黃 友 發(fā)

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，廣東 深圳 518000)

抗拔樁在地下工程中的應(yīng)用分析

黃 友 發(fā)

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，廣東 深圳 518000)

介紹了抗拔樁的基本概念及樁型種類，通過分析抗拔樁的應(yīng)用范圍，闡述了其作用機(jī)理與破壞類型，并研究了確定抗拔樁承載力的方法，歸納了抗拔樁在設(shè)計(jì)和施工中應(yīng)注意的問題，以有效解決結(jié)構(gòu)上浮的問題。

抗拔樁，地下工程，上浮，水位

隨著近幾年我國一、二線城市地鐵項(xiàng)目的大規(guī)模建設(shè)，對(duì)于地下空間利用率要求越來越高，地鐵車站的功能更多地考慮換乘節(jié)點(diǎn)和高大空間的要求，這可能導(dǎo)致地鐵車站整體位置偏淺，頂板覆土偏薄。而我國南方大部分地區(qū)降雨量充沛，常年地下水位較高，土層地質(zhì)情況較差，當(dāng)?shù)叵陆ㄖ淖灾睾透餐林亓恐筒荒芷胶獾叵滤×ψ饔脮r(shí)，結(jié)構(gòu)上浮問題隨之而來。為解決這一問題，當(dāng)前最常用的措施是設(shè)置抗拔樁。本文從抗拔樁的應(yīng)用范圍、作用機(jī)理、實(shí)際工程案例等方面，分析抗拔樁對(duì)地下工程抗浮的重要作用。

1 抗拔樁的基本概念

抗拔樁也叫抗浮樁，是指當(dāng)建筑工程地下結(jié)構(gòu)部分或整體低于周邊土壤水位時(shí)，為了抵抗土壤中水對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的上浮力而設(shè)置的樁。承受豎向抗拔力的樁稱之為抗拔樁。

2 抗拔樁的樁型種類

隨著工程技術(shù)的不斷發(fā)展，工程設(shè)計(jì)者在研究如何抵抗地下建筑上浮方面做了很多試驗(yàn)和改進(jìn)，對(duì)抗拔樁樁型設(shè)計(jì)方面有了比較大的突破，總的來說，可以分為如下四類：

1)鉆孔灌注樁。

鉆孔灌注樁是目前為止應(yīng)用范圍最廣的抗拔樁,在作為抗拔樁使用時(shí)主要分為兩種類型：一種是等截面的人工挖孔灌注樁，利用樁身側(cè)壁摩阻力和樁的自重來抵抗地下水對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的上浮力。另外一種則是樁底采用擴(kuò)大頭的挖孔擴(kuò)底灌注樁，能更好地發(fā)揮抗拔承載力，具有效果明顯且用材較少的優(yōu)點(diǎn)。另外，隨著工程技術(shù)的不斷發(fā)展，工程上出現(xiàn)了支盤樁等新的樁型，使得鉆孔灌注樁在抗拔領(lǐng)域的應(yīng)用形式越來越豐富(見圖1)。

2)預(yù)應(yīng)力管樁。

在工程上，高強(qiáng)混凝土預(yù)應(yīng)力管樁常常被用作永久性的承壓樁，它具有造價(jià)低、質(zhì)量好、承載力強(qiáng)、施工方便、施工速度快、養(yǎng)護(hù)時(shí)間短等眾多優(yōu)點(diǎn)。如將管樁設(shè)置成抗拔樁，能較大程度地降低工程造價(jià)。目前，對(duì)于管樁是否能作為抗拔樁使用，工程界各方意見不一致，多數(shù)認(rèn)為應(yīng)該慎用或者干脆不用。這些年來，有部分工程業(yè)主極力要求降低工程總造價(jià)，已慢慢接受將預(yù)應(yīng)力管樁作為臨時(shí)抗拔樁使用(見圖2)。

3)配筋混凝土砌塊抗拔樁。

配筋砌塊結(jié)構(gòu)體應(yīng)用于地下工程的抗拔將是一個(gè)非常新穎的嘗試和創(chuàng)新。由于抗拔樁對(duì)于抗壓強(qiáng)度的要求比較低，且砌體結(jié)構(gòu)抗拔樁施工不必使用模板，省去了支模、拆摸的步驟，節(jié)省工程材料，所以，它的造價(jià)往往比現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)低許多。如果砌塊抗壓強(qiáng)度能滿足施工要求，那么它在工程領(lǐng)域便有較好的立足之地。

