锚杆静压桩设计理论探讨

２００８年第７期　西部探矿工程　４７　锚杆静压桩设计理论探讨　袁志斌　，齐永正　（１．上海锦惠建筑工程有限公司，上海２００１２５；２．南京水利科学研究院，江苏南京２１００２４）　摘要：分析了各学者在锚杆静压桩理论与实践上的贡献，简述了锚杆静压桩的工作原理和目前采用　的设计方法。通过阐述复合地基理论，表明目前锚杆静压桩设计方法的不足。提出了采用复合地基　理论的建议锚杆静压桩设计理论，实例表明该设计理论是合理可靠的，可以节省大量投资，产生可观　的经济效益和社会效益。　关键词：锚杆静压桩；复合地基；设计理论　中图分类号：ＴＵ４７３．１２文献标识码：Ｂ文章编号：１Ｏ０４—５７１６（２Ｏ０８）０７一Ｏ０４７～０４　建筑因地基问题引起的破坏，一般有两种可能：一　种是由于建筑物基础在荷载作用下产生了过大的沉降　或沉降差，致使建筑物严重下沉、上部结构开裂、倾斜而　失去使用价值；另一种是由于建筑物的荷载过大，超过　了持力层上所能承受荷载的能力而使地基发生破坏。　因此在建筑物基础设计时必须满足下列两个基本条件：　①建筑物基础在荷作用下可能产生的最大沉降量或沉　降差，应该在该种建筑物所允许的范围之内；②作用于　建筑物基础底面的压力应该小于或等于地基的允许承　载力；另外，所设计的基础必须是经济和合理的　］。当　天然地基无法满足这两个要求时，则必须对地基进行加　固和处理，当已有建筑物的地基发生事故，或建筑物加　层时也需要对地基进行处理＿［２］。锚杆静压桩作为一种　地基加固处理方式最早在美国应用于基础托换工程，２０　世纪８０年代我国冶金部建筑研究总院引进该项技术并　进行了开发与研究，随之在全国开始应用。１９９１年由　冶金部建筑研究总院主编的《锚杆静压桩技术规程》　（ＹＢＪ一２２７—９１）颁布实施使该项技术有了施工验收标　准ｌ３］。锚杆静压桩不仅可以对危旧房屋的基础进行托　换加固、对施工不良的桩基工程补充承载力，还可以对　场地比较狭窄、环境条件复杂的新建工程实行逆作法桩　基础施工。锚杆静压桩技术在最近几年发展很快，在建　１９８４　１９８６　１９８８　１９９０　１９９２　１９９４　１９９６　１９９８　２０００　２００２　２００４　２００６　图１论文数统计　设工程中显现了强大的生命力，图１是对近年来所发表　的论文进行系统统计的结果，由图可见，锚杆静压桩在　近几年取得了长足的发展。　但是现行规范对锚杆静压桩在设计与施工方面的　规定尚嫌欠缺。近年来众多学者对锚杆静压桩进行了　文献［８］对桩身回弹问题进行了系统地研究，文献Ｅ９］用　圆孔扩张理论对挤土问题进行了理论探讨，文献Ｅｌｏ一　１９］用成功的实例扩展了锚杆静压在不同方面的应用，　并对相关理论进行了探讨。但纵观所有的论文，虽然锚　杆静压桩在各方面应用都取得了成功，但均未对设计理　论及方法进行系统分析研究，所采用设计理论及方法均　是直接套用桩基础的相关规定，这就造成了不必要的浪　费也产生了种种问题。工程实践表明，锚杆静压桩采用　复合地基理论才是经济合理的。从桩受力机理、作用及　设计理念出发给合复合地基理论阐述锚杆静桩设计应　采用的设计理论。　