姜寶良 孫 豫 王榮彥

(1.華北水利水電大學(xué)，河南鄭州 450000；2.河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)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(xì)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(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生上浮，底板會(huì)被巨大的浮力頂起開(kāi)裂，嚴(yán)重時(shí)整個(gè)結(jié)構(gòu)將被破壞。因此，選擇合理的抗拔措施很有必要。

水泥土支盤(pán)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(jī)理及工程應(yīng)用方面的研究不多[2]，總體來(lái)說(shuō)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(duì)支盤(pán)樁的靜載荷試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，研究了支盤(pán)樁的計(jì)算理論和承載機(jī)理；梁昌俊等[4]通過(guò)有限元軟件進(jìn)行模擬，研究了受壓狀態(tài)下水泥土支盤(pán)樁樁身以及周?chē)馏w的位移變化和應(yīng)力分布情況；唐松濤等[5]通過(guò)模型試驗(yàn)和有限元數(shù)值模擬，研究了擠擴(kuò)支盤(pán)樁的抗壓承載特性和荷載傳遞規(guī)律?？傊?，對(duì)支盤(pán)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(shí)際施工過(guò)程中多以經(jīng)驗(yàn)為主導(dǎo)。因此，為了有效解決地下結(jié)構(gòu)的抗浮問(wèn)題，對(duì)水泥土支盤(pán)樁抗拔機(jī)理及工程應(yīng)用進(jìn)行深入研究有重要的現(xiàn)實(shí)意義。以鄭州東區(qū)某工程為例，分析水泥土支盤(pán)樁的抗拔機(jī)理和抗拔承載力的計(jì)算公式，為更有效地解決地下結(jié)構(gòu)的抗浮問(wèn)題提供依據(jù)。

1 工程中常采用的抗拔措施

國(guó)內(nèi)目前常采用“一壓二拉”、降水等方法進(jìn)行抗浮，“一壓”即配重法，通過(guò)底板增重、頂板覆土的方法來(lái)平衡地下水的上浮力，雖能達(dá)到抗浮效果，但造價(jià)較高，在經(jīng)濟(jì)上不夠合理；“二拉”即通過(guò)設(shè)置抗浮錨桿和抗浮樁來(lái)抗浮[6]。降水是通過(guò)排放地下室底板下巖土體中的地下水來(lái)降低其水位，從而達(dá)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(huì)造成地下室底板開(kāi)裂，導(dǎo)致工程事故發(fā)生。由此可見(jiàn)，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(guò)向錨孔內(nèi)注漿，將錨桿與巖層緊密結(jié)合，由此產(chǎn)生較大的抗浮力來(lái)抵抗建構(gòu)筑物的上拔，經(jīng)濟(jì)環(huán)保，抗拔力高，但不適用于所有地層[8]?？垢吨饕繕渡碜灾睾蛡?cè)摩阻力來(lái)抗浮，材料一般為鋼筋混凝土，造價(jià)較高。

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

2 水泥土支盤(pán)樁抗拔機(jī)理研究

水泥土支盤(pán)樁由主樁體和若干支盤(pán)組成，構(gòu)造見(jiàn)圖1。樁體及支盤(pán)均采用強(qiáng)度為32.5級(jí)的普通硅酸鹽水泥，加筋體采用4根直徑QUOTE 15.2 mm、強(qiáng)度1 860 MPa的鋼絞線錨入基礎(chǔ)梁內(nèi)，并在端部與錨板和擠壓錨連接，通過(guò)一次性鉆頭鉆至設(shè)計(jì)深度[9]。等截面抗拔樁主要靠樁側(cè)摩阻力來(lái)平衡地下水上浮力，抗拔承載力不高[10]，而水泥土支盤(pán)樁的抗拔承載力除了樁側(cè)摩阻力外，還包括支盤(pán)處端阻力、上部倒圓臺(tái)土體的有效自重以及樁體自重等，見(jiàn)圖2。工程實(shí)踐表明，水泥土支盤(pán)樁經(jīng)濟(jì)合理，可以有效解決地下結(jié)構(gòu)的抗浮問(wèn)題[11]。