4)樹根樁。

樹根樁是采用鉆機(jī)在地基中成孔配筋，通過壓力注漿的方式向孔中灌注水泥漿或水泥砂漿，形成小孔徑的鉆孔灌注樁。它能夠在土體內(nèi)以不同的傾斜角度成孔，形成類似于樹根形狀縱橫交錯(cuò)的小型樁，常用于地基加固工程、隧道下穿既有建筑物時(shí)的樁基托換工程、邊坡加固與穩(wěn)定、建筑物抗浮等(見圖3)。

3 抗拔樁的應(yīng)用范圍

基于抗拔樁對(duì)于地下工程的重要作用，它廣泛應(yīng)用于大型地下工程的抗浮、高大建筑物和海上平臺(tái)或碼頭的抗拔、懸索橋和斜拉橋的錨樁基礎(chǔ)、靜荷載試樁中的錨樁基礎(chǔ)和大型船塢底板的樁基礎(chǔ)等。工程中設(shè)置抗拔樁的情形一般有以下幾種：

1)當(dāng)?shù)叵滤惠^高時(shí)，水浮力對(duì)結(jié)構(gòu)作用明顯，上部結(jié)構(gòu)荷重不能平衡地下水浮力時(shí)。如地鐵車站、地下車庫、建筑物的地下室等，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置抗拔樁。

2)當(dāng)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)承臺(tái)偏心受壓時(shí)。偏壓基礎(chǔ)一側(cè)受壓，一側(cè)受拉，偏心彎矩大，假如不提出解決措施，便會(huì)造成基礎(chǔ)失穩(wěn)，此時(shí)，應(yīng)設(shè)置抗拔樁來平衡向上的拉拔力。如海上鉆井平臺(tái)、輸電塔等構(gòu)筑物的樁基礎(chǔ)同時(shí)受到水平和豎直荷載的反復(fù)作用，設(shè)置抗拔樁可以解決偏壓問題。

3)其他承受巨大水平荷載的叉樁結(jié)構(gòu)，如橋臺(tái)、碼頭、擋土墻的斜樁等。

4 抗拔樁的作用機(jī)理及破壞類型

1)作用機(jī)理。

簡單地說，抗拔樁的作用機(jī)理主要是依靠樁身與土層之間的摩擦力來抵抗豎直向上的拉拔力，使得結(jié)構(gòu)受力趨于平衡，阻止結(jié)構(gòu)上浮，如錨樁、抗浮樁等。

2)破壞類型。

根據(jù)樁體的間距和數(shù)量，可將抗拔樁的破壞類型分為非整體性破壞和整體性破壞兩類。

非整體性破壞：一般來說，當(dāng)承臺(tái)下樁的數(shù)量較少且樁與樁的距離較大的時(shí)候，抗拔樁的破壞形式常呈現(xiàn)為非整體性的，稱之為非整體性破壞。

整體性破壞：有時(shí)候，樁的數(shù)量往往比較多且樁距比較小，樁和土體就被看做成一個(gè)整體，該整體會(huì)受到一個(gè)向上的拉拔力而破壞，稱之為整體性破壞。

3)破壞形式。

抗拔樁的破壞形式通常分為三種，分別為：倒錐臺(tái)剪切破壞、復(fù)合剪切破壞、沿接觸界面剪切破壞，如圖4所示。

5 確定抗拔樁承載力的方法

以抗拔樁的受力特征為基點(diǎn)，通過研究分析，可以得出一個(gè)結(jié)論，抗拔樁的破壞機(jī)理與摩擦樁是非常類似的。從受力組成方面看，抗拔承載力是由樁側(cè)摩阻力和樁體自身的重力疊加而成，方向?yàn)樨Q直向下，其數(shù)值的大小與諸多因素有關(guān)，比如土層的物理力學(xué)性能、樁體材料、樁身尺寸、截面形狀等等。確定抗拔樁的承載力一般有以下幾種方法：

1)現(xiàn)場靜載荷試驗(yàn)分析法。

抗拔樁的靜載荷試驗(yàn)分析法是指通過在樁頂逐級(jí)施加豎直向上的拉拔力，觀測樁頂部隨時(shí)間產(chǎn)生的上拔位移，記錄相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，由此確定相應(yīng)的單樁豎向抗拔承載力的試驗(yàn)方法。

靜載荷試驗(yàn)是評(píng)價(jià)單樁承載力最為直接、準(zhǔn)確的方法，但需要增加一定費(fèi)用，并做好工期安排，在同一條件下的試樁數(shù)量，不宜少于總數(shù)的1%，并不應(yīng)少于3根。相關(guān)規(guī)范規(guī)定，當(dāng)建筑物的地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級(jí)為甲類時(shí)應(yīng)采用此方法確定其承載力。

