錨桿靜壓樁施工時獨立基礎的極限荷載研究

魏 歡，張小平 （南京航空航天大學航空宇航學院土木工程系，江蘇 南京210016）

胡明亮，韓順友 （江蘇省建筑科學研究院有限公司，江蘇南京210008）

既有建筑物地下工程加層施工時，若進行土體開挖，會破壞其下巖土體開挖前的物理特性和力學平衡，并且影響其上部結構和鄰近建筑物。為了保證施工安全以及既有建筑的使用功能不受影響，防止上部結構產生不均勻沉降，必須對既有建筑進行樁基托換。在進行樁基托換時，通常在獨立基礎上進行錨桿靜壓樁施工，所以對其施工時極限荷載的研究顯得尤為重要。為此，筆者對錨桿靜壓樁施工時獨立基礎的極限載荷進行了研究。

1 工程概況

中國工商銀行揚州分行進行地下室擴建工程，即在3層框架結構 （局部4層）輔樓下增加一層地下室。輔樓為獨立基礎，設計強度C30，根據目前現場挖掘情況，部分獨立基礎大小及埋深與原設計圖紙有差別。因為輔樓下施工的空間范圍小，所以采用錨桿靜壓樁施工。

1.1 工程地質

場地勘探深度范圍內所揭示的巖土層依其土質及力學特征至上而下劃分為4層：第1層為該建筑施工回填土，填土時間約13年左右，厚1.4～2.9m；第2層為粉土，稍密-中密狀態，層厚1.5～3.4m，力學強度中等，地基承載力特征值fak＝150kPa，比貫入阻力Ps＝6.42MPa；第3層為粉砂，中密-密實狀態，層厚6.4～10.0m，力學強度較高，fak＝180kPa，Ps＝10MPa；第4層為粘土，最大揭示厚度14.20m，其力學強度高，fak＝350kPa，Ps＝4.94MPa。

1.2 施工概況

根據錨桿靜壓樁施工原理[1]，結合該工程特點及現場實際狀況，采用的主要施工工序如下：-2.2m以上土體開挖——樁位放線——樁位及錨桿位置開孔——種植錨桿——24h后引孔 （引孔至設計樁長的2／3）——壓樁——接樁、封樁——開挖土體至-4.65m。開孔之后的獨立基礎如圖1所示。

圖1 開孔后的獨立基礎

該基礎下有墊層，保護層厚度為40mm，獨立基礎用直徑為10mm的Q235鋼筋每隔140mm進行雙向配筋，其配筋率為0.16%，每個孔周圍都植入8根錨桿，錨桿為45＃鋼，將壓樁產生的反力同時施加在8根錨桿上。錨桿靜壓樁施工時使用千斤頂，利用既有建筑物上部結構的自重作反力，將預制樁壓入土層中。所以在施工時必須控制壓樁力，使其不得大于獨立基礎上部所受荷載。

2 簡化計算

2.1 簡化計算模型

施工過程中千斤頂通過反力架對錨桿施加的拉力主要集中作用在Ⅰ區域（圖1中虛線的上半部分，即為其基礎底面積的一半區域）。由于錨桿靜壓樁是利用獨立基礎上部荷載作為反力將預制樁靜力壓入地基土中，且通過錨桿對引孔獨立基礎施加的是偏心拉力，在拉力趨近于重力的過程中，獨立基礎的一邊上的基底靜壓力將趨于零，計算時將開孔獨立基礎底靜壓力簡化為三角形分布。同時，根據現場獨立基礎受力狀態和破壞形態，在拉力接近重力時，引孔獨立基礎取達到自身所能承受的極限荷載，所以對其即將破壞時的極限平衡狀態進行分析。將空間受力狀態簡化為平面受力狀態并進行理論分析與計算，如圖2所示。

2.2 獨立基礎受力分析

施工時，開孔獨立基礎受到豎向軸心荷載、基底凈壓力和錨桿拉力作用，以此簡化模型，將獨立基礎視為剛體，運用理論力學知識進行受力分析，并根據基礎工程進行引孔獨立基礎沖切破壞和彎曲破壞驗算[2]，求出極限荷載。

