水泥土支盤樁的抗拔機理及應用研究

姜寶良 孫 豫 王榮彥

(1.華北水利水電大學，河南鄭州 450000；2.河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第二地質(zhì)環(huán)境調(diào)查院，河南鄭州 450053)

鄭州市域范圍內(nèi)普遍發(fā)育第四系地層，主要由稍 密粉土、可塑粉質(zhì)黏土及中細砂組成，一般有兩層地下水(潛水和承壓水)，水位埋深為1～5 m[1]，若抗拔承載力不能滿足要求，地下結構會發(fā)生上浮，底板會被巨大的浮力頂起開裂，嚴重時整個結構將被破壞。因此，選擇合理的抗拔措施很有必要。

水泥土支盤樁作為一種新型樁，其抗壓方面的理論研究較多，但在抗拔機理及工程應用方面的研究不多[2]，總體來說不夠成熟。史鴻林等[3]在分支形式及樁身直徑不同的條件下，對支盤樁的靜載荷試驗數(shù)據(jù)進行分析，研究了支盤樁的計算理論和承載機理；梁昌俊等[4]通過有限元軟件進行模擬，研究了受壓狀態(tài)下水泥土支盤樁樁身以及周圍土體的位移變化和應力分布情況；唐松濤等[5]通過模型試驗和有限元數(shù)值模擬，研究了擠擴支盤樁的抗壓承載特性和荷載傳遞規(guī)律?？傊?，對支盤樁的研究大多以抗壓為主，在抗拔方面的理論研究不多，在實際施工過程中多以經(jīng)驗為主導。因此，為了有效解決地下結構的抗浮問題，對水泥土支盤樁抗拔機理及工程應用進行深入研究有重要的現(xiàn)實意義。以鄭州東區(qū)某工程為例，分析水泥土支盤樁的抗拔機理和抗拔承載力的計算公式，為更有效地解決地下結構的抗浮問題提供依據(jù)。

1 工程中常采用的抗拔措施

國內(nèi)目前常采用“一壓二拉”、降水等方法進行抗浮，“一壓”即配重法，通過底板增重、頂板覆土的方法來平衡地下水的上浮力，雖能達到抗浮效果，但造價較高，在經(jīng)濟上不夠合理；“二拉”即通過設置抗浮錨桿和抗浮樁來抗浮[6]。降水是通過排放地下室底板下巖土體中的地下水來降低其水位，從而達到抗浮的目的[7]。而一旦停止降水，水位上升，巨大的上浮力將會造成地下室底板開裂，導致工程事故發(fā)生。由此可見，降水抗浮在一定程度上也存在弊端。

抗浮錨桿和抗浮樁是目前工程上使用較為普遍的抗浮方式?？垢″^桿是通過向錨孔內(nèi)注漿，將錨桿與巖層緊密結合，由此產(chǎn)生較大的抗浮力來抵抗建構筑物的上拔，經(jīng)濟環(huán)保，抗拔力高，但不適用于所有地層[8]。抗浮樁主要靠樁身自重和側摩阻力來抗浮，材料一般為鋼筋混凝土，造價較高。

水泥土支盤樁樁身采用水泥土，首先通過常壓注漿形成等截面主樁體，再進行高壓噴射注漿形成支盤。與普通混凝土灌注樁相比，其造價低，施工速度快，擴大的支盤能夠有效抵抗上部荷載的作用，適用范圍較廣，經(jīng)濟效益和社會效益顯著。

2 水泥土支盤樁抗拔機理研究

水泥土支盤樁由主樁體和若干支盤組成，構造見圖1。樁體及支盤均采用強度為32.5級的普通硅酸鹽水泥，加筋體采用4根直徑QUOTE 15.2 mm、強度1 860 MPa的鋼絞線錨入基礎梁內(nèi)，并在端部與錨板和擠壓錨連接，通過一次性鉆頭鉆至設計深度[9]。等截面抗拔樁主要靠樁側摩阻力來平衡地下水上浮力，抗拔承載力不高[10]，而水泥土支盤樁的抗拔承載力除了樁側摩阻力外，還包括支盤處端阻力、上部倒圓臺土體的有效自重以及樁體自重等，見圖2。工程實踐表明，水泥土支盤樁經(jīng)濟合理，可以有效解決地下結構的抗浮問題[11]。