１锚杆静压桩工作原理　锚杆静压桩是锚杆和静压桩结合而成的一种桩基　施工工艺，它是通过在原基础上埋设受拉锚杆，利用锚　杆固定压桩架以建筑物所能发挥的自重作为压桩反力，　用千斤顶将桩段从基础预留或者开凿的压桩孔内，逐段　压人地基中，然后，将桩和基础连在一起，锚杆静压桩工　作原理是利用锚杆桩将上部结构的部分荷载通过桩身　和桩尖传人地基较深的持力层，减轻基础持力层的负　载，从而，使压人的桩能够承担建筑物荷载或者与原有　多方面的研究与探讨，取得了可喜的成果，文献［４］对锚　杆静压桩进行了系统的土力学分析，文献Ｅｓ］对压桩力　系数进行了探讨，文献［６—７］对桩身应力进行了研究，　维普资讯 http://www.cqvip.com

４８　西部探矿工程　２００８年第７期　地基基础共同承受建筑物的荷载，从而达到提高基础承　载能力和控制沉降的目的。　２现有锚杆静压桩设计理论　２．１单桩极限承载力及桩数　合地基，可采用复合地基理论计算。浅基础、复合地基　和桩基础之间的关系如图２所示，复合地基界于浅基础　和桩基础之间　。。。　单桩极限承载力按公式（１）估算。　Ｑｕｋ＝＝：Ｑｓｋ＋Ｑｐｋ—ｕ∑ｑ　Ｉｋ１．＋ｑｐｋＡｐ　（１）　天然地基　Ｉ复合地基　－桩基础　式中：Ｑｕ　——单桩竖向极限承载力特征值，ｋＮ；　Ｑｓ　、Ｑｐ　——单桩总极限侧阻力和总极限端阻力特　征值，ｋＮ；　ｕ——桩身周长，ｍ　ｒ　ｑ　——桩侧第ｉ层土的极限侧阻力特征值，ｋＮ；　ｌｉ——桩穿越第ｉ层土的厚度，ｍ；　ｑＤｋ——极限端阻力特征值，ｋＮ；　Ａ。——桩端面积，ｍ。。　确定单桩极限承载力后，再结合上部结构荷载的情　况，根据由锚杆静压桩承担的荷载即可计算出需布置的　静压桩的数量。　２．２压桩阻力　锚杆静压桩的压桩阻力按公式（２）计算。　Ｐ　（Ｉ　）一Ｋｐ×Ｐ　（２）　式中：Ｐ　（Ｉ　）——最终压桩力；　Ｋ。——压桩系数；　Ｉ厂桩人土深度；　Ｐ　——设计单桩竖向极限承载力。　３　复合地基（或复合桩基）理论　复合地基是指天然地基在地基处理过程中部分土　体得到增强，或被置换，或在天然地基中设置加筋材料，　加固区是由基体（天然地基土体或改良的天然地基土　体）和增强体两部分组成的人工地基。在荷载作用下，　基体和增强体共同承担荷载的作用。根据地基中增强　体的方向复合地基可分为水平向增强体复合地基和竖　向增强体复合地基。竖向增强体复合地基又可称为桩　体复合地基（亦有人称为复合桩基）。桩体复合地基在　两个基本的特点：　（１）加固区是由基体和增强体两部分组成的，是非　均质的，各向异性的；　（２）在荷载作用下，基体和增强体共同直接承担荷　载的作用。　前一特征使复合地基区别于均质地基；后一特征使　复合地基区别于桩基础。传统的桩基理论，桩基础在荷　载作用下，上部结构通过基础传来的荷载是先传给桩　体，然后能过桩侧摩擦力和桩底端承力把荷载传递给地　基土体。近年来，摩擦桩基础设计中考虑桩土共同作　用，考虑桩土共同作用的摩擦桩基可视为一种刚性桩复　图２天然地基、复合地基和桩基础　桩体复合地基承载力计算思路是先分别确定桩体　的承载力和桩间土承载力，再根据一定的原则叠加这二　部分承载力得到复合地基的承载力。桩体复合地基的　极限承载力ｐｃｆ普遍表达式如式（３）：　ｐｅｒ—Ｋｌ　１ｍｐ。ｆ＋Ｋ２　（１一ｍ）ｐｓｆ　（３）　式中：Ｐｐｆ——单桩极限承载力；　Ｐ　ｒ——桩间土地基极限承载力；　入　——复合地基破坏时桩体极限强度发挥系数；　入　——复合地基破坏时桩间土极限强度发挥系数；　ｍ——复合地基置换率；　Ｋ　、Ｋ　——修正系数。　