抗拔樁在地下工程中的應用分析

黃 友 發

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司，廣東 深圳 518000)

抗拔樁在地下工程中的應用分析

黃 友 發

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司，廣東 深圳 518000)

介紹了抗拔樁的基本概念及樁型種類，通過分析抗拔樁的應用范圍，闡述了其作用機理與破壞類型，并研究了確定抗拔樁承載力的方法，歸納了抗拔樁在設計和施工中應注意的問題，以有效解決結構上浮的問題。

抗拔樁，地下工程，上浮，水位

隨著近幾年我國一、二線城市地鐵項目的大規模建設，對于地下空間利用率要求越來越高，地鐵車站的功能更多地考慮換乘節點和高大空間的要求，這可能導致地鐵車站整體位置偏淺，頂板覆土偏薄。而我國南方大部分地區降雨量充沛，常年地下水位較高，土層地質情況較差，當地下建筑的自重和覆土重量之和不能平衡地下水浮力作用時，結構上浮問題隨之而來。為解決這一問題，當前最常用的措施是設置抗拔樁。本文從抗拔樁的應用范圍、作用機理、實際工程案例等方面，分析抗拔樁對地下工程抗浮的重要作用。

1 抗拔樁的基本概念

抗拔樁也叫抗浮樁，是指當建筑工程地下結構部分或整體低于周邊土壤水位時，為了抵抗土壤中水對結構產生的上浮力而設置的樁。承受豎向抗拔力的樁稱之為抗拔樁。

2 抗拔樁的樁型種類

隨著工程技術的不斷發展，工程設計者在研究如何抵抗地下建筑上浮方面做了很多試驗和改進，對抗拔樁樁型設計方面有了比較大的突破，總的來說，可以分為如下四類：

1)鉆孔灌注樁。

鉆孔灌注樁是目前為止應用范圍最廣的抗拔樁,在作為抗拔樁使用時主要分為兩種類型：一種是等截面的人工挖孔灌注樁，利用樁身側壁摩阻力和樁的自重來抵抗地下水對結構產生的上浮力。另外一種則是樁底采用擴大頭的挖孔擴底灌注樁，能更好地發揮抗拔承載力，具有效果明顯且用材較少的優點。另外，隨著工程技術的不斷發展，工程上出現了支盤樁等新的樁型，使得鉆孔灌注樁在抗拔領域的應用形式越來越豐富(見圖1)。

2)預應力管樁。

在工程上，高強混凝土預應力管樁常常被用作永久性的承壓樁，它具有造價低、質量好、承載力強、施工方便、施工速度快、養護時間短等眾多優點。如將管樁設置成抗拔樁，能較大程度地降低工程造價。目前，對于管樁是否能作為抗拔樁使用，工程界各方意見不一致，多數認為應該慎用或者干脆不用。這些年來，有部分工程業主極力要求降低工程總造價，已慢慢接受將預應力管樁作為臨時抗拔樁使用(見圖2)。

3)配筋混凝土砌塊抗拔樁。

配筋砌塊結構體應用于地下工程的抗拔將是一個非常新穎的嘗試和創新。由于抗拔樁對于抗壓強度的要求比較低，且砌體結構抗拔樁施工不必使用模板，省去了支模、拆摸的步驟，節省工程材料，所以，它的造價往往比現澆混凝土結構低許多。如果砌塊抗壓強度能滿足施工要求，那么它在工程領域便有較好的立足之地。

4)樹根樁。

樹根樁是采用鉆機在地基中成孔配筋，通過壓力注漿的方式向孔中灌注水泥漿或水泥砂漿，形成小孔徑的鉆孔灌注樁。它能夠在土體內以不同的傾斜角度成孔，形成類似于樹根形狀縱橫交錯的小型樁，常用于地基加固工程、隧道下穿既有建筑物時的樁基托換工程、邊坡加固與穩定、建筑物抗浮等(見圖3)。

3 抗拔樁的應用范圍

基于抗拔樁對于地下工程的重要作用，它廣泛應用于大型地下工程的抗浮、高大建筑物和海上平臺或碼頭的抗拔、懸索橋和斜拉橋的錨樁基礎、靜荷載試樁中的錨樁基礎和大型船塢底板的樁基礎等。工程中設置抗拔樁的情形一般有以下幾種：