圖1 水泥土支盤樁構造

圖2 水泥土支盤樁抗拔模式

在上拔荷載作用下，樁體自始至終承受著拉應力，拉應力隨著荷載的增加而增大，直至超過樁身自重。此時，樁土將會產(chǎn)生相對位移，從而發(fā)生偏離。上拔荷載較小時，抗拔力主要由最下面的支盤、靠近樁底部直樁段的側摩阻力，以及樁和土的自重來承擔。隨著上拔荷載的增加，樁側摩阻力先達到極限，此時荷載主要由最下面的支盤來承擔，當承擔的荷載達到極限時，便由上部的支盤來繼續(xù)承擔[12]。不同支盤發(fā)揮承載力的時間節(jié)點不同。在擴徑處，水泥土支盤樁軸力陡升，發(fā)生突變。由此可見，支盤設置的位置不同，其軸力分布曲線也不相同[13]，合理設置支盤的位置及間距，對提高樁的抗拔承載力有很大的作用。

3 水泥土支盤樁抗拔承載力計算

根據(jù)《加筋水泥土樁錨支護技術規(guī)程》(CECS147:2004)，抗拔力由下列三者的最小值確定:樁錨體與土體的側摩阻力(Nr1)、加筋體的材料強度(Nr2)、筋體與水泥土握裹力加錨定板的端阻力(Nr3)。實際工程中，Nr3遠大于Nr1及Nr2，所以單樁抗拔極限承載力標準值取Nr1及Nr2的最小值。

樁錨體與土體的側摩阻力

加筋體的材料強度

式中:G為樁錨體總重量；d1為支盤段直徑；d為等截面段樁徑；li、lj分別為第i層、第j層錨固體的長度；qsik，qsjk分別為水泥土與第i層、第j層土體的極限側阻力標準值；qpi為第i個支盤處土體的極限端阻力標準值；As為加筋體的截面面積；fy為加筋體的抗拉強度設計值。

水泥土支盤樁在工程中應用還不夠普遍，其抗拔承載力計算方面的研究也不多，雖然擠擴支盤樁材料及工藝與水泥土支盤樁有所差異，但可作為參考。錢德玲[14]提出支盤樁的極限抗拔承載力Pu由四部分組成

式中:Pcz為倒圓臺土體的有效自重；Ps為樁側摩阻力；Pz為支盤端阻力；Wc為樁體的有效自重。支盤樁與擴底樁在某種程度上有些類似，與直樁相比，支盤樁增加了倒圓臺土體的有效自重和支盤的端阻力，因而抗拔承載力大大提高。

趙明華[15]等對支盤樁抗拔承載力的計算方法和影響樁體抗拔承載力的因素進行了研究，在極限狀態(tài)下，由于摩擦力的作用，支盤周圍表面的抗拔承載力主要由主樁側摩阻力、支盤承載力及樁身自重三部分組成

式中:Qskj為主樁的極限側阻承載力；Qzpj為支盤的極限承載力；Wc為樁身自重。

袁希雨[16]等將樁在抗壓狀態(tài)下的支盤阻力乘以計算系數(shù)得到抗拔盤阻力，再加上樁自重得到支盤樁的抗拔承載力

式中:λi為抗壓承載力計算系數(shù)；li為土層厚度；qsik為第i層土的極限側阻力標準值；η為總盤端阻力調(diào)整系數(shù)，盤數(shù)≤2時取1，≥3時取0.93；α為抗拔修正系數(shù)，取0～1.0；Ap為支盤設計的截面面積，為支盤在水平投影面上的面積減去樁身設計截面面積；qBik為支盤樁第i個盤的持力土層極限盤端阻力標準值。在等截面抗壓樁的側摩阻力乘以一個系數(shù)λ得到抗拔樁側摩阻力的基礎上，將抗壓狀態(tài)下支盤樁的盤阻力乘以一個系數(shù)α，得到抗拔盤阻力。系數(shù)α與支盤的埋深以及盤周圍土體的性質(zhì)等因素有關，但要得到α合理的取值范圍，還需要進行大量的試驗和計算。

上述研究都是抓住某一工況的主要因素，忽略次要因素，能夠解決相似工況的承載力問題，但無論哪一種計算方法都不能適用于所有工況。因此，關于水泥土支盤樁承載力的計算仍然是地基處理重要的研究領域之一。故在工程實踐中，要得到較為準確的抗拔承載力值，還需進行單樁上拔靜載試驗[17]。

4 工程應用實例

鄭東新區(qū)CBD丹尼斯商業(yè)步行街位于CBD內(nèi)外環(huán)高層建筑之間，框架結構，地上3層，地下2層(負二層是地下停車場)，基礎埋深10.0 m，地下水位歷史最高為-1.0 m，樁頂高程為基礎梁底高程，設計單樁抗拔承載力特征值為320 kN。為防止巨大的上浮力對結構造成破壞，經(jīng)與混凝土灌注樁進行對比分析，最終采用水泥土支盤樁作為抗浮樁。

