水泥土支盘桩的抗拔机理及应用研究

姜宝良 孙 豫 王荣彦

(1.华北水利水电大学，河南郑州 450000；2.河南省地质矿产勘查开发局第二地质环境调查院，河南郑州 450053)

郑州市域范围内普遍发育第四系地层，主要由稍 密粉土、可塑粉质黏土及中细砂组成，一般有两层地下水(潜水和承压水)，水位埋深为1～5 m[1]，若抗拔承载力不能满足要求，地下结构会发生上浮，底板会被巨大的浮力顶起开裂，严重时整个结构将被破坏。因此，选择合理的抗拔措施很有必要。

水泥土支盘桩作为一种新型桩，其抗压方面的理论研究较多，但在抗拔机理及工程应用方面的研究不多[2]，总体来说不够成熟。史鸿林等[3]在分支形式及桩身直径不同的条件下，对支盘桩的静载荷试验数据进行分析，研究了支盘桩的计算理论和承载机理；梁昌俊等[4]通过有限元软件进行模拟，研究了受压状态下水泥土支盘桩桩身以及周围土体的位移变化和应力分布情况；唐松涛等[5]通过模型试验和有限元数值模拟，研究了挤扩支盘桩的抗压承载特性和荷载传递规律。总之，对支盘桩的研究大多以抗压为主，在抗拔方面的理论研究不多，在实际施工过程中多以经验为主导。因此，为了有效解决地下结构的抗浮问题，对水泥土支盘桩抗拔机理及工程应用进行深入研究有重要的现实意义。以郑州东区某工程为例，分析水泥土支盘桩的抗拔机理和抗拔承载力的计算公式，为更有效地解决地下结构的抗浮问题提供依据。

1 工程中常采用的抗拔措施

国内目前常采用“一压二拉”、降水等方法进行抗浮，“一压”即配重法，通过底板增重、顶板覆土的方法来平衡地下水的上浮力，虽能达到抗浮效果，但造价较高，在经济上不够合理；“二拉”即通过设置抗浮锚杆和抗浮桩来抗浮[6]。降水是通过排放地下室底板下岩土体中的地下水来降低其水位，从而达到抗浮的目的[7]。而一旦停止降水，水位上升，巨大的上浮力将会造成地下室底板开裂，导致工程事故发生。由此可见，降水抗浮在一定程度上也存在弊端。

抗浮锚杆和抗浮桩是目前工程上使用较为普遍的抗浮方式。抗浮锚杆是通过向锚孔内注浆，将锚杆与岩层紧密结合，由此产生较大的抗浮力来抵抗建构筑物的上拔，经济环保，抗拔力高，但不适用于所有地层[8]。抗浮桩主要靠桩身自重和侧摩阻力来抗浮，材料一般为钢筋混凝土，造价较高。

水泥土支盘桩桩身采用水泥土，首先通过常压注浆形成等截面主桩体，再进行高压喷射注浆形成支盘。与普通混凝土灌注桩相比，其造价低，施工速度快，扩大的支盘能够有效抵抗上部荷载的作用，适用范围较广，经济效益和社会效益显著。

2 水泥土支盘桩抗拔机理研究

水泥土支盘桩由主桩体和若干支盘组成，构造见图1。桩体及支盘均采用强度为32.5级的普通硅酸盐水泥，加筋体采用4根直径QUOTE 15.2 mm、强度1 860 MPa的钢绞线锚入基础梁内，并在端部与锚板和挤压锚连接，通过一次性钻头钻至设计深度[9]。等截面抗拔桩主要靠桩侧摩阻力来平衡地下水上浮力，抗拔承载力不高[10]，而水泥土支盘桩的抗拔承载力除了桩侧摩阻力外，还包括支盘处端阻力、上部倒圆台土体的有效自重以及桩体自重等，见图2。工程实践表明，水泥土支盘桩经济合理，可以有效解决地下结构的抗浮问题[11]。

