应用植筋锚固技术进行基桩静载试验的可行性研究

徐 燕，张静娴，何 晶，刁 钰

（1. 天津市建筑科学研究院有限公司，天津 300000；2. 天津大学 土木系，天津 300072）

1 引 言

近些年来城市建设飞速发展，建筑工程中遇到越来越多的建筑改扩建、建筑用途的改变或建筑结构的改变，需要在原有老基础内或地下室底板上进行桩基承载力检测。还有某些工程，如超深大基坑、拦水大坝、山梁工程或嵌岩桩等，要求在特殊场地进行基桩静载试验。这些工程由于场地及工作条件有所限制，无法进行常规基桩静载试验。本文提出一种新方法——植筋锚固技术来解决上述问题，即将高强螺纹钢筋植入建筑物底板（或岩石）中，并将钢筋与反力梁锚固连接作为锚拉反力装置，在基桩静载试验过程中，由主体结构（或岩体）-锚筋-横梁装置来提供反力。

目前国内对于基桩静载试验反力装置已有研究，如采用桩底锚杆提供反力的基桩自锚静载研究[1－3]，采用螺旋地锚作为反力装置的抗拔静载试验研究[4]，采用预应力锚索作为反力装置的静载研究[5]等，但是，植筋锚固技术尚未有在静载试验中应用的实例。实际上，植筋锚固技术已在大量的既有建筑和新建房屋结构加固补强处理中得到广泛的应用和发展，国内外对植筋法的设计理论、破坏形态、施工方法和施工质量都进行了研究[6－10]。笔者等将植筋锚固技术用于基桩静载试验，探索一种新型的静载试验反力装置。

以天津市内某工程为例，通过理论计算和有限元分析，对植筋锚固技术应用在基桩静载试验中进行研究，并通过现场试验得到验证，同时在现场试验的基础上，对植入钢筋的受力机制做了进一步的研究。

2 工程概况与试验方案

2.1 工程概况

本次试验对象为高层建筑桩基础，其主体结构15年前已施工完成，且已有3层地下室。由于种种原因，现需在负3层底板上进行基桩静载试验。工程桩采用钻孔灌注桩，桩型为φ800 mm ×48.5 m，设计单桩竖向抗压极限承载力为8400 kN。基础底板厚1.5～2.0 m，采用C45混凝土，底板配筋采用HRB400钢筋，直径为32 mm，间距为200 mm，网状布置。底板以下场地各土层分布及主要物理力学指标见表1。

由于本工程具有特殊性，基桩静载试验受现场场地条件、施工机械作业条件、工程造价等多种因素的影响，具有一定的难度，本次对堆载式、锚桩横梁式等多种基桩静载试验方法的可行性进行了对比。由于条件限制，采用传统的堆载法、锚桩反力梁法进行试验都不可行，最终采用植筋锚固技术来进行基桩静载试验。即将钢筋植入建筑物底板，由底板等构件（各层地下室楼板、梁、柱）的自重以及与底板连接的工程桩（桩自重及摩阻力）来提供反力，并将植筋-锚筋-反力梁锚固连接作为锚拉反力装置来进行静载试验。本次试验拟定植筋轴向受拉承载力设计值为12000 kN。

表1 各土层主要物理力学指标Table1 Primary physico-mechanical indices of soil layers

2.2 植筋布置方案设计

基桩静载试验设计植筋受拉承载力为12000 kN，植入钢筋选用φ25 mm高强螺纹钢筋（级别：JL540，屈服强度大于等于 540 MPa，抗拉强度大于等于835 MPa）。根据《混凝土结构加固设计规范》等规范[11-13]，单根植筋锚固的承载力设计值应符合下列规定：

表2 植筋布置计算值Table2 Calculated values of planting reinforcing bar arrangement

3 有限元分析

3.1 有限元模型的建立

理论计算仅能使植筋布置在强度方面满足基桩静载试验的要求，缺乏对底板及植筋应力应变的精确计算。为了分析植筋反力装置在实际应用时对建筑物现有结构的影响，本文通过有限元方法模拟了植筋法反力装置的工作状态[14-17]，参数如下。