根據(jù)《巖土工程勘察報告》，該工程主要地層為上部粉土、下部細砂，其中淺灰色粉土層厚度大，分布穩(wěn)定，壓縮性小，承載力高，宜作為樁端持力層[18]。

利用上述公式計算出的單樁抗拔極限承載力為理論值，考慮的影響因素不夠全面，用于實際工程不夠合理。因此，還是要進行單樁上拔靜載試驗來確定抗拔承載力特征值。對鄭東新區(qū)CBD丹尼斯商業(yè)步行街試樁工程中的兩組共6根試樁進行單樁垂直抗拔靜載試驗，試樁樁徑為500 mm，支盤直徑為1 000 mm，有效樁長11 m，盤厚0.5 m，盤間距3 m，樁身通長配置4根直徑為15.2 mm、強度為1 860 MPa的鋼絞線。其中第一組試樁設置兩個支盤，第二組設置四個支盤。圖3為水泥土支盤樁的開挖檢驗照片。

(1)試樁檢測結果

靜載試驗結果見表1。

由表1可知，在極限上拔力相同的情況下，Z1-3對應的上拔量最大，且小于100 mm，以Z1-3為例，繪制試樁的荷載-沉降曲線，見圖4。

圖3 現(xiàn)場水泥土支盤樁的開挖檢驗

表1 單樁靜載試驗分析結果匯總

(2)結果分析

①第一組試樁抗拔承載力特征值為467 kN，第二組為480 kN，選用水泥土支盤樁滿足設計要求(320 kN)。

②6根試樁在最大荷載作用下的上拔位移均在100 mm以下，在鋼絞線被拉斷之前，荷載-沉降曲線都較為平緩，破壞不具有突發(fā)性。

圖4 Z1-3試樁荷載-沉降曲線

③與第一組試樁相比，第二組試樁抗拔承載力特征值較大，在相同荷載作用下，對應的上拔位移量較小，表明支盤數(shù)量在一定程度上會對樁體抗拔承載力產(chǎn)生影響。

為充分證明水泥土支盤樁的優(yōu)勢，在同場地條件下，對一組與其樁長、樁徑相同的混凝土灌注樁進行單樁垂直抗拔靜載試驗。采用鉆孔灌注樁形式，樁身材料為混凝土，利用鉆機鉆出樁孔后，在孔中澆筑混凝土成樁。根據(jù)相關資料，在相同條件下，對混凝土灌注樁與第一組水泥土支盤試樁進行經(jīng)濟性比較，比較結果見表2。

表2 混凝土灌注樁與水泥土支盤樁經(jīng)濟性比較

由表2可得到以下結論:

①從每米提供承載力特征值看，水泥土支盤樁為混凝土灌注樁的1.29倍；從每百元提供承載力特征值看，水泥土支盤樁為混凝土灌注樁的1.67倍。在相同條件下，采用水泥土支盤樁每米可節(jié)約造價23%，承載力提高22%。由此可以看出，采用水泥土支盤樁既滿足了抗浮的技術要求，又降低了工程造價，經(jīng)濟效益十分明顯。

②受施工工藝影響，混凝土灌注樁樁身被泥皮包裹，側摩阻力較小，所提供的抗拔承載力較支盤樁低。

③從每天打樁工程量來看，施工相同數(shù)量的兩種樁，水泥土支盤樁施工速度較快，工期可縮短30%。

5 結束語

(1)針對水泥土支盤樁的抗拔承載力計算問題，一些學者依據(jù)特定工況(抓住主要影響因素忽略次要因素)提出了不同的計算方法。但無論哪一種承載力計算方法都不能適用于所有工況。因此，關于承載力的計算方法仍然是地基處理重要的研究領域之一，仍然需要學者們不斷研究創(chuàng)新，完善相關計算理論。在沒有研究出統(tǒng)一完善的計算方法前，在工程施工過程中，還是要進行單樁上拔靜載試驗來確保施工安全。

(2)鄭東新區(qū)CBD丹尼斯商業(yè)步行街試樁結果表明:在同樣的地質(zhì)條件下，相較于混凝土灌注樁，水泥土支盤樁具有造價低、抗拔承載力高、施工速度快等明顯優(yōu)勢。

(3)從總體上看，水泥土支盤樁抗拔性能良好。但作為一種新型樁，對影響樁抗拔性能的因素考慮得還不夠全面，例如支盤直徑、數(shù)量、間距、土層特性、地下水等因素，在一定程度上都會對樁的抗拔性能產(chǎn)生一定的影響，有必要通過室內(nèi)試驗進一步探究不同因素對水泥土支盤樁抗拔性能的影響，改進優(yōu)化樁身結構，以便更有效地解決地下結構的抗浮問題。