图1 水泥土支盘桩构造

图2 水泥土支盘桩抗拔模式

在上拔荷载作用下，桩体自始至终承受着拉应力，拉应力随着荷载的增加而增大，直至超过桩身自重。此时，桩土将会产生相对位移，从而发生偏离。上拔荷载较小时，抗拔力主要由最下面的支盘、靠近桩底部直桩段的侧摩阻力，以及桩和土的自重来承担。随着上拔荷载的增加，桩侧摩阻力先达到极限，此时荷载主要由最下面的支盘来承担，当承担的荷载达到极限时，便由上部的支盘来继续承担[12]。不同支盘发挥承载力的时间节点不同。在扩径处，水泥土支盘桩轴力陡升，发生突变。由此可见，支盘设置的位置不同，其轴力分布曲线也不相同[13]，合理设置支盘的位置及间距，对提高桩的抗拔承载力有很大的作用。

3 水泥土支盘桩抗拔承载力计算

根据《加筋水泥土桩锚支护技术规程》(CECS147:2004)，抗拔力由下列三者的最小值确定: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)。实际工程中，Nr3远大于Nr1及Nr2，所以单桩抗拔极限承载力标准值取Nr1及Nr2的最小值。

桩锚体与土体的侧摩阻力

加筋体的材料强度

式中:G为桩锚体总重量；d1为支盘段直径；d为等截面段桩径；li、lj分别为第i层、第j层锚固体的长度；qsik，qsjk分别为水泥土与第i层、第j层土体的极限侧阻力标准值；qpi为第i个支盘处土体的极限端阻力标准值；As为加筋体的截面面积；fy为加筋体的抗拉强度设计值。

水泥土支盘桩在工程中应用还不够普遍，其抗拔承载力计算方面的研究也不多，虽然挤扩支盘桩材料及工艺与水泥土支盘桩有所差异，但可作为参考。钱德玲[14]提出支盘桩的极限抗拔承载力Pu由四部分组成

式中:Pcz为倒圆台土体的有效自重；Ps为桩侧摩阻力；Pz为支盘端阻力；Wc为桩体的有效自重。支盘桩与扩底桩在某种程度上有些类似，与直桩相比，支盘桩增加了倒圆台土体的有效自重和支盘的端阻力，因而抗拔承载力大大提高。

赵明华[15]等对支盘桩抗拔承载力的计算方法和影响桩体抗拔承载力的因素进行了研究，在极限状态下，由于摩擦力的作用，支盘周围表面的抗拔承载力主要由主桩侧摩阻力、支盘承载力及桩身自重三部分组成

式中:Qskj为主桩的极限侧阻承载力；Qzpj为支盘的极限承载力；Wc为桩身自重。

袁希雨[16]等将桩在抗压状态下的支盘阻力乘以计算系数得到抗拔盘阻力，再加上桩自重得到支盘桩的抗拔承载力

式中:λi为抗压承载力计算系数；li为土层厚度；qsik为第i层土的极限侧阻力标准值；η为总盘端阻力调整系数，盘数≤2时取1，≥3时取0.93；α为抗拔修正系数，取0～1.0；Ap为支盘设计的截面面积，为支盘在水平投影面上的面积减去桩身设计截面面积；qBik为支盘桩第i个盘的持力土层极限盘端阻力标准值。在等截面抗压桩的侧摩阻力乘以一个系数λ得到抗拔桩侧摩阻力的基础上，将抗压状态下支盘桩的盘阻力乘以一个系数α，得到抗拔盘阻力。系数α与支盘的埋深以及盘周围土体的性质等因素有关，但要得到α合理的取值范围，还需要进行大量的试验和计算。

上述研究都是抓住某一工况的主要因素，忽略次要因素，能够解决相似工况的承载力问题，但无论哪一种计算方法都不能适用于所有工况。因此，关于水泥土支盘桩承载力的计算仍然是地基处理重要的研究领域之一。故在工程实践中，要得到较为准确的抗拔承载力值，还需进行单桩上拔静载试验[17]。

4 工程应用实例

郑东新区CBD丹尼斯商业步行街位于CBD内外环高层建筑之间，框架结构，地上3层，地下2层(负二层是地下停车场)，基础埋深10.0 m，地下水位历史最高为-1.0 m，桩顶高程为基础梁底高程，设计单桩抗拔承载力特征值为320 kN。为防止巨大的上浮力对结构造成破坏，经与混凝土灌注桩进行对比分析，最终采用水泥土支盘桩作为抗浮桩。