（1）模型参数

模型主要由底板、主梁、次梁、植筋组成。底板内上下设钢筋网，植筋间设连梁。考虑到植筋的影响范围，选取试桩点周围15 m×15 m的区域进行计算，主要进行底板抗弯验算和植筋内力验算。由于模型为工作极限状态以下，故主梁、次梁及底板均采用线弹性模型进行模拟。为了考察植筋应力的离散性和受力不均匀程度，并得到应力最大值，植筋采用线弹性模型，以便为工程提供参考。

主梁和次梁皆为Q345（16 Mn）钢箱形截面梁，截面尺寸分别为600 mm×1100 mm×6.5 m和400 mm×800 mm×5.0 m，弹性模量取200 GPa，泊松比取0.15。底板主体材料 C45混凝土，重度为 25 kN/m3，厚1.5 m，计算范围为15 m×15 m，弹性模量取33.5 GPa，泊松比取0.20。植筋屈服强度为 400 N/mm2，弹性模量取200 GPa，泊松比取0.15。连梁为钢材，弹性模量取200 GPa，泊松比取0.15。

植筋反力装置在工作中的荷载传递为：千斤顶、钢梁、植筋、底板及其相连构件。模拟时，按不利情况分析，不考虑底板下原有工程桩的抗拔作用，设置工程桩与底板为刚性连接。由于工作中荷载主要作用于底板混凝土，故不考虑土层分布。

（2）边界条件

模型中约束底板四个侧边界的各方向位移，即按嵌固边界处理。主梁、次梁、连梁和植筋相互连接处位移相同，即按刚接处理。植筋锚固段与底板连接采用刚接处理，不考虑二者之间的滑移。考虑底板作用重力，忽略梁和植筋构成的加载系统的重量，该假设对控制底板变形不利。荷载以均布力考虑。

3.2 计算结果

图2为有限元计算得到的底板各单元最大拉应力分布。由图可见，试验过程中，靠近试桩点中心区域的底板最先受力，最大拉应力为1.47 MPa。距离中心点越远，拉应力越小，且应力分布基本呈对称分布，对称轴为过板中心与主梁平行和垂直的两条直线。由于底板为C45混凝土，最大抗拉强度设计值为1.80 MPa。试验过程中底板满足抗拉要求。

图3为计算得到的底板变形分布图，图4为沿着路径a、b、c三个方向底板变形图。由图4可见，3个路径的变形曲线基本重合。底板的最大上升值为1.22 mm，位置为中心点（实际中应为贴近试桩最近的底板边缘），距离中心点越远，则抬升量越小，且以中心为圆心呈放射状减小。此外，图4还标出了 3组试桩中，距试桩中心最近的原工程桩（桩 1～3）位置处的底板上升量。由图中可见，3根桩桩顶处底板上升量均在1 mm以下。上述分析表明，按照植筋布置方案来进行试验，对底板变形影响不大。

图3 底板变形图（单位：m）Fig.3 Deformation diagram of baseplate(unit:m)

图4 不同路径底板变形图Fig.4 Deformation diagram of baseplate of different paths

植筋应力分布同样沿与主梁平行和垂直的两条直线对称分布，图5为钢筋应力分布图。从图中可见，靠近试桩点中心区域的钢筋最先受力，应力最大值为513 MPa。随着离中心点距离的增大，钢筋应力逐渐减小，靠近对称轴的钢筋拉力较大，远离对称轴的钢筋拉力较小，且最大值已超过植筋的抗拉强度设计值。

图5 钢筋应力分布图Fig.5 Distribution diagram of reinforced steel bar stress

4 试验过程及结果分析

4.1 试验过程

根据有限元分析，靠近对称轴的植筋先受力，且对称轴附近的钢筋出现应力超出屈服强度的的情况，而远离对称轴的钢筋强度尚未完全发挥。因此，采用锚筋与次梁连接时松紧不一的方式来调节植筋受力。即将远离对称轴的外围钢筋调紧，靠近对称轴的钢筋调松。

