关于水泥土加芯抗拔桩理论分析

2020-09-23廖晓忠

中华建设 2020年8期

廖晓忠

水泥土加芯抗拔桩是一种新型的抗拔桩，具备抗拔承载力大，耐久性强的特点。本文首先从理论上对水泥土加芯抗拔桩的受力、破坏形式及计算模型进行分析，最终对水泥土加芯抗拔桩设计过程的承载力、直径、变形的计算进行分析。

一、引言

水泥土加芯抗拔桩是一种新型的抗拔桩，主要由两部分组成：加芯混凝土及钢绞线、水泥土外芯。其施工工艺为，先用旋喷桩或者搅拌桩工艺施工水泥土桩，然后在水泥土的中心成孔并放置钢绞线，浇筑混凝土。水泥土加芯抗拔桩通过混凝土与水泥土，水泥土与土体之间的摩阻力提供整体抗拔力。

二、水泥土加芯抗拔桩受力分析及特点

水泥土加芯抗拔桩与常规混凝土抗拔桩及常规抗浮锚杆最大的区别在于其桩体存在两个粘结面，即混凝土与水泥土粘结面、水泥土与土体粘结面。桩体中心区域的加芯混凝土能够承载较大中心应力，避免因中心应力过大造成桩体破坏，外部水泥土桩体承载应力较小，但直径较大，因此水泥土与土体粘结面同样能够承载较大的抗拔力。同时水泥土加芯抗拔桩为压力型抗拔桩，杆体钢绞线采用无粘结钢绞线，端头力通过钢绞线传递到桩体底端混凝土上，发挥作用时桩体混凝土全部处于受压状态，并不同于一般抗拔桩的受拉状态。但是施工时需要对钢绞线施加预应力以解决因无粘结钢绞线受拉变形造成端头位移过大的问题。

1.用钢绞线作为抗拔桩杆体能够减少材料成本

钢绞线材料承载力大，在同样承载力情况下，采用钢绞线作为抗拔桩杆体比采用钢筋作为杆体能够更经济。

2.混凝土加芯桩体具备更高的强度，能够有效提高桩体整体承载力

如果单纯采用水泥土材料作为桩体，因其强度太低，其与钢绞线共同作用时容易发生破坏，内部钢绞线容易被地下室腐蚀、锈化。

3.外层水泥土桩体能够在尽可能减少成本的情况下增加抗拔桩的整体承载力，同时能够增加桩体的耐久性。

通过混凝土、水泥土、土体的界面过度能够更经济地增加桩体整体承载力，而且外部水泥土能够阻隔地下室对杆体的腐蚀、锈化，提高桩体的耐久性。

三、水泥土加芯抗拔桩破坏形式分析

由于水泥土加芯抗拔桩由中心混凝土桩体、外层水泥土桩体两部分组成，因此其破坏形式主要分为两种情况：

1.混凝土与水泥土界面发生破坏

加芯混凝土强度相对较高，外力作用情况下不易发生破坏，相对于加芯混凝土，混凝土与水泥土界面更容易发生破坏。当外力作用使水泥土的应力超过其强度时，水泥土桩体发生破坏。

2.水泥土与土体交界面发生破坏

外力作用情况下，若土体应力优先于水泥土应力到达临界值，土体发生破坏。

四、水泥土加芯抗拔桩计算模型分析

1.剪切变形法

Cooke（1974）通过伦敦粘土的抗压桩试验，提出了摩擦桩的荷载传递物理模型。此模型也适应于桩在承受上拔荷载时的剪切变形特性。假定在上拔荷载P的作用下，桩土不产生相对滑移，桩土相对位移全部由土体的剪切变形承担。假定桩侧上下土层之间没有相互作用，当桩身受到上拔荷载作用时，桩身向上移动，周围土体也随之发生剪切变形，剪应力τ从桩侧表面沿径向向四周扩散到周围土体中。与此模型相对应的就是下图的“套叠式”桩周土变形模式。

“套叠式”变形模式

单元应力状态

2.荷载传递法

这种方法把桩划分成许多的弹性单元，每一单元与土体之间用非线性弹簧连接，以模拟侧阻的传递关系；桩端处也用非线性弹簧与桩端土连接，以模拟桩端位移与反力的关系。

3.弹性理论法

弹性理论法假设土体是连续的、均匀的、各向同性的、完全弹性的，位移和形变是微小的，无初始应力。具体方法是采用弹性半空间体内部荷载作用下的Mindlin解计算土体位移，并采用桩体位移和土体位移的联系条件建立静力平衡方程式，以此求得桩体位移和桩身应力分布。

以上三种计算模型，剪切变形法更适用于加芯混凝土水泥土抗拔桩的受力及变形计算，加芯混凝土与水泥土桩体可划分为不同的单元用以计算。

五、水泥土加芯抗拔桩设计

1.水泥土加芯抗拔桩承载力设计

通过前述分析可见，决定水泥土加芯抗拔桩承载力的因素主要包括以下几个方面：混凝土强度、水泥土强度、混凝土与水泥土界面摩阻力、水泥土与土体界面摩阻力。要确定水泥土加芯抗拔桩承载力首先就需要确定以上四个基本参数。混凝土强度特性现已较成熟，但是水泥土强度，混凝土与水泥土界面摩阻力，水泥土与土体界面摩阻力都需要采用实验的方法进行确定，因为不同区域土体性质均有所不同。