圖1 水泥土支盤(pán)樁構(gòu)造

圖2 水泥土支盤(pán)樁抗拔模式

在上拔荷載作用下，樁體自始至終承受著拉應(yīng)力，拉應(yīng)力隨著荷載的增加而增大，直至超過(guò)樁身自重。此時(shí)，樁土將會(huì)產(chǎn)生相對(duì)位移，從而發(fā)生偏離。上拔荷載較小時(shí)，抗拔力主要由最下面的支盤(pán)、靠近樁底部直樁段的側(cè)摩阻力，以及樁和土的自重來(lái)承擔(dān)。隨著上拔荷載的增加，樁側(cè)摩阻力先達(dá)到極限，此時(shí)荷載主要由最下面的支盤(pán)來(lái)承擔(dān)，當(dāng)承擔(dān)的荷載達(dá)到極限時(shí)，便由上部的支盤(pán)來(lái)繼續(xù)承擔(dān)[12]。不同支盤(pán)發(fā)揮承載力的時(shí)間節(jié)點(diǎn)不同。在擴(kuò)徑處，水泥土支盤(pán)樁軸力陡升，發(fā)生突變。由此可見(jiàn)，支盤(pán)設(shè)置的位置不同，其軸力分布曲線也不相同[13]，合理設(shè)置支盤(pán)的位置及間距，對(duì)提高樁的抗拔承載力有很大的作用。

3 水泥土支盤(pán)樁抗拔承載力計(jì)算

根據(jù)《加筋水泥土樁錨支護(hù)技術(shù)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(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)。實(shí)際工程中，Nr3遠(yuǎn)大于Nr1及Nr2，所以單樁抗拔極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值取Nr1及Nr2的最小值。

樁錨體與土體的側(cè)摩阻力

加筋體的材料強(qiáng)度

式中:G為樁錨體總重量；d1為支盤(pán)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(zhǎng)度；qsik，qsjk分別為水泥土與第i層、第j層土體的極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值；qpi為第i個(gè)支盤(pán)處土體的極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值；As為加筋體的截面面積；fy為加筋體的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。

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

式中:Pcz為倒圓臺(tái)土體的有效自重；Ps為樁側(cè)摩阻力；Pz為支盤(pán)端阻力；Wc為樁體的有效自重。支盤(pán)樁與擴(kuò)底樁在某種程度上有些類(lèi)似，與直樁相比，支盤(pán)樁增加了倒圓臺(tái)土體的有效自重和支盤(pán)的端阻力，因而抗拔承載力大大提高。

趙明華[15]等對(duì)支盤(pán)樁抗拔承載力的計(jì)算方法和影響樁體抗拔承載力的因素進(jìn)行了研究，在極限狀態(tài)下，由于摩擦力的作用，支盤(pán)周?chē)砻娴目拱纬休d力主要由主樁側(cè)摩阻力、支盤(pán)承載力及樁身自重三部分組成

式中:Qskj為主樁的極限側(cè)阻承載力；Qzpj為支盤(pán)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(pán)阻力乘以計(jì)算系數(shù)得到抗拔盤(pán)阻力，再加上樁自重得到支盤(pán)樁的抗拔承載力

式中:λi為抗壓承載力計(jì)算系數(shù)；li為土層厚度；qsik為第i層土的極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值；η為總盤(pán)端阻力調(diào)整系數(shù)，盤(pán)數(shù)≤2時(shí)取1，≥3時(shí)取0.93；α為抗拔修正系數(shù)，取0～1.0；Ap為支盤(pán)設(shè)計(jì)的截面面積，為支盤(pán)在水平投影面上的面積減去樁身設(shè)計(jì)截面面積；qBik為支盤(pán)樁第i個(gè)盤(pán)的持力土層極限盤(pán)端阻力標(biāo)準(zhǔn)值。在等截面抗壓樁的側(cè)摩阻力乘以一個(gè)系數(shù)λ得到抗拔樁側(cè)摩阻力的基礎(chǔ)上，將抗壓狀態(tài)下支盤(pán)樁的盤(pán)阻力乘以一個(gè)系數(shù)α，得到抗拔盤(pán)阻力。系數(shù)α與支盤(pán)的埋深以及盤(pán)周?chē)馏w的性質(zhì)等因素有關(guān)，但要得到α合理的取值范圍，還需要進(jìn)行大量的試驗(yàn)和計(jì)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(wèn)題，但無(wú)論哪一種計(jì)算方法都不能適用于所有工況。因此，關(guān)于水泥土支盤(pán)樁承載力的計(jì)算仍然是地基處理重要的研究領(lǐng)域之一。故在工程實(shí)踐中，要得到較為準(zhǔn)確的抗拔承載力值，還需進(jìn)行單樁上拔靜載試驗(yàn)[17]。