2)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算法。

利用經(jīng)驗(yàn)公式確定單樁承載力是一種沿用多年的傳統(tǒng)方法，廣泛適用于各種樁型，所用的承載力參數(shù)是根據(jù)它們與土性指標(biāo)之間的換算關(guān)系再利用當(dāng)?shù)氐撵o載試驗(yàn)資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析的基礎(chǔ)上，通過必要的對(duì)比分析和調(diào)整后得出的。

經(jīng)驗(yàn)公式法中的使用參數(shù)比較局限，并不適用于一級(jí)建筑樁基，對(duì)于二、三級(jí)建筑樁基，則可按經(jīng)驗(yàn)公式所估算的抗壓側(cè)阻力值乘以經(jīng)驗(yàn)折減系數(shù)后作為抗拔側(cè)阻力值。

6 抗拔樁在設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問題

1)地下水位。

地下水位隨季節(jié)的變化而變化，抗浮計(jì)算時(shí)對(duì)現(xiàn)場水位的確定很重要，如取值不當(dāng)，將直接影響抗浮驗(yàn)算結(jié)果，建議取用建筑物在使用年限內(nèi)的歷史最高水位進(jìn)行抗浮驗(yàn)算。

2)抗拔樁長徑比。

在計(jì)算抗拔力時(shí)應(yīng)注意長徑比對(duì)計(jì)算方法的影響。對(duì)于L/d≤5和L/d>5的兩種樁，破壞機(jī)理不同，其計(jì)算方法也不相同。

3)避免群樁效應(yīng)。

抗拔樁的抗拔力主要由土層對(duì)樁體的摩擦力提供，為充分利用其側(cè)摩阻力，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意樁與樁之間的凈距，盡量避免出現(xiàn)群樁效應(yīng)，并嚴(yán)格遵守相關(guān)規(guī)范規(guī)定。

4)抗拔樁宜布置于柱、底板梁下面。

設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意抗拔樁的設(shè)置部位，一般應(yīng)設(shè)置于柱、底板梁、承臺(tái)下面，使結(jié)構(gòu)整體受力更加合理。

5)抗拔樁的配筋驗(yàn)算。

抗拔樁配筋除了應(yīng)進(jìn)行樁身強(qiáng)度驗(yàn)算外，尚應(yīng)進(jìn)行最大裂縫的驗(yàn)算。其最大裂縫寬度應(yīng)滿足抗拉構(gòu)件的相關(guān)限值規(guī)定。

7 抗拔樁在施工中應(yīng)注意的事項(xiàng)

目前在實(shí)際工程中應(yīng)用的抗拔樁多為人工挖孔樁，故僅以人工挖孔灌注樁為對(duì)象，闡述抗拔樁在施工時(shí)應(yīng)注意的事項(xiàng)，如下所述：

1)挖孔作業(yè)的時(shí)候，從孔內(nèi)運(yùn)至地面的土石堆放位置應(yīng)滿足相應(yīng)的規(guī)定，土石堆放點(diǎn)與孔口邊緣的距離不應(yīng)小于1 m，堆放高度不應(yīng)超過1 m，并及時(shí)運(yùn)走，嚴(yán)禁長期堆放。

2)在施工過程中應(yīng)及時(shí)進(jìn)行護(hù)壁，直至孔底。當(dāng)開挖深度較大，不能排除是否存在危險(xiǎn)氣體時(shí)，在每次動(dòng)工前尚應(yīng)進(jìn)行有毒氣體的檢測。

3)每天挖孔工作開始之前，應(yīng)進(jìn)行“兩排”，分別是排水和排氣。施工人員在作業(yè)前，應(yīng)將孔內(nèi)的積水抽干，并用鼓風(fēng)機(jī)等設(shè)備排除孔內(nèi)混濁空氣后方準(zhǔn)下人。

4)挖孔過程中應(yīng)進(jìn)行孔徑尺寸、平面位置、垂直度、圓滑度等參數(shù)的檢查，保證準(zhǔn)確無誤，使孔壁受力均衡，避免引起塌方。

5)終孔后應(yīng)立即清除孔底殘?jiān)㈦s物和積水，并馬上澆筑封底混凝土。

6)灌注樁身混凝土?xí)r，混凝土必須通過漏槽或串筒，在離灌注面2 m以內(nèi)下落，不得在孔口拋鏟或倒車卸入以防離析。

7)現(xiàn)場作業(yè)人員應(yīng)嚴(yán)格遵守文明施工有關(guān)規(guī)定，佩戴安全帽進(jìn)場。

8 抗拔樁在實(shí)際工程中的應(yīng)用

1)工程概況。

深圳市軌道交通7號(hào)線工程深云站，為地下2層地鐵車站，位于深圳市南山區(qū)龍珠大道與北環(huán)大道交叉口以東。車站采用明挖順筑法施工，全長約376 m，寬約30 m，基坑深約16.8 m，車站頂板覆土為0.9 m～2.5 m，平均覆土約1.7 m。

