黄 友 发

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，广东 深圳 518000)

抗拔桩在地下工程中的应用分析

黄 友 发

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，广东 深圳 518000)

介绍了抗拔桩的基本概念及桩型种类，通过分析抗拔桩的应用范围，阐述了其作用机理与破坏类型，并研究了确定抗拔桩承载力的方法，归纳了抗拔桩在设计和施工中应注意的问题，以有效解决结构上浮的问题。

抗拔桩，地下工程，上浮，水位

随着近几年我国一、二线城市地铁项目的大规模建设，对于地下空间利用率要求越来越高，地铁车站的功能更多地考虑换乘节点和高大空间的要求，这可能导致地铁车站整体位置偏浅，顶板覆土偏薄。而我国南方大部分地区降雨量充沛，常年地下水位较高，土层地质情况较差，当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时，结构上浮问题随之而来。为解决这一问题，当前最常用的措施是设置抗拔桩。本文从抗拔桩的应用范围、作用机理、实际工程案例等方面，分析抗拔桩对地下工程抗浮的重要作用。

1 抗拔桩的基本概念

抗拔桩也叫抗浮桩，是指当建筑工程地下结构部分或整体低于周边土壤水位时，为了抵抗土壤中水对结构产生的上浮力而设置的桩。承受竖向抗拔力的桩称之为抗拔桩。

2 抗拔桩的桩型种类

随着工程技术的不断发展，工程设计者在研究如何抵抗地下建筑上浮方面做了很多试验和改进，对抗拔桩桩型设计方面有了比较大的突破，总的来说，可以分为如下四类：

1)钻孔灌注桩。

钻孔灌注桩是目前为止应用范围最广的抗拔桩,在作为抗拔桩使用时主要分为两种类型：一种是等截面的人工挖孔灌注桩，利用桩身侧壁摩阻力和桩的自重来抵抗地下水对结构产生的上浮力。另外一种则是桩底采用扩大头的挖孔扩底灌注桩，能更好地发挥抗拔承载力，具有效果明显且用材较少的优点。另外，随着工程技术的不断发展，工程上出现了支盘桩等新的桩型，使得钻孔灌注桩在抗拔领域的应用形式越来越丰富(见图1)。

2)预应力管桩。

在工程上，高强混凝土预应力管桩常常被用作永久性的承压桩，它具有造价低、质量好、承载力强、施工方便、施工速度快、养护时间短等众多优点。如将管桩设置成抗拔桩，能较大程度地降低工程造价。目前，对于管桩是否能作为抗拔桩使用，工程界各方意见不一致，多数认为应该慎用或者干脆不用。这些年来，有部分工程业主极力要求降低工程总造价，已慢慢接受将预应力管桩作为临时抗拔桩使用(见图2)。

3)配筋混凝土砌块抗拔桩。

配筋砌块结构体应用于地下工程的抗拔将是一个非常新颖的尝试和创新。由于抗拔桩对于抗压强度的要求比较低，且砌体结构抗拔桩施工不必使用模板，省去了支模、拆摸的步骤，节省工程材料，所以，它的造价往往比现浇混凝土结构低许多。如果砌块抗压强度能满足施工要求，那么它在工程领域便有较好的立足之地。

4)树根桩。

树根桩是采用钻机在地基中成孔配筋，通过压力注浆的方式向孔中灌注水泥浆或水泥砂浆，形成小孔径的钻孔灌注桩。它能够在土体内以不同的倾斜角度成孔，形成类似于树根形状纵横交错的小型桩，常用于地基加固工程、隧道下穿既有建筑物时的桩基托换工程、边坡加固与稳定、建筑物抗浮等(见图3)。

3 抗拔桩的应用范围

基于抗拔桩对于地下工程的重要作用，它广泛应用于大型地下工程的抗浮、高大建筑物和海上平台或码头的抗拔、悬索桥和斜拉桥的锚桩基础、静荷载试桩中的锚桩基础和大型船坞底板的桩基础等。工程中设置抗拔桩的情形一般有以下几种：

1)当地下水位较高时，水浮力对结构作用明显，上部结构荷重不能平衡地下水浮力时。如地铁车站、地下车库、建筑物的地下室等，应根据实际情况设置抗拔桩。

2)当结构基础承台偏心受压时。偏压基础一侧受压，一侧受拉，偏心弯矩大，假如不提出解决措施，便会造成基础失稳，此时，应设置抗拔桩来平衡向上的拉拔力。如海上钻井平台、输电塔等构筑物的桩基础同时受到水平和竖直荷载的反复作用，设置抗拔桩可以解决偏压问题。