豎直方向力的平衡：

式中，F為獨立基礎所受到的上部荷載，kN；G為獨立基礎的自重，kN；P為每根錨桿所受到的拉力，kN；Pemax為最大基底壓力，kPa。

彎矩的平衡：

圖2 簡化計算模型

式中，M梁為獨立基礎上錨桿受拉時輔樓上部框架結構梁提供的反彎矩，kN·m，其值隨著P的增大而增大。

錨桿靜壓樁自身滿足的條件：

2.3 抗沖切計算

圖3所示為基礎底面積2600mm×2600mm的獨立基礎受中心荷載沖切計算圖形，基底沖切錐范圍以外，凈壓力在破壞面上引起的沖切荷載為[2]：

式中，Ae為基礎底面上沖切錐范圍以外的面積（主要為圖3中陰影部分面積的一半），m2；Pe為基底凈壓力，kPa；Fl為基底凈壓力在破壞面上引起的沖切荷載，kN。

圖3 中心荷載沖切計算圖形

沖切破壞面（即基礎板的斜截面）的受剪承載力[V]為：

式中，βh為截面高度影響系數；ft為混凝土軸心抗拉強度設計值，MPa；bp為沖切錐體破壞面上下邊周長的平均值，m；h0為截面的有效高度，m。

據圖3可知，施工時錨桿施加的拉力主要作用在沖切錐范圍以外，即8P主要作用在圖3中右半部分的陰影面積上，取其整體受剪承載力的一半，所以：

根據式（1）和式（6），求得：

根據式（5），求得[V]＝1311.7kN。

2.4 抗彎矩計算

圖4所示為獨立基礎受偏心荷載作用下基礎彎矩計算圖形。根據式（4），將Fl轉化為基底凈壓力Pe，其主要作用在圖4中陰影部分面積上，則：

求得：

沿柱邊緣的截面 Ⅰ-Ⅰ 處彎矩最大，即[2]：

據式（9）和式（10）求得：

據文獻[2]，對受彎構件極限承載力應滿足：

式中，Mu為鋼筋混凝土獨立基礎極限抵抗彎矩；fy為鋼筋抗拉強度設計值，MPa；As為受拉區縱向鋼筋的截面面積，m2。

由于抗彎計算時需滿足基礎所受最大彎矩不大于其本身所能承受的彎矩，即MI≤Mu，所以P≤160kN。

通過抗彎和抗沖切計算，發現獨立基礎的抗沖切能力小于抗彎能力，其首先主要產生沖切破壞。取抗沖切的極限荷載值，則P＝78.4kN，千斤頂施加的壓樁力通過反力架作用在8根錨桿上，即8P＝627.2kN。

圖4 彎矩計算圖

3 數值模擬

3.1 模型概述

根據文獻[3]，進行該工程數值模擬時不考慮鋼筋的應力應變，采用鋼筋混凝土整體式模型，混凝土和錨桿分別采用SOLID65和LINK8單元。土體只受壓不受拉，采用LINK10的單壓特性。根據工程數據，其彈性模量和泊松比見表1。引孔獨立基礎形狀不規則，采用自由網格劃分，模型如圖5所示。

表1 彈性模量和泊松比

3.2 計算結果

根據脆性材料的強度理論[4]，采用最大拉應力理論對混凝土進行分析。圖6所示為獨立基礎破壞時的第1主應力等值線分布圖。從圖6可以看出，混凝土主要沿著柱邊產生應力集中，且在柱角處產生最大應力。受力過程中，基礎主要在獨立基礎角點Z方向上的位移最大，取其與整個過程中施加的荷載作荷載-位移曲線，如圖7所示。從圖7可以看出，到達極限狀態時，位移為25.1556mm，每根錨桿的最大荷載P＝87.0836kN，反力架施加給錨桿的力為8P＝696.7kN。

圖5 土體和鋼筋混凝土模型

圖6 獨立基礎破壞時第1主應力等值線分布圖

圖7 荷載-位移曲線圖

4 結果分析

通過簡化計算、ANSYS數值模擬和現場施工得出的極限荷載如表2所示。從表2可以看出，采用ANSYS數值模擬求出的極限荷載，與現場施工時得到的極限荷載相比，誤差為0.6%；通過簡化計算得到的極限荷載與實際施工得到的極限荷載相比存在10%的誤差，這是由于獨立基礎受力的復雜性造成的，對既有建筑的安全沒有較大影響。總之，采用簡化計算和NSYS數值模擬方法可以對開孔后的獨立基礎在受到在沖切錐范圍以外偏心拉力作用下的施工極限荷載進行初步估計，從而給類似的工程計算提供參考。

表2 極限荷載

[1]葉書麟，葉觀寶.地基處理與托換技術[M].北京：中國建筑工業出版社，2005.

[2]周景星，李廣信，虞石民，等.基礎工程[M].北京：清華大學出版社，2007.

[3]王新敏.ANSYS工程結構數值分析[M].北京：人民交通出版社，2007.

[4]劉鴻文.材料力學[M].北京：高等教育出版社，2007.