2)地質(zhì)概況。

場地西端屬臺(tái)地地貌，地面平坦，東端屬丘陵地貌，地形起伏較大，地面高程為35.70 m～42.80 m。所處地層由上至下依次為：

①素填土：灰黃色，可塑，主要成分為黏性土。層厚0.00 m～5.60 m。

②礫質(zhì)黏性土：土體呈褐黃色，硬塑～微堅(jiān)硬，土內(nèi)含較多石英顆粒，由花崗巖風(fēng)化土殘積形成，土質(zhì)比較粗糙，遇水容易崩解。層厚0.00 m～8.40 m。

③全風(fēng)化花崗巖：巖體呈堅(jiān)硬土狀，手捏易散，遇水易崩解。層厚0.00 m～7.70 m，平均厚度2.65 m。

④強(qiáng)風(fēng)化花崗巖：呈碎塊狀，巖體土夾砂礫，浸水可崩解，風(fēng)化裂隙發(fā)育程度較高。最大揭露厚度11.20 m。

⑤中等風(fēng)化花崗巖：中粗粒結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，巖體呈碎塊～塊狀，裂隙發(fā)育。最大揭露厚度9.20 m。

⑥微風(fēng)化花崗巖：巖體為中粗粒結(jié)構(gòu)，呈塊狀構(gòu)造，巖質(zhì)非常堅(jiān)硬，有少量風(fēng)化裂隙。最大揭露厚度21.20 m。

3)水文概況。

根據(jù)深圳市的氣候特征，每年4月～10月為雨季，全年降雨量充沛。地下水徑流方向?yàn)橛杀毕蚰?，排泄途徑主要是蒸發(fā)和徑流。主要補(bǔ)給來源為大氣降水。

本場地地下水類型主要為孔隙水及基巖裂隙水。深云站在詳勘階段測得的穩(wěn)定地下水位埋深1.1 m(地面至使用年限期間全年最高水位的距離)。

4)深云站抗拔樁設(shè)計(jì)。

深云站地質(zhì)情況較差，地下水位較高，頂板覆土偏淺，通過計(jì)算，結(jié)構(gòu)抗浮不滿足要求，設(shè)置擴(kuò)底抗浮樁可以解決車站上浮問題，如圖5所示。

9 結(jié)語

眾多工程實(shí)例顯示，對(duì)于結(jié)構(gòu)頂板覆土偏薄、地下水位較高、地層較差的地下工程，抗浮問題普遍存在，通過研究、設(shè)計(jì)、論證，在地下結(jié)構(gòu)底部合適的部位設(shè)置抗拔樁，能有效阻止結(jié)構(gòu)上浮，具有較好的實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性，具有較高的推廣應(yīng)用價(jià)值。

[1] GB 50157—2013，地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2] JGJ 94—2008，建筑樁基技術(shù)規(guī)范[S].

[3] JGJ 120—2012，建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程[S].

[4] GB 50007—2011，建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[5] 胡香蘭，錢健康，趙華榮.水浮力對(duì)建筑的影響分析[J].浙江建筑,2006(5)：11-14.

[6] 朱陸明，沈永根.預(yù)應(yīng)力管樁在抗拔樁中的應(yīng)用實(shí)錄[J].巖土工程界,2005(8)：31-33.

[7] 李曉忠，張 莉.地下室應(yīng)用抗拔樁抗浮的設(shè)計(jì)[J].遼寧建材,2005(4)：19-20.

The application analysis on uplift pile in underground engineering

Huang Youfa

(RailwayThirdSurveyandDesignInstituteGroupLimitedCompany,Shenzhen518000,China)

This paper introduced the basic concept and pile type of uplift pile, through the analysis on the application scope of uplift pile, elaborated its mechanism and failure types, and researched the method to determine the bearing capacity of uplift pile, summarized the problems should be paid attention to in the design and construction of uplift pile, in order to effectively solve the problems of structure floating.

uplift pile, underground engineering, rising, water level

2015-02-27

黃友發(fā)(1986- )，男，工程師

1009-6825(2015)13-0081-04

TU473

A