3)其他承受巨大水平荷载的叉桩结构，如桥台、码头、挡土墙的斜桩等。

4 抗拔桩的作用机理及破坏类型

1)作用机理。

简单地说，抗拔桩的作用机理主要是依靠桩身与土层之间的摩擦力来抵抗竖直向上的拉拔力，使得结构受力趋于平衡，阻止结构上浮，如锚桩、抗浮桩等。

2)破坏类型。

根据桩体的间距和数量，可将抗拔桩的破坏类型分为非整体性破坏和整体性破坏两类。

非整体性破坏：一般来说，当承台下桩的数量较少且桩与桩的距离较大的时候，抗拔桩的破坏形式常呈现为非整体性的，称之为非整体性破坏。

整体性破坏：有时候，桩的数量往往比较多且桩距比较小，桩和土体就被看做成一个整体，该整体会受到一个向上的拉拔力而破坏，称之为整体性破坏。

3)破坏形式。

抗拔桩的破坏形式通常分为三种，分别为：倒锥台剪切破坏、复合剪切破坏、沿接触界面剪切破坏，如图4所示。

5 确定抗拔桩承载力的方法

以抗拔桩的受力特征为基点，通过研究分析，可以得出一个结论，抗拔桩的破坏机理与摩擦桩是非常类似的。从受力组成方面看，抗拔承载力是由桩侧摩阻力和桩体自身的重力叠加而成，方向为竖直向下，其数值的大小与诸多因素有关，比如土层的物理力学性能、桩体材料、桩身尺寸、截面形状等等。确定抗拔桩的承载力一般有以下几种方法：

1)现场静载荷试验分析法。

抗拔桩的静载荷试验分析法是指通过在桩顶逐级施加竖直向上的拉拔力，观测桩顶部随时间产生的上拔位移，记录相关试验数据，由此确定相应的单桩竖向抗拔承载力的试验方法。

静载荷试验是评价单桩承载力最为直接、准确的方法，但需要增加一定费用，并做好工期安排，在同一条件下的试桩数量，不宜少于总数的1%，并不应少于3根。相关规范规定，当建筑物的地基基础设计等级为甲类时应采用此方法确定其承载力。

2)经验公式计算法。

利用经验公式确定单桩承载力是一种沿用多年的传统方法，广泛适用于各种桩型，所用的承载力参数是根据它们与土性指标之间的换算关系再利用当地的静载试验资料进行统计分析的基础上，通过必要的对比分析和调整后得出的。