众多学者都认为锚杆静压桩不能设计成端承桩，且　锚杆静压桩只是承担部分荷载，所以锚杆静压桩应按复　合地基设计。　４　建议锚杆静压桩设计理论　４．１承载力计算　文献Ｅ２０］表明：刚性基础下桩土变形一致，桩首先　承受较大荷载，并首先进人极限状态，破坏模式是桩体　先破坏引起复合地基全面破坏，承载力计算式（３）可改　写为式（４）：　Ｐ　ｆ—ｍｐＤｆ＋入（１一ｍ）ｐ　ｆ　（４）　式中：ｐ　ｒ——单桩极限承载力；　ｐ　ｆ——桩间土地基极限承载力；　入——桩体破坏时桩间土极限强度发挥系数；　ｍ——复合地基置换率。　复合地基容许承载力：　Ｐ　ｆ—Ｐ　ｆ／Ｋ　式中：Ｋ——安全系数。　４．１．１　刚性桩极限承载力计算　复合地基中刚性桩多为摩擦桩，其极限承载力表达　式如式（５）：　Ｐ　ｆ＝［∑ｆＳ日Ｉ　．＋Ａ　Ｒ］／Ａ　（５）　式中：ｆ——桩周土摩擦力极限值；　Ｓａ——桩身周边长度　维普资讯 http://www.cqvip.com ２００８年第７期　Ｉ　；——按土层划分的各段桩长；　西部探矿工程　４９　地。地基上分布特征如下：①杂填土，稍湿，松散，以建　筑垃圾与生活垃圾为主，厚０．２－－－０．７ｍ；②素填土，灰褐　青灰色，很湿，饱和，软一流塑，厚０．６～３．３ｍ，顶板理　深０．２～１．７ｍ，ｆｋ—ｌＯＯｋＰａ￣③粉土，灰黄色，饱和，流　一Ａ。——桩身横断面积；　Ｒ——桩端土极限承载力。　４．１．２桩间土极限承载力计算　常采用Ｓｋｅｍｐｔｏｎ极限承载力公式进行计算，计算　塑，厚Ｏ～５．８ｍ，ｆｋ一１３０ｋＰａ，Ｅ。一９．６ＭＰａ④粉砂、青　公式如式（６）：　Ｕ　ｎ　Ｐ。ｆ－－Ｃ　Ｎ　（１＋Ｏ．２　ｙ　－）（１＋Ｏ．２　ｙ　－）＋７Ｄ　（６）　ｊ　ｊ』　式中：　基础埋深；　Ｅ卜基础宽度；　Ｉ厂一一基础长度；　Ｎｃ——承载力系数，当　一Ｏ时，Ｎｃ一５．１４；　Ｃｕ——不排水抗剪强度。　下卧层承载力验算：要求作用在下卧层顶面处附加　应力Ｐ０和自生应力　之和Ｐ不超过下卧层土的容许承　载力ＥＲ］，即ｐ：ｐｏ＋ｄ　≤［Ｒ］。　４．２沉降计算　文献Ｄ４３对锚杆静压桩采用了复合地基沉降计算，　但计算方法过于繁琐，难以为广大技术人员掌握，因此　建议采用简单易懂、概念清晰的复合模量法进行预估比　较合适。　４．２．１加固区土层压缩量Ｓ　的计算方法　复合模量法式是将复合地基加固区增强体和基体　两部分视为一复合土体，采用复合压缩模量　来评价　复合土体的压缩性，并采用分层总计算加固区土层压缩　量。表达式如式（７）：　Ａｎ　Ｓ１：∑　Ｌｋ．￣－ｉＨｉ　（７）　Ｄｃｓｉ　式中：ＡＰｉ——第ｉ层土附加应力增量；　——第ｉ层桩土复合压缩模量；　Ｈｉ——第ｉ层土层厚度。　复合压缩模量　ｉ采用面积加权平均法计算，如式　（８）：　Ｅ　一ｍＥｐｓ＋ｋ（１一ｍ）Ｅ　ｉ　（８）　式中：Ｅｐ。——桩体压缩模量；　ｉ——第ｉ层桩间土压缩模量；　ｍ——复合地基置换率。　文献Ｅ２ｏ３中已证明采用式（８）计算得到的结果在工　程应用上是偏于安全的。　４．２．２下卧层土层压缩量Ｓ２的计算方法　采用常用的分层总和法进行计算，该方法各文献均　有介绍，本文不再重复。　５　工程实例　某综合楼工程，地上７层，地下１层，现浇钢筋混凝　土框架结构，位于南京珠江路东端，地貌属长江一级阶　灰一深灰色，饱和，稍密一中密，厚６．４～８．６ｍ，ｆｋ一　１８５ｋＰａ，Ｅ。一１２ＭＰａ￣⑤粉土一淤泥质粉土，深灰一灰　黑色，饱和，流塑，厚３．