4 工程應(yīng)用實(shí)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(jié)構(gòu)，地上3層，地下2層(負(fù)二層是地下停車(chē)場(chǎng))，基礎(chǔ)埋深10.0 m，地下水位歷史最高為-1.0 m，樁頂高程為基礎(chǔ)梁底高程，設(shè)計(jì)單樁抗拔承載力特征值為320 kN。為防止巨大的上浮力對(duì)結(jié)構(gòu)造成破壞，經(jīng)與混凝土灌注樁進(jìn)行對(duì)比分析，最終采用水泥土支盤(pán)樁作為抗浮樁。

根據(jù)《巖土工程勘察報(bào)告》，該工程主要地層為上部粉土、下部細(xì)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(jì)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(shí)際工程不夠合理。因此，還是要進(jìn)行單樁上拔靜載試驗(yàn)來(lái)確定抗拔承載力特征值。對(duì)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(jìn)行單樁垂直抗拔靜載試驗(yàn)，試樁樁徑為500 mm，支盤(pán)直徑為1 000 mm，有效樁長(zhǎng)11 m，盤(pán)厚0.5 m，盤(pán)間距3 m，樁身通長(zhǎng)配置4根直徑為15.2 mm、強(qiáng)度為1 860 MPa的鋼絞線。其中第一組試樁設(shè)置兩個(gè)支盤(pán)，第二組設(shè)置四個(gè)支盤(pán)。圖3為水泥土支盤(pán)樁的開(kāi)挖檢驗(yàn)照片。

(1)試樁檢測(cè)結(jié)果

靜載試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

由表1可知，在極限上拔力相同的情況下，Z1-3對(duì)應(yīng)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(jiàn)圖4。

圖3 現(xiàn)場(chǎng)水泥土支盤(pán)樁的開(kāi)挖檢驗(yàn)

表1 單樁靜載試驗(yàn)分析結(jié)果匯總

(2)結(jié)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(pán)樁滿足設(shè)計(jì)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(duì)應(yīng)的上拔位移量較小，表明支盤(pán)數(shù)量在一定程度上會(huì)對(duì)樁體抗拔承載力產(chǎn)生影響。

為充分證明水泥土支盤(pán)樁的優(yōu)勢(shì)，在同場(chǎng)地條件下，對(duì)一組與其樁長(zhǎng)、樁徑相同的混凝土灌注樁進(jìn)行單樁垂直抗拔靜載試驗(yàn)。采用鉆孔灌注樁形式，樁身材料為混凝土，利用鉆機(jī)鉆出樁孔后，在孔中澆筑混凝土成樁。根據(jù)相關(guān)資料，在相同條件下，對(duì)混凝土灌注樁與第一組水泥土支盤(pán)試樁進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性比較，比較結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 混凝土灌注樁與水泥土支盤(pán)樁經(jīng)濟(jì)性比較

由表2可得到以下結(jié)論:

①?gòu)拿棵滋峁┏休d力特征值看，水泥土支盤(pán)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(pán)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(pán)樁每米可節(jié)約造價(jià)23%，承載力提高22%。由此可以看出，采用水泥土支盤(pán)樁既滿足了抗浮的技術(shù)要求，又降低了工程造價(jià)，經(jīng)濟(jì)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(cè)摩阻力較小，所提供的抗拔承載力較支盤(pán)樁低。

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

5 結(jié)束語(yǔ)

(1)針對(duì)水泥土支盤(pán)樁的抗拔承載力計(jì)算問(wèn)題，一些學(xué)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(jì)算方法。但無(wú)論哪一種承載力計(jì)算方法都不能適用于所有工況。因此，關(guān)于承載力的計(jì)算方法仍然是地基處理重要的研究領(lǐng)域之一，仍然需要學(xué)者們不斷研究創(chuàng)新，完善相關(guān)計(jì)算理論。在沒(méi)有研究出統(tǒng)一完善的計(jì)算方法前，在工程施工過(guò)程中，還是要進(jìn)行單樁上拔靜載試驗(yàn)來(lái)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(jié)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(pán)樁具有造價(jià)低、抗拔承載力高、施工速度快等明顯優(yōu)勢(shì)。

(3)從總體上看，水泥土支盤(pán)樁抗拔性能良好。但作為一種新型樁，對(duì)影響樁抗拔性能的因素考慮得還不夠全面，例如支盤(pán)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(huì)對(duì)樁的抗拔性能產(chǎn)生一定的影響，有必要通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)進(jìn)一步探究不同因素對(duì)水泥土支盤(pán)樁抗拔性能的影響，改進(jìn)優(yōu)化樁身結(jié)構(gòu)，以便更有效地解決地下結(jié)構(gòu)的抗浮問(wèn)題。