经验公式法中的使用参数比较局限，并不适用于一级建筑桩基，对于二、三级建筑桩基，则可按经验公式所估算的抗压侧阻力值乘以经验折减系数后作为抗拔侧阻力值。

6 抗拔桩在设计中应注意的问题

1)地下水位。

地下水位随季节的变化而变化，抗浮计算时对现场水位的确定很重要，如取值不当，将直接影响抗浮验算结果，建议取用建筑物在使用年限内的历史最高水位进行抗浮验算。

2)抗拔桩长径比。

在计算抗拔力时应注意长径比对计算方法的影响。对于L/d≤5和L/d>5的两种桩，破坏机理不同，其计算方法也不相同。

3)避免群桩效应。

抗拔桩的抗拔力主要由土层对桩体的摩擦力提供，为充分利用其侧摩阻力，在设计时应注意桩与桩之间的净距，尽量避免出现群桩效应，并严格遵守相关规范规定。

4)抗拔桩宜布置于柱、底板梁下面。

设计时应注意抗拔桩的设置部位，一般应设置于柱、底板梁、承台下面，使结构整体受力更加合理。

5)抗拔桩的配筋验算。

抗拔桩配筋除了应进行桩身强度验算外，尚应进行最大裂缝的验算。其最大裂缝宽度应满足抗拉构件的相关限值规定。

7 抗拔桩在施工中应注意的事项

目前在实际工程中应用的抗拔桩多为人工挖孔桩，故仅以人工挖孔灌注桩为对象，阐述抗拔桩在施工时应注意的事项，如下所述：

1)挖孔作业的时候，从孔内运至地面的土石堆放位置应满足相应的规定，土石堆放点与孔口边缘的距离不应小于1 m，堆放高度不应超过1 m，并及时运走，严禁长期堆放。

2)在施工过程中应及时进行护壁，直至孔底。当开挖深度较大，不能排除是否存在危险气体时，在每次动工前尚应进行有毒气体的检测。

3)每天挖孔工作开始之前，应进行“两排”，分别是排水和排气。施工人员在作业前，应将孔内的积水抽干，并用鼓风机等设备排除孔内混浊空气后方准下人。

4)挖孔过程中应进行孔径尺寸、平面位置、垂直度、圆滑度等参数的检查，保证准确无误，使孔壁受力均衡，避免引起塌方。

5)终孔后应立即清除孔底残渣、杂物和积水，并马上浇筑封底混凝土。

6)灌注桩身混凝土时，混凝土必须通过漏槽或串筒，在离灌注面2 m以内下落，不得在孔口抛铲或倒车卸入以防离析。

7)现场作业人员应严格遵守文明施工有关规定，佩戴安全帽进场。

8 抗拔桩在实际工程中的应用

1)工程概况。

深圳市轨道交通7号线工程深云站，为地下2层地铁车站，位于深圳市南山区龙珠大道与北环大道交叉口以东。车站采用明挖顺筑法施工，全长约376 m，宽约30 m，基坑深约16.8 m，车站顶板覆土为0.9 m～2.5 m，平均覆土约1.7 m。

2)地质概况。

场地西端属台地地貌，地面平坦，东端属丘陵地貌，地形起伏较大，地面高程为35.70 m～42.80 m。所处地层由上至下依次为：

①素填土：灰黄色，可塑，主要成分为黏性土。层厚0.00 m～5.60 m。

②砾质黏性土：土体呈褐黄色，硬塑～微坚硬，土内含较多石英颗粒，由花岗岩风化土残积形成，土质比较粗糙，遇水容易崩解。层厚0.00 m～8.40 m。

③全风化花岗岩：岩体呈坚硬土状，手捏易散，遇水易崩解。层厚0.00 m～7.70 m，平均厚度2.65 m。

④强风化花岗岩：呈碎块状，岩体土夹砂砾，浸水可崩解，风化裂隙发育程度较高。最大揭露厚度11.20 m。

⑤中等风化花岗岩：中粗粒结构，块状构造，岩体呈碎块～块状，裂隙发育。最大揭露厚度9.20 m。

⑥微风化花岗岩：岩体为中粗粒结构，呈块状构造，岩质非常坚硬，有少量风化裂隙。最大揭露厚度21.20 m。

3)水文概况。

根据深圳市的气候特征，每年4月～10月为雨季，全年降雨量充沛。地下水径流方向为由北向南，排泄途径主要是蒸发和径流。主要补给来源为大气降水。

本场地地下水类型主要为孔隙水及基岩裂隙水。深云站在详勘阶段测得的稳定地下水位埋深1.1 m(地面至使用年限期间全年最高水位的距离)。

4)深云站抗拔桩设计。

深云站地质情况较差，地下水位较高，顶板覆土偏浅，通过计算，结构抗浮不满足要求，设置扩底抗浮桩可以解决车站上浮问题，如图5所示。

9 结语

众多工程实例显示，对于结构顶板覆土偏薄、地下水位较高、地层较差的地下工程，抗浮问题普遍存在，通过研究、设计、论证，在地下结构底部合适的部位设置抗拔桩，能有效阻止结构上浮，具有较好的实用性和经济性，具有较高的推广应用价值。

[1] GB 50157—2013，地铁设计规范[S].

[2] JGJ 94—2008，建筑桩基技术规范[S].

[3] JGJ 120—2012，建筑基坑支护技术规程[S].

[4] GB 50007—2011，建筑地基基础设计规范[S].

[5] 胡香兰，钱健康，赵华荣.水浮力对建筑的影响分析[J].浙江建筑,2006(5)：11-14.

[6] 朱陆明，沈永根.预应力管桩在抗拔桩中的应用实录[J].岩土工程界,2005(8)：31-33.

[7] 李晓忠，张 莉.地下室应用抗拔桩抗浮的设计[J].辽宁建材,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

黄友发(1986- )，男，工程师

1009-6825(2015)13-0081-04

TU473

A