根据《岩土工程勘察报告》，该工程主要地层为上部粉土、下部细砂，其中浅灰色粉土层厚度大，分布稳定，压缩性小，承载力高，宜作为桩端持力层[18]。

利用上述公式计算出的单桩抗拔极限承载力为理论值，考虑的影响因素不够全面，用于实际工程不够合理。因此，还是要进行单桩上拔静载试验来确定抗拔承载力特征值。对郑东新区CBD丹尼斯商业步行街试桩工程中的两组共6根试桩进行单桩垂直抗拔静载试验，试桩桩径为500 mm，支盘直径为1 000 mm，有效桩长11 m，盘厚0.5 m，盘间距3 m，桩身通长配置4根直径为15.2 mm、强度为1 860 MPa的钢绞线。其中第一组试桩设置两个支盘，第二组设置四个支盘。图3为水泥土支盘桩的开挖检验照片。

(1)试桩检测结果

静载试验结果见表1。

由表1可知，在极限上拔力相同的情况下，Z1-3对应的上拔量最大，且小于100 mm，以Z1-3为例，绘制试桩的荷载-沉降曲线，见图4。

图3 现场水泥土支盘桩的开挖检验

表1 单桩静载试验分析结果汇总

(2)结果分析

①第一组试桩抗拔承载力特征值为467 kN，第二组为480 kN，选用水泥土支盘桩满足设计要求(320 kN)。

②6根试桩在最大荷载作用下的上拔位移均在100 mm以下，在钢绞线被拉断之前，荷载-沉降曲线都较为平缓，破坏不具有突发性。

图4 Z1-3试桩荷载-沉降曲线

③与第一组试桩相比，第二组试桩抗拔承载力特征值较大，在相同荷载作用下，对应的上拔位移量较小，表明支盘数量在一定程度上会对桩体抗拔承载力产生影响。

为充分证明水泥土支盘桩的优势，在同场地条件下，对一组与其桩长、桩径相同的混凝土灌注桩进行单桩垂直抗拔静载试验。采用钻孔灌注桩形式，桩身材料为混凝土，利用钻机钻出桩孔后，在孔中浇筑混凝土成桩。根据相关资料，在相同条件下，对混凝土灌注桩与第一组水泥土支盘试桩进行经济性比较，比较结果见表2。

表2 混凝土灌注桩与水泥土支盘桩经济性比较

由表2可得到以下结论:

①从每米提供承载力特征值看，水泥土支盘桩为混凝土灌注桩的1.29倍；从每百元提供承载力特征值看，水泥土支盘桩为混凝土灌注桩的1.67倍。在相同条件下，采用水泥土支盘桩每米可节约造价23%，承载力提高22%。由此可以看出，采用水泥土支盘桩既满足了抗浮的技术要求，又降低了工程造价，经济效益十分明显。

②受施工工艺影响，混凝土灌注桩桩身被泥皮包裹，侧摩阻力较小，所提供的抗拔承载力较支盘桩低。

③从每天打桩工程量来看，施工相同数量的两种桩，水泥土支盘桩施工速度较快，工期可缩短30%。

5 结束语

(1)针对水泥土支盘桩的抗拔承载力计算问题，一些学者依据特定工况(抓住主要影响因素忽略次要因素)提出了不同的计算方法。但无论哪一种承载力计算方法都不能适用于所有工况。因此，关于承载力的计算方法仍然是地基处理重要的研究领域之一，仍然需要学者们不断研究创新，完善相关计算理论。在没有研究出统一完善的计算方法前，在工程施工过程中，还是要进行单桩上拔静载试验来确保施工安全。

(2)郑东新区CBD丹尼斯商业步行街试桩结果表明:在同样的地质条件下，相较于混凝土灌注桩，水泥土支盘桩具有造价低、抗拔承载力高、施工速度快等明显优势。

(3)从总体上看，水泥土支盘桩抗拔性能良好。但作为一种新型桩，对影响桩抗拔性能的因素考虑得还不够全面，例如支盘直径、数量、间距、土层特性、地下水等因素，在一定程度上都会对桩的抗拔性能产生一定的影响，有必要通过室内试验进一步探究不同因素对水泥土支盘桩抗拔性能的影响，改进优化桩身结构，以便更有效地解决地下结构的抗浮问题。