1)當地下水位較高時，水浮力對結構作用明顯，上部結構荷重不能平衡地下水浮力時。如地鐵車站、地下車庫、建筑物的地下室等，應根據實際情況設置抗拔樁。

2)當結構基礎承臺偏心受壓時。偏壓基礎一側受壓，一側受拉，偏心彎矩大，假如不提出解決措施，便會造成基礎失穩，此時，應設置抗拔樁來平衡向上的拉拔力。如海上鉆井平臺、輸電塔等構筑物的樁基礎同時受到水平和豎直荷載的反復作用，設置抗拔樁可以解決偏壓問題。

3)其他承受巨大水平荷載的叉樁結構，如橋臺、碼頭、擋土墻的斜樁等。

4 抗拔樁的作用機理及破壞類型

1)作用機理。

簡單地說，抗拔樁的作用機理主要是依靠樁身與土層之間的摩擦力來抵抗豎直向上的拉拔力，使得結構受力趨于平衡，阻止結構上浮，如錨樁、抗浮樁等。

2)破壞類型。

根據樁體的間距和數量，可將抗拔樁的破壞類型分為非整體性破壞和整體性破壞兩類。

非整體性破壞：一般來說，當承臺下樁的數量較少且樁與樁的距離較大的時候，抗拔樁的破壞形式常呈現為非整體性的，稱之為非整體性破壞。

整體性破壞：有時候，樁的數量往往比較多且樁距比較小，樁和土體就被看做成一個整體，該整體會受到一個向上的拉拔力而破壞，稱之為整體性破壞。

3)破壞形式。

抗拔樁的破壞形式通常分為三種，分別為：倒錐臺剪切破壞、復合剪切破壞、沿接觸界面剪切破壞，如圖4所示。

5 確定抗拔樁承載力的方法

以抗拔樁的受力特征為基點，通過研究分析，可以得出一個結論，抗拔樁的破壞機理與摩擦樁是非常類似的。從受力組成方面看，抗拔承載力是由樁側摩阻力和樁體自身的重力疊加而成，方向為豎直向下，其數值的大小與諸多因素有關，比如土層的物理力學性能、樁體材料、樁身尺寸、截面形狀等等。確定抗拔樁的承載力一般有以下幾種方法：

1)現場靜載荷試驗分析法。

抗拔樁的靜載荷試驗分析法是指通過在樁頂逐級施加豎直向上的拉拔力，觀測樁頂部隨時間產生的上拔位移，記錄相關試驗數據，由此確定相應的單樁豎向抗拔承載力的試驗方法。

靜載荷試驗是評價單樁承載力最為直接、準確的方法，但需要增加一定費用，并做好工期安排，在同一條件下的試樁數量，不宜少于總數的1%，并不應少于3根。相關規范規定，當建筑物的地基基礎設計等級為甲類時應采用此方法確定其承載力。

2)經驗公式計算法。

利用經驗公式確定單樁承載力是一種沿用多年的傳統方法，廣泛適用于各種樁型，所用的承載力參數是根據它們與土性指標之間的換算關系再利用當地的靜載試驗資料進行統計分析的基礎上，通過必要的對比分析和調整后得出的。

