多支盤加筋水泥土樁抗拔機(jī)理研究

余建民，馮翠紅，李 遠(yuǎn)

(1.北京科技大學(xué) 土木與環(huán)境學(xué)院，北京 100083;2.華北水利水電學(xué)院 資源與環(huán)境學(xué)院，鄭州 450011)

隨著我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，城市建設(shè)規(guī)模不斷擴(kuò)大，地下空間(地下室、地下車庫、地下商場等)的利用已經(jīng)成為一種趨勢。然而，在地下水高水位地區(qū)，因地下水引起地下建筑的破壞事故時有發(fā)生，地下建筑物的抗浮問題已經(jīng)成為工程建設(shè)中的一個重要課題［1］。為了防止地下建筑的上浮破壞，工程中的抗浮措施通常采用抗浮樁和抗浮錨桿。抗浮樁利用樁的自重和樁的側(cè)摩阻力來抗浮，材料采用鋼筋混凝土，造價較高;抗浮錨桿利用錨桿與砂漿組成的錨固體與巖(土)層的結(jié)合力作為抗浮力，抗浮效果較好，造價較低，但易受地質(zhì)條件影響。

近年來，鄭州地區(qū)采用多支盤加筋水泥土樁作為抗浮樁，既滿足了抗浮的技術(shù)要求，樁體采用水泥土又降低了工程造價，產(chǎn)生了良好的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。本文對多支盤加筋水泥土樁的構(gòu)造特點(diǎn)和抗拔機(jī)理進(jìn)行了研究。

1 支盤和構(gòu)造

多支盤加筋水泥土樁有主樁和若干個支盤組成(見圖1)。每樁通常至少設(shè)置一個承力盤，如果地質(zhì)條件許可，也可設(shè)置二個以上的承力盤，但工程實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)并不是支盤愈多愈好，最優(yōu)支盤數(shù)與地層情況有關(guān)。在工程實(shí)踐中，多支盤加筋水泥土樁直徑通常采用 φ500 mm，支盤直徑 φ 1 000 mm，盤厚 500 mm，盤間距 3.0～5.0 m。筋體通常采用 4根 φ15.2 mm 1 860鋼絞線，端部錨定板與擠壓錨連接，使用一次性鉆頭鉆進(jìn)至設(shè)計深度。主樁體和多支盤水泥漿液采用32.5級普通硅酸鹽水泥，常壓注漿形成等截面主樁，高壓噴射注漿形成擴(kuò)大的支盤，要求在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下28 d齡期的立方體抗壓強(qiáng)度平均值fcu≥5 MPa。

圖1 構(gòu)造示意

圖2 抗拔模式示意

2 抗拔工作機(jī)理

加筋多支盤水泥土樁是將旋噴法與深層攪拌法相結(jié)合，采用水泥等固化劑通過高壓注漿加機(jī)械深層攪拌，使水泥漿液與地基土拌合形成既有常規(guī)斷面又有擴(kuò)大斷面多支盤的水泥土柱體，鉆進(jìn)同時將鋼絞線及錨頭結(jié)構(gòu)件帶入設(shè)計深度，鋼絞線錨入基礎(chǔ)梁內(nèi)，用樁的自重和樁側(cè)阻力及擴(kuò)大支盤的端阻力來抗浮。

2.1 樁體抗拔力機(jī)理研究

多支盤加筋水泥土樁的抗拔承載力主要由樁側(cè)摩阻力、支盤端阻力、樁體自重以及倒圓臺土體的有效自重組成(圖2所示)。

2.1.1 樁側(cè)摩阻力

在穩(wěn)定的土層中，樁側(cè)摩阻力是組成抗拔力不可缺少的部分。施工過程中，高壓水泥漿液滲透作用使樁周土體抗剪強(qiáng)度大大增加，樁側(cè)摩阻力相應(yīng)提高。

2.1.2 支盤端阻力

加筋多支盤水泥土樁的抗拔機(jī)理與普通的等截面樁不同之處，主要是由于其獨(dú)特的構(gòu)造和施工方法所決定的。加筋多支盤水泥土樁在施工過程，常壓注漿形成等截面的樁體，在設(shè)計深度高壓旋噴注漿形成擴(kuò)大的支盤，支盤四周土體受到高壓水泥漿液的滲透，使土體壓縮模量和抗剪強(qiáng)度等力學(xué)指標(biāo)大大增強(qiáng)。這樣，在樁體受到上拔荷載時，擴(kuò)大的支盤產(chǎn)生較大側(cè)摩阻力和等截面樁沒有的端阻力。

2.1.3 樁體自重

由于多支盤加筋水泥土樁樁體通常直徑較大，應(yīng)當(dāng)考慮樁體自重對抗拔力的作用。

2.1.4 倒圓臺土體的有效自重

多支盤加筋水泥土樁在上拔時，最上面的支盤處也會出現(xiàn)一個從支盤邊緣以一定的弧線向地面延伸的滑動面，使地基土內(nèi)產(chǎn)生倒圓錐形的剪切面，倒圓錐形土體的有效自重，也是大幅提高多支盤加筋水泥土樁抗拔承載力的原因之一［2］。

2.2 筋體和錨定板的作用

加筋體采用預(yù)應(yīng)力鋼絞線，頂部錨入基礎(chǔ)梁內(nèi)，端部使用錨具固定在錨定板上，通過一次性鉆頭鉆進(jìn)到樁的端部支盤設(shè)計位置。筋體端部的錨定板垂直于水泥土樁體，筋體除了有水泥土的握裹力外，還增加了錨定板端部與樁體的端阻力，有效地增大了錨固力。