图6为基桩静载试验示意图。试验前，进行了植筋现场拉拔试验。结果表明，植入深度为700 mm时，单根钢筋植入底板混凝土的黏结抗拉强度不小于400 MPa。

图6 基桩静载试验装置示意图Fig.6 Device sketch of static load test

试验过程中，按照图3中路径a、b、c布置了监测点，对底板变形进行了监测。每条路径设置 3个监测点，分别距中心点为0.4（试桩边缘）、3.5、7 m，并将图1中编号1-7的锚筋侧面贴应变片，随时监测钢筋应力变化情况。

4.2 试验结果及分析

图7为现场基桩静载试验的荷载位移曲线。S1、S2桩为原有基础桩，S3桩为新打入桩。3根桩皆在相同条件下进行试验。由图可见，S1、S2桩曲线基本为直线，位移较小，而新桩S3桩曲线较陡，沉降速率和沉降量都较大，这是由于老基础桩周围土体已沉降固结，其桩侧土阻力远大于新桩，使桩承载能力提高。3根桩试验过程正常，表明主体结构-锚筋-横梁装置能作为反力装置，应用植筋锚固技术进行基桩静载试验是可行的。

图7 基桩静载试验荷载-位移曲线Fig.7 Load-displacement curves of static load test

图8为基桩静载试验的不同路径底板变形图。由图可见，现场试验所得的底板变形趋势与有限元分析基本一致。3条路径的底板变形曲线基本重合，试桩边缘的底板抬升值最大，为0.83 mm。随着距离试桩边缘渐远，底板抬升值逐渐减小，在距中心点7 m时，底板抬升值基本为0。与有限元计算相比，实际试验中得到的变形较小。这表明，除底板外，与底板相连的其他构件也承担了部分荷载，且预先调节钢筋松紧程度减小了底板中心区域拉应力，从而使底板变形减小。

图8 基桩静载试验不同路径底板变形图Fig.8 Deformation curves of baseplate of different stress paths of static load test

图 9为基桩静载试验过程中的植筋应力变化图。由图可见，随着荷载的增加，植筋应力逐渐增大。加载的初期阶段，由于钢筋的松紧程度不一，植筋受力不均，故植筋应力离散性较大；加载至中后期，植筋受力重新分配，各植筋应力离散性逐渐减小，受力较均匀；加载至末期时，由于植筋的锚固力不相同，植筋应力离散性又出现逐渐增大的趋势，此时植筋应力最大值为 299 MPa，最小值为284 MPa。图10为植筋应力变异系数随荷载变化曲线。由图可见，变异系数最大值为 12.4%，最小值仅为2.2%，表明植筋应力的离散性相对较小，可以认为植筋受力整体上是均匀的。与有限元计算相比，加载至末期时，内侧钢筋应力值小于计算值，外侧钢筋大于计算值。这表明，预先调紧外侧钢筋能使外侧钢筋强度利用程度提高，从而减少内侧钢筋的应力，使试验过程中各钢筋受力整体上较均匀，避免了单根钢筋受力过大而断裂。

图9 基桩静载试验植筋应力变化图Fig.9 Variation curves of reinforcing steel bar stress of static load test

图10 植筋应力变异系数变化图Fig.10 Variation curves of coefficient of variation of the reinforcing steel bar stress

5 结 论

（1）按照理论计算进行植筋布置，能满足原有底板的强度和变形要求，且原有工程桩变形亦在允许范围内，保证试验对原有建筑物是安全的。主体结构-锚筋-横梁装置能作为反力装置，应用植筋锚固技术进行基桩静载试验是可行的。

（2）试验过程中，试桩边缘的底板抬升值最大，距离试桩边缘越远，抬升值越小。试验对底板的变形影响范围为距中心点7 m的区域。试验前，预先调紧外侧钢筋，可使试验过程中植筋受力均匀，有利于减少底板变形，并避免了单根钢筋受力过大的问题，防止了某根植筋抗拉强度过大而植筋断裂的情况。

（3）应用植筋锚固技术进行基桩静载试验，具有试验方法简便、安全和经济的优点，是普通基桩静载试验的补充，作为一种新的反力装置，可作为特殊条件下的选择。

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