多支盘加筋水泥土桩抗拔机理研究

余建民，冯翠红，李 远

(1.北京科技大学 土木与环境学院，北京 100083;2.华北水利水电学院 资源与环境学院，郑州 450011)

随着我国经济的高速发展，城市建设规模不断扩大，地下空间(地下室、地下车库、地下商场等)的利用已经成为一种趋势。然而，在地下水高水位地区，因地下水引起地下建筑的破坏事故时有发生，地下建筑物的抗浮问题已经成为工程建设中的一个重要课题［1］。为了防止地下建筑的上浮破坏，工程中的抗浮措施通常采用抗浮桩和抗浮锚杆。抗浮桩利用桩的自重和桩的侧摩阻力来抗浮，材料采用钢筋混凝土，造价较高;抗浮锚杆利用锚杆与砂浆组成的锚固体与岩(土)层的结合力作为抗浮力，抗浮效果较好，造价较低，但易受地质条件影响。

近年来，郑州地区采用多支盘加筋水泥土桩作为抗浮桩，既满足了抗浮的技术要求，桩体采用水泥土又降低了工程造价，产生了良好的社会效益和经济效益。本文对多支盘加筋水泥土桩的构造特点和抗拔机理进行了研究。

1 支盘和构造

多支盘加筋水泥土桩有主桩和若干个支盘组成(见图1)。每桩通常至少设置一个承力盘，如果地质条件许可，也可设置二个以上的承力盘，但工程实践中发现并不是支盘愈多愈好，最优支盘数与地层情况有关。在工程实践中，多支盘加筋水泥土桩直径通常采用 φ500 mm，支盘直径 φ 1 000 mm，盘厚 500 mm，盘间距 3.0～5.0 m。筋体通常采用 4根 φ15.2 mm 1 860钢绞线，端部锚定板与挤压锚连接，使用一次性钻头钻进至设计深度。主桩体和多支盘水泥浆液采用32.5级普通硅酸盐水泥，常压注浆形成等截面主桩，高压喷射注浆形成扩大的支盘，要求在标准养护条件下28 d龄期的立方体抗压强度平均值fcu≥5 MPa。

图1 构造示意

图2 抗拔模式示意

2 抗拔工作机理

加筋多支盘水泥土桩是将旋喷法与深层搅拌法相结合，采用水泥等固化剂通过高压注浆加机械深层搅拌，使水泥浆液与地基土拌合形成既有常规断面又有扩大断面多支盘的水泥土柱体，钻进同时将钢绞线及锚头结构件带入设计深度，钢绞线锚入基础梁内，用桩的自重和桩侧阻力及扩大支盘的端阻力来抗浮。

2.1 桩体抗拔力机理研究

多支盘加筋水泥土桩的抗拔承载力主要由桩侧摩阻力、支盘端阻力、桩体自重以及倒圆台土体的有效自重组成(图2所示)。

2.1.1 桩侧摩阻力

在稳定的土层中，桩侧摩阻力是组成抗拔力不可缺少的部分。施工过程中，高压水泥浆液渗透作用使桩周土体抗剪强度大大增加，桩侧摩阻力相应提高。

2.1.2 支盘端阻力

加筋多支盘水泥土桩的抗拔机理与普通的等截面桩不同之处，主要是由于其独特的构造和施工方法所决定的。加筋多支盘水泥土桩在施工过程，常压注浆形成等截面的桩体，在设计深度高压旋喷注浆形成扩大的支盘，支盘四周土体受到高压水泥浆液的渗透，使土体压缩模量和抗剪强度等力学指标大大增强。这样，在桩体受到上拔荷载时，扩大的支盘产生较大侧摩阻力和等截面桩没有的端阻力。

2.1.3 桩体自重

由于多支盘加筋水泥土桩桩体通常直径较大，应当考虑桩体自重对抗拔力的作用。

2.1.4 倒圆台土体的有效自重

多支盘加筋水泥土桩在上拔时，最上面的支盘处也会出现一个从支盘边缘以一定的弧线向地面延伸的滑动面，使地基土内产生倒圆锥形的剪切面，倒圆锥形土体的有效自重，也是大幅提高多支盘加筋水泥土桩抗拔承载力的原因之一［2］。

2.2 筋体和锚定板的作用

加筋体采用预应力钢绞线，顶部锚入基础梁内，端部使用锚具固定在锚定板上，通过一次性钻头钻进到桩的端部支盘设计位置。筋体端部的锚定板垂直于水泥土桩体，筋体除了有水泥土的握裹力外，还增加了锚定板端部与桩体的端阻力，有效地增大了锚固力。