經驗公式法中的使用參數比較局限，并不適用于一級建筑樁基，對于二、三級建筑樁基，則可按經驗公式所估算的抗壓側阻力值乘以經驗折減系數后作為抗拔側阻力值。

6 抗拔樁在設計中應注意的問題

1)地下水位。

地下水位隨季節的變化而變化，抗浮計算時對現場水位的確定很重要，如取值不當，將直接影響抗浮驗算結果，建議取用建筑物在使用年限內的歷史最高水位進行抗浮驗算。

2)抗拔樁長徑比。

在計算抗拔力時應注意長徑比對計算方法的影響。對于L/d≤5和L/d>5的兩種樁，破壞機理不同，其計算方法也不相同。

3)避免群樁效應。

抗拔樁的抗拔力主要由土層對樁體的摩擦力提供，為充分利用其側摩阻力，在設計時應注意樁與樁之間的凈距，盡量避免出現群樁效應，并嚴格遵守相關規范規定。

4)抗拔樁宜布置于柱、底板梁下面。

設計時應注意抗拔樁的設置部位，一般應設置于柱、底板梁、承臺下面，使結構整體受力更加合理。

5)抗拔樁的配筋驗算。

抗拔樁配筋除了應進行樁身強度驗算外，尚應進行最大裂縫的驗算。其最大裂縫寬度應滿足抗拉構件的相關限值規定。

7 抗拔樁在施工中應注意的事項

目前在實際工程中應用的抗拔樁多為人工挖孔樁，故僅以人工挖孔灌注樁為對象，闡述抗拔樁在施工時應注意的事項，如下所述：

1)挖孔作業的時候，從孔內運至地面的土石堆放位置應滿足相應的規定，土石堆放點與孔口邊緣的距離不應小于1 m，堆放高度不應超過1 m，并及時運走，嚴禁長期堆放。

2)在施工過程中應及時進行護壁，直至孔底。當開挖深度較大，不能排除是否存在危險氣體時，在每次動工前尚應進行有毒氣體的檢測。

3)每天挖孔工作開始之前，應進行“兩排”，分別是排水和排氣。施工人員在作業前，應將孔內的積水抽干，并用鼓風機等設備排除孔內混濁空氣后方準下人。

4)挖孔過程中應進行孔徑尺寸、平面位置、垂直度、圓滑度等參數的檢查，保證準確無誤，使孔壁受力均衡，避免引起塌方。

5)終孔后應立即清除孔底殘渣、雜物和積水，并馬上澆筑封底混凝土。

6)灌注樁身混凝土時，混凝土必須通過漏槽或串筒，在離灌注面2 m以內下落，不得在孔口拋鏟或倒車卸入以防離析。

7)現場作業人員應嚴格遵守文明施工有關規定，佩戴安全帽進場。

8 抗拔樁在實際工程中的應用

1)工程概況。

深圳市軌道交通7號線工程深云站，為地下2層地鐵車站，位于深圳市南山區龍珠大道與北環大道交叉口以東。車站采用明挖順筑法施工，全長約376 m，寬約30 m，基坑深約16.8 m，車站頂板覆土為0.9 m～2.5 m，平均覆土約1.7 m。

2)地質概況。

場地西端屬臺地地貌，地面平坦，東端屬丘陵地貌，地形起伏較大，地面高程為35.70 m～42.80 m。所處地層由上至下依次為：

①素填土：灰黃色，可塑，主要成分為黏性土。層厚0.00 m～5.60 m。

②礫質黏性土：土體呈褐黃色，硬塑～微堅硬，土內含較多石英顆粒，由花崗巖風化土殘積形成，土質比較粗糙，遇水容易崩解。層厚0.00 m～8.40 m。

③全風化花崗巖：巖體呈堅硬土狀，手捏易散，遇水易崩解。層厚0.00 m～7.70 m，平均厚度2.65 m。

④強風化花崗巖：呈碎塊狀，巖體土夾砂礫，浸水可崩解，風化裂隙發育程度較高。最大揭露厚度11.20 m。

⑤中等風化花崗巖：中粗粒結構，塊狀構造，巖體呈碎塊～塊狀，裂隙發育。最大揭露厚度9.20 m。

⑥微風化花崗巖：巖體為中粗粒結構，呈塊狀構造，巖質非常堅硬，有少量風化裂隙。最大揭露厚度21.20 m。

3)水文概況。

根據深圳市的氣候特征，每年4月～10月為雨季，全年降雨量充沛。地下水徑流方向為由北向南，排泄途徑主要是蒸發和徑流。主要補給來源為大氣降水。

本場地地下水類型主要為孔隙水及基巖裂隙水。深云站在詳勘階段測得的穩定地下水位埋深1.1 m(地面至使用年限期間全年最高水位的距離)。

4)深云站抗拔樁設計。

深云站地質情況較差，地下水位較高，頂板覆土偏淺，通過計算，結構抗浮不滿足要求，設置擴底抗浮樁可以解決車站上浮問題，如圖5所示。

9 結語

眾多工程實例顯示，對于結構頂板覆土偏薄、地下水位較高、地層較差的地下工程，抗浮問題普遍存在，通過研究、設計、論證，在地下結構底部合適的部位設置抗拔樁，能有效阻止結構上浮，具有較好的實用性和經濟性，具有較高的推廣應用價值。

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[7] 李曉忠，張 莉.地下室應用抗拔樁抗浮的設計[J].遼寧建材,2005(4)：19-20.

The application analysis on uplift pile in underground engineering

Huang Youfa

(RailwayThirdSurveyandDesignInstituteGroupLimitedCompany,Shenzhen518000,China)

This paper introduced the basic concept and pile type of uplift pile, through the analysis on the application scope of uplift pile, elaborated its mechanism and failure types, and researched the method to determine the bearing capacity of uplift pile, summarized the problems should be paid attention to in the design and construction of uplift pile, in order to effectively solve the problems of structure floating.

uplift pile, underground engineering, rising, water level

2015-02-27

黃友發(1986- )，男，工程師

1009-6825(2015)13-0081-04

TU473

A