２～８．２ｍ，ｆｋ一９５ｋＰａ，Ｅ。一　４．６ＭＰａ；⑥淤泥质粉质粘土，深灰一灰黑色，饱和，流　塑，厚５．８＂－－７．８ｍ，ｆｋ一１５ｋＰａ￣⑦粉质粘土，深灰色，饱　和，软一可塑，未揭穿，ｆｋ一１９０ｋＰａ。场地地下水为孔隙　潜水，稳定水位理深１．２＂－１．３５ｍ，经对场地砂土进行液　化判别，在地震设防烈度为七度时，各土层均不产生液　化。　基础原设计采用０．４５ｍ×０．４５ｍ静压桩，桩尖进　入Ⅶ层土１．５ｍ，要求单桩承载力标准值Ｐｋ一８００ｋＮ。　除送桩外，实际桩长大于２２ｍ，桩尖要穿越Ⅳ层粉砂，并　有效地进入Ⅶ层粉质粘上相当困难，必须先进行引孔，　且须全长范围内引孔。引孔距离长，施工机具较大。因　此，不论从设计的合理性，还是从施工的可操作性来讲，　在这幢建筑上采用上述静压桩是不适宜的。经对现场　勘察和对地基土质状况的分析，Ⅲ、Ⅳ层土土质较好，作　为桩的持力层，采用截面０．３ｍ×０．３ｍ，桩长为６．５ｍ锚　杆静压短桩逆作法施工。先开挖基坑，然后施工承台及　上部结构，待上部结构施工到２－－－３层时，利用已建结构　自重将预制桩压人设计土层，然后封桩，将桩与承台锚　固。采用复合地基理论设计，中柱承受的总荷重为　４４００ｋＮ，设计１６根锚杆静压桩，每根桩承重２５０ｋＮ，桩　承担９Ｏ　的荷重。房屋竣工后经１Ｏ个月的沉降观测，　观测的累计总沉降为３５ｍｍ，沉降差异为５ｍｍ，平均月　沉降小于０．０５ｍｍ，沉降基本得到控制。该工程采用复　合地基理论设计方案较原设计方案节约大量资金，产生　了明显的经济效益。该工程实际施工情况表明，尚可进　一步减少桩数，仍可满足要求，这就涉及到最优桩数问　题，可参见相关文献。　６　结束语　本文叙述了复合桩基理论，并对锚杆静压桩的设计　理论进行了探讨，推荐了锚杆静桩设计方法。实例分析　表明，按照复合桩基的方法设计锚杆静压桩进行基础设　计是合理可靠的，并能够对设计方案进行优化，充分利　用天然地基承载力，节约资金。当建筑物允许有一定的　允许沉降情况下亦可按复合地基沉降控制设计思路，以　节约工程投资，这个思路对今后类似工程的施工具有一　定实用价值。　维普资讯 http://www.cqvip.com ５０　西部探矿工程　２００８年第７期　桩基常见质量事故及检测方法　张怀根　（江苏南通市如皋经济开发区，江苏南通２２６５００）　摘要：分析了工程建设中具有代表性的几类桩基的质量事故成因，并针对性地给出了合适的桩基检　测方法，为工程技术人员提供一定的参考。　关键词：桩基；事故成因；检测方法　中图分类号：ＴＵ４７３．１６文献标识码：Ｂ文章编号：１００４－－５７１６（２００８）０７－－００５０－－０３　随着经济建设的飞速发展，高层建筑普遍兴建。　程的安全可靠，成为桩基领域的重大课题。　当建筑场地浅层地基土不能满足建筑物对地基承载　桩的类型不同，其设计方法、施工工艺、适用范围也　力和变形的要求，也不宜采用地基处理等措施时，往　不一样，往往产生的质量问题千差万别，很难用统一的　往需要以地基深层的坚实土层或岩层作为持力层，　评价方法来分析。然而，同一类型的桩基质量事故却体　采用深基础方案。由于桩基础具有承载力高、稳定　现了一定的规律性，为此，分类探讨常见的桩基质量事　性好、沉降量小而均匀、便于机械化施工、适应性强　故产生缘由，并以此为根据，总结出适宜、有效的检测方　等突出特点，在工程建设中得到广泛应用，成为目前　法，对正确判断缺陷类型、合理评估缺损程度、准确评定　用量最大、使用频率最高的基础型式。