多支盤加筋水泥土樁抗拔機理研究

余建民，馮翠紅，李 遠

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

隨著我國經濟的高速發展，城市建設規模不斷擴大，地下空間(地下室、地下車庫、地下商場等)的利用已經成為一種趨勢。然而，在地下水高水位地區，因地下水引起地下建筑的破壞事故時有發生，地下建筑物的抗浮問題已經成為工程建設中的一個重要課題［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)層的結合力作為抗浮力，抗浮效果較好，造價較低，但易受地質條件影響。

近年來，鄭州地區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要求，樁體采用水泥土又降低了工程造價，產生了良好的社會效益和經濟效益。本文對多支盤加筋水泥土樁的構造特點和抗拔機理進行了研究。

1 支盤和構造

多支盤加筋水泥土樁有主樁和若干個支盤組成(見圖1)。每樁通常至少設置一個承力盤，如果地質條件許可，也可設置二個以上的承力盤，但工程實踐中發現并不是支盤愈多愈好，最優支盤數與地層情況有關。在工程實踐中，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至設計深度。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大的支盤，要求在標準養護條件下28 d齡期的立方體抗壓強度平均值fcu≥5 MPa。

圖1 構造示意

圖2 抗拔模式示意

2 抗拔工作機理

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

2.1 樁體抗拔力機理研究

多支盤加筋水泥土樁的抗拔承載力主要由樁側摩阻力、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 樁側摩阻力

在穩定的土層中，樁側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度大大增加，樁側摩阻力相應提高。

2.1.2 支盤端阻力

加筋多支盤水泥土樁的抗拔機理與普通的等截面樁不同之處，主要是由于其獨特的構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，在設計深度高壓旋噴注漿形成擴大的支盤，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度等力學指標大大增強。這樣，在樁體受到上拔荷載時，擴大的支盤產生較大側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，應當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，使地基土內產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

加筋體采用預應力鋼絞線，頂部錨入基礎梁內，端部使用錨具固定在錨定板上，通過一次性鉆頭鉆進到樁的端部支盤設計位置。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。而變截面樁在擴徑處軸力傳遞發生突變，著力點不同，突變處也不同。在軸力隨深度變化的曲線上，抗拔曲線在擴徑處表現為軸力陡升。對于多支盤加筋水泥土樁來說，支盤設置的位置不同，其抗拔著力點也不同，相應的分布曲線也不同。因此，設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用不多，有關計算抗拔極限承載力方面的研究較少，設計階段主要根據《加筋水泥土樁錨支護技術規程》(CECS147∶2004)來估算單樁抗拔極限承載力標準值。抗拔力應由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)三者之一確定。在工程實踐和理論計算中，Nr3遠遠大于Nr1及Nr2，所以單樁抗拔極限承載力標準值可由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個擴大支盤頭所在位置土體極限端阻力標準值(kPa);qsik，qsjk為第i層、第j層土體與水泥土的極限側阻力標準值(kPa);G為樁錨體總重量(kN);fy為加筋材料的抗拉強度設計值(kPa);As為加筋材料的截面面積(m2)。

在工程實踐中，多支盤加筋水泥土樁抗拔承載力特征值，應進行試樁并以現場單樁上拔靜載試驗確定。

4 工程應用實例

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，均設計2層地下車庫，基礎埋深地面下約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，樁頂高程為基礎梁底高程，有效樁長為11 m，單樁抗拔承載力特征值420 kN。考慮多支盤加筋水泥土樁的結構特點，以及場地土層的特性和地下車庫的要求，在第⑦層粉質黏土層和第⑨層細砂層分別設置一個支盤，盤距3.0 m，盤厚0.5 m。

本次6根試樁的靜載試驗結果(表1)表明，在試驗條件下測得的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，滿足設計要求的420 kN。

表1 單樁靜載試驗分析結果匯總

以8號樓為例，對兩種施工工藝進行了技術經濟分析比較，對工程量、工期進行統計分析，擠擴支盤樁比普通灌注樁可節省造價33.44萬元，縮短工期12 d。

5 結論

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例不多，但作為一種新型抗浮樁，多支盤的獨特構造，使其不僅增大了樁體與周圍土體的側摩阻力，而且可以利用擴大支盤的端阻力，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。加筋體采用預應力鋼絞線筋體，筋體端部固定在錨定板上，通過一次性鉆頭鉆進到樁的端部支盤設計位置。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，可在多種土質中成樁，可以根據土層實際情況和抗浮力的要求，在樁身不同部位硬土層設置多個支盤，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，在設計、施工規程的制訂，施工質量控制方法，成樁的質量檢測等方面，還有待研究。

［1］李鏡培，孫文杰.地下結構的浮力計算與抗拔樁設計方法研究［J］，結構工程師，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用研究［J］.巖石力學與工程學報，2003，22(4):678-682.

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