2.3 上拔荷載傳遞機(jī)理

在荷載傳遞上，等截面樁的抗拔軸力分布曲線類似于抗壓軸力分布曲線，即軸力隨著深度的增加而減小。而變截面樁在擴(kuò)徑處軸力傳遞發(fā)生突變，著力點(diǎn)不同，突變處也不同。在軸力隨深度變化的曲線上，抗拔曲線在擴(kuò)徑處表現(xiàn)為軸力陡升。對于多支盤加筋水泥土樁來說，支盤設(shè)置的位置不同，其抗拔著力點(diǎn)也不同，相應(yīng)的分布曲線也不同。因此，設(shè)計合理的支盤位置和支盤間距，將會有效地提高抗拔承載力。

3 抗拔承載力計算

目前，由于多支盤加筋水泥土樁用于抗拔樁工程應(yīng)用不多，有關(guān)計算抗拔極限承載力方面的研究較少，設(shè)計階段主要根據(jù)《加筋水泥土樁錨支護(hù)技術(shù)規(guī)程》(CECS147∶2004)來估算單樁抗拔極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值?？拱瘟?yīng)由樁錨體與土體的側(cè)摩阻力(Nr1)、加筋體的材料強(qiáng)度(Nr2)、筋體與水泥土握裹力加錨定板的端阻力(Nr3)三者之一確定。在工程實(shí)踐和理論計算中，Nr3遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于Nr1及Nr2，所以單樁抗拔極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值可由Nr1及Nr2的最小值確定，公式如下［3］

式中，d1，d為支盤直徑、等截面樁直徑(m);li，lj為第 i層、第j層錨固體的長度(m);qpi為第 i個擴(kuò)大支盤頭所在位置土體極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值(kPa);qsik，qsjk為第i層、第j層土體與水泥土的極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值(kPa);G為樁錨體總重量(kN);fy為加筋材料的抗拉強(qiáng)度設(shè)計值(kPa);As為加筋材料的截面面積(m2)。

在工程實(shí)踐中，多支盤加筋水泥土樁抗拔承載力特征值，應(yīng)進(jìn)行試樁并以現(xiàn)場單樁上拔靜載試驗(yàn)確定。

4 工程應(yīng)用實(shí)例

金成時代廣場一期工程，位于鄭州市黃河路和中州大道(原107國道)交叉口立交橋的西北角，地上為高層商住樓，均設(shè)計2層地下車庫，基礎(chǔ)埋深地面下約11.0 m，地下水位按歷史最高水位-1.0 m考慮。為了抵抗地下水的浮力作用，采用多支盤加筋水泥土樁作為抗浮樁，加筋水泥土樁樁身直徑 φ500 mm，支盤直徑φ 1 000 mm，樁頂高程為基礎(chǔ)梁底高程，有效樁長為11 m，單樁抗拔承載力特征值420 kN?？紤]多支盤加筋水泥土樁的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，以及場地土層的特性和地下車庫的要求，在第⑦層粉質(zhì)黏土層和第⑨層細(xì)砂層分別設(shè)置一個支盤，盤距3.0 m，盤厚0.5 m。

本次6根試樁的靜載試驗(yàn)結(jié)果(表1)表明，在試驗(yàn)條件下測得的2組(每組3根)試樁豎向抗拔承載力特征值分別為:第1組467 kN，第2組480 kN，滿足設(shè)計要求的420 kN。

表1 單樁靜載試驗(yàn)分析結(jié)果匯總

以8號樓為例，對兩種施工工藝進(jìn)行了技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析比較，對工程量、工期進(jìn)行統(tǒng)計分析，擠擴(kuò)支盤樁比普通灌注樁可節(jié)省造價33.44萬元，縮短工期12 d。

5 結(jié)論

1)多支盤加筋水泥土樁作為抗拔樁用于地下建筑的工程實(shí)例不多，但作為一種新型抗浮樁，多支盤的獨(dú)特構(gòu)造，使其不僅增大了樁體與周圍土體的側(cè)摩阻力，而且可以利用擴(kuò)大支盤的端阻力，有效地提高了樁的抗拔承載力。

2)樁體采用水泥漿液與原狀土旋噴攪拌成水泥土，與混凝土相比造價大大降低。加筋體采用預(yù)應(yīng)力鋼絞線筋體，筋體端部固定在錨定板上，通過一次性鉆頭鉆進(jìn)到樁的端部支盤設(shè)計位置。筋體端部的錨定板垂直于水泥土樁體，筋體除了有水泥土的握裹力外，當(dāng)樁體承受上拔力時還存在錨定板端部與樁體的端阻力，有效地增大了錨固力。

3)多支盤加筋水泥土樁適用范圍廣，可在多種土質(zhì)中成樁，可以根據(jù)土層實(shí)際情況和抗浮力的要求，在樁身不同部位硬土層設(shè)置多個支盤，提高樁體的抗拔承載力。

4)多支盤加筋水泥土樁作為新型的抗拔樁，在設(shè)計、施工規(guī)程的制訂，施工質(zhì)量控制方法，成樁的質(zhì)量檢測等方面，還有待研究。

［1］李鏡培，孫文杰.地下結(jié)構(gòu)的浮力計算與抗拔樁設(shè)計方法研究［J］，結(jié)構(gòu)工程師，2007，23(2):80-84.

［2］錢德玲.具有高抗拔性能的支盤樁在工程中的應(yīng)用研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2003，22(4):678-682.

［3］北京交通大學(xué)隧道與巖土工程研究所.(CECS147∶2004)加筋水泥土樁錨支護(hù)技術(shù)規(guī)程［S］.北京:中國計劃出版社，2004.