桩基的质量　桩基工程质量而言，具有重要的意义。在大量参阅前人　优劣直接影响整个建筑物的使用，并且桩基工程又　的研究成果和不断总结工程经验的基础上，本文系统的　属于隐蔽性工程，稍有失误就可能留下安全隐患或　分析了具有代表性的几类桩基础的质量事故成因，并针　造成难以弥补的重大损失。为此，采用何种手段来　对性地给出了合适的桩基检测方法，为工程技术人员提　检验桩基是否满足设计和规范要求，以保证桩基工　供一定的参考。　参考文献：　［１１］　周清．锚杆静压桩在既有建筑物地基加固中的应用［Ｊ］．黄　［１］钱家欢，殷宗泽．土工原理与计算［－Ｍ－Ｉ．北京：中国水利水电　石高等专科学校学报，２００３，１９（６）：１－４．　出版社，１９９６：３４５－３４７．　［－１２］　祝于祥．锚杆静压桩最终压桩力在砂性土中设计值探讨　［２］蔡伟铭，胡中雄．土力学与基础工程［Ｍ］．北京：中国建筑工　－［Ｊ－］．东华理工学院学报，２００６（４）：３７０－３７２．　业出版社，１９９１：４８—４９．　［１３］　程晔，于宁庆，龚维明．桩土共同作用设计与逆作法施工　［３］ＹＢＪ２２７—９１锚杆静压桩技术规程［ｓ］．北京：冶金工业出版　Ｉ－Ｊ－］．江苏建筑，２００１（３）：３３—３５．　社，１９９１．　，１１４￣　李韬，毕兆云，高大钊．按复合桩基设计锚杆静压桩处理地　［４］顾尧章，蔡泽芳．锚杆静压桩加固的土力学阐述Ｉ－ｊ－Ｉ．浙江建　基Ｉ－Ｊ－］．岩土力学，２００４，２５（７）：ＩＩ７２一ＩＩ７４．　筑，２００５，２３（６）．　［１５］　权爱民，王宣林．减少锚杆静压桩挤土效应的措施及其工　［５］杨根喜，濮志锋．小型静压桩压桩力系数取值方法的探讨　程应用Ｉ－Ｊ－］．山西建筑，２００３，２９（１５）：２４—２５．　［Ｊ］．工程勘察，２００２（５）：３８—４０．　－［１６］　钱尧锋．周边不稳定条件下危房加固时机探讨Ｉ－Ｊ－］．岩石力　［６］张希，赵荣欣．锚杆静压桩施工过程及正常工作中的桩身应　学与工程学报，２００３，２２（７）：１２１６—１２２１．　力分布研究Ｉ－Ｊ－Ｉ．施工技术，２００５（增刊）：６５—６７．　，１１７－］　刘祖德．纠偏防倾工程十五年Ｉ－Ｊ－］．土工基础，２００６，２０（６）：　［７］穆明，王砚彬．锚杆静压桩静载荷检测曲线分析［－Ｊ－］．山东煤　８３—８７．　炭科技，２００３（２）：６２－６３．　ｒ１８－］　刘国彬，蒋锋平．锚杆静压桩桩基托换机理探讨Ｉ－Ｊ－］．施工　［８］　肖建明，夏建中．关于锚杆静压桩回弹量问题的探讨Ｉ－Ｊ－］．大　技术，２００４，２９（１）：１２—１４．　众科学与科学研究，２００６（８）：１０—１２．　－［１９－］　徐德良，龚任远，管雯．交替式锚杆静压桩的设计与施工　［９］艾剑峰，康华．锚杆静压桩桩土作用力的理论分析［Ｊ］．南昌　［Ｊ］．南京建筑工程学院学报，２００１，５９：９６—９９．　工程学院学报，２００５，２４（３）：６９－７２．　－［２ｏ］　龚晓南．复合地基理论及工程应用［－Ｍ－］．北京：中国建筑工　，１１０－］赵琪，谢剑彬．静压锚杆长桩施工技术及应用［Ｊ］．建筑施　业出版社，２００２：１０２—２０６．　工，２００２（４）：２６６—２６８．