2.3 上拔荷载传递机理

在荷载传递上，等截面桩的抗拔轴力分布曲线类似于抗压轴力分布曲线，即轴力随着深度的增加而减小。而变截面桩在扩径处轴力传递发生突变，着力点不同，突变处也不同。在轴力随深度变化的曲线上，抗拔曲线在扩径处表现为轴力陡升。对于多支盘加筋水泥土桩来说，支盘设置的位置不同，其抗拔着力点也不同，相应的分布曲线也不同。因此，设计合理的支盘位置和支盘间距，将会有效地提高抗拔承载力。

3 抗拔承载力计算

目前，由于多支盘加筋水泥土桩用于抗拔桩工程应用不多，有关计算抗拔极限承载力方面的研究较少，设计阶段主要根据《加筋水泥土桩锚支护技术规程》(CECS147∶2004)来估算单桩抗拔极限承载力标准值。抗拔力应由桩锚体与土体的侧摩阻力(Nr1)、加筋体的材料强度(Nr2)、筋体与水泥土握裹力加锚定板的端阻力(Nr3)三者之一确定。在工程实践和理论计算中，Nr3远远大于Nr1及Nr2，所以单桩抗拔极限承载力标准值可由Nr1及Nr2的最小值确定，公式如下［3］

式中，d1，d为支盘直径、等截面桩直径(m);li，lj为第 i层、第j层锚固体的长度(m);qpi为第 i个扩大支盘头所在位置土体极限端阻力标准值(kPa);qsik，qsjk为第i层、第j层土体与水泥土的极限侧阻力标准值(kPa);G为桩锚体总重量(kN);fy为加筋材料的抗拉强度设计值(kPa);As为加筋材料的截面面积(m2)。

在工程实践中，多支盘加筋水泥土桩抗拔承载力特征值，应进行试桩并以现场单桩上拔静载试验确定。

4 工程应用实例

金成时代广场一期工程，位于郑州市黄河路和中州大道(原107国道)交叉口立交桥的西北角，地上为高层商住楼，均设计2层地下车库，基础埋深地面下约11.0 m，地下水位按历史最高水位-1.0 m考虑。为了抵抗地下水的浮力作用，采用多支盘加筋水泥土桩作为抗浮桩，加筋水泥土桩桩身直径 φ500 mm，支盘直径φ 1 000 mm，桩顶高程为基础梁底高程，有效桩长为11 m，单桩抗拔承载力特征值420 kN。考虑多支盘加筋水泥土桩的结构特点，以及场地土层的特性和地下车库的要求，在第⑦层粉质黏土层和第⑨层细砂层分别设置一个支盘，盘距3.0 m，盘厚0.5 m。

本次6根试桩的静载试验结果(表1)表明，在试验条件下测得的2组(每组3根)试桩竖向抗拔承载力特征值分别为:第1组467 kN，第2组480 kN，满足设计要求的420 kN。

表1 单桩静载试验分析结果汇总

以8号楼为例，对两种施工工艺进行了技术经济分析比较，对工程量、工期进行统计分析，挤扩支盘桩比普通灌注桩可节省造价33.44万元，缩短工期12 d。

5 结论

1)多支盘加筋水泥土桩作为抗拔桩用于地下建筑的工程实例不多，但作为一种新型抗浮桩，多支盘的独特构造，使其不仅增大了桩体与周围土体的侧摩阻力，而且可以利用扩大支盘的端阻力，有效地提高了桩的抗拔承载力。

2)桩体采用水泥浆液与原状土旋喷搅拌成水泥土，与混凝土相比造价大大降低。加筋体采用预应力钢绞线筋体，筋体端部固定在锚定板上，通过一次性钻头钻进到桩的端部支盘设计位置。筋体端部的锚定板垂直于水泥土桩体，筋体除了有水泥土的握裹力外，当桩体承受上拔力时还存在锚定板端部与桩体的端阻力，有效地增大了锚固力。

3)多支盘加筋水泥土桩适用范围广，可在多种土质中成桩，可以根据土层实际情况和抗浮力的要求，在桩身不同部位硬土层设置多个支盘，提高桩体的抗拔承载力。

4)多支盘加筋水泥土桩作为新型的抗拔桩，在设计、施工规程的制订，施工质量控制方法，成桩的质量检测等方面，还有待研究。

［1］李镜培，孙文杰.地下结构的浮力计算与抗拔桩设计方法研究［J］，结构工程师，2007，23(2):80-84.

［2］钱德玲.具有高抗拔性能的支盘桩在工程中的应用研究［J］.岩石力学与工程学报，2003，22(4):678-682.

［3］北京交通大学隧道与岩土工程研究所.(CECS147∶2004)加筋水泥土桩锚支护技术规程［S］.北京:中国计划出版社，2004.