系，设计时要有全局思想，通常遵循从布桩及承台设计开始，然后确定单桩承载力，再进行桩基础的设计和验算的步骤。

4 锚杆静压桩挤土沉降问题的研究

4.1 锚杆静压桩挤土效应分析

锚杆静压桩是一种后压桩技术，它能解决后期加固问题，但施工中产生的挤土效应和附加沉降不容忽视，处理不当反而增加了原有建筑物的沉降，因此对其应有深入的认识。锚杆静压桩在施工时必会挤土，由此引发土体的两种变形：一种是桩土摩擦产生的竖向位移，另一种是挤土成孔产生的土体侧向挤出。施工的桩数越多，速度越快，挤土产生的效应就越明显，过大的附加沉降和水平位移将会对建筑物产生危害。锚杆静压桩所挤压土层在上部荷载作用下，已完成压缩固结过程，相比新建工程静压桩挤土阻力较大，同时由于上部结构的限制，挤土时的侧向膨胀也更突出，过大的水平位移对周围建筑物和管线等设施的影响严重。而且原有桩基也会受土体水平挤压而发生偏移甚至断裂，所以，锚杆静压桩施工设计不当，不仅没能增加基础承载力，反而起到了破坏作用。因此，有学者对锚杆静压桩施工的挤土问题进行了较深入的研究。同济大学李永盛等认为锚杆静压桩的桩土作用机理与一般的挤土桩是不完全相同的，它是土层已有附加应力的基础上进行沉桩，空间效应明显，是三维问题。他们运用小孔扩张的理论，在考虑竖向荷载影响的情况下，给出了一种计算桩周塑性变形范围的计算方法。

4.2 锚杆静压桩附加沉降分析

锚杆静压桩施工是一个动态过程，受挤压土体的各种物理反应随着深度呈非线性变化，受力状态和附加沉降的产生变得非常复杂，通过研究发现，主要有4个方面的原因导致了锚杆静压桩挤土效应的复杂化。

(1)桩侧粘性土由于受到挤压而产生塑性变形，土体有向上隆起的趋势；也可能被挤密而发生沉降，两种结果都会使桩周土受到径向压缩，土体产生塑性流动并向地表挤出。对于非粘性土，受挤压后不仅产生弹塑性变形，而且还被挤密，其结果可能产生隆起也可能产生沉降，这和粘性土受挤压时竖向变形的情况不同。

(2)压桩过程中桩端阻力和桩侧摩阻力引起的附加沉降。沉桩时，由于桩的挤土效应，桩周土体受到扰动和重塑，桩侧摩阻力比桩端阻力小很多，可忽略不计。因而桩阻力引起的附加沉降主要是桩端引起的，它的大小可以根据Mindlin公式用分层总和法求解。

(3)压桩时桩周围土体产生塑性变形导致强度降低，在上部荷载不变的情况下引起附加沉降。由于沉桩时会对桩周围的土体产生挤土效应，在桩周一定区域内土体会发生塑性变形变成重塑土，土体的强度大幅度降低，在上部荷载一定的情况下，土体变形增大，即地基的压缩模量变小。锚杆静压桩的施工都是在一定的荷载作用下进行的，所以会引起一定的附加沉降。

(4)封桩引起桩体回弹产生的附加沉降。通常锚杆静压桩沉桩时，在压到最后一节桩时，所施加的压力能达到200多KN。而锚杆静压桩的桩径通常很小，其桩长则可以达到20m左右，所以在压桩的过程中桩体会产生相当大的弹性压缩变形，当作用于桩体上的荷载撤除后会产生很大的回弹变形。然后进行封桩，上部结构的荷载会逐渐转移到锚杆静压桩上，此时桩体会产生再压缩变形。这个过程可以归纳为加载-卸载-再加载的循环过程，再压缩弹性变形就是附加沉降。

在沉桩的过程中，前三种附加沉降是同时发生并相互作用的，因而在分析附加沉降产生的原因时，要把这三个方面联系起来考虑。同济大学刘万兴等根据前三种附加沉降的原因推导了沉降计算的公式，并运用该公式对一工程实例进行了计算与分析，所得计算结果与实际情况基本符合，具有一定的可操作性。

5 锚杆静压桩技术展望

锚杆静压桩加固地基技术是我国在土木工程领域自主研究开发成功的新技术，经过二十多年的发展，现在已成为技术可靠、经济合理的新型加固方法。锚杆静压桩技术也还有很多需要改进的方面，还有很多新技术要去创新，例如研制新的压桩设备，运用单板机对压桩力、桩长等参数实时显示，配置自控电脑，进行智能化施工。因此，许多新的课题需要广大技术人员去发掘和创新。

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