随着社会经济和城市建设的快速发展, 在一些大城市人口越来越多, 导致对土地的需求量不断增加, 与现有可用于建设用地相对短缺的矛盾日益突出, 这对合理开发利用土地、提高土地的利用率提出了更高要求。因此开发利用地下空间成为新的发展方向, 也越来越多地受到人们的重视。在沿海城市或者地下水埋藏较浅的地区开发利用地下空间, 例如修地铁、建地下车库和地下商场等建 (构) 筑物, 必然伴随着基坑开挖。随着科学技术的发展, 基坑开挖的深度和面积越来越大, 这样在高水位土层中的地下建 (构) 筑物往往会承受较大的水浮力, 因此造成地下结构抗浮问题日益突出。在实际工程中, 如果地下结构抗浮问题解决不好, 会造成地下结构上浮, 底板、墙体开裂或上部结构梁柱节点破坏而影响建 (构) 筑物的正常使用。实际工程中可采用的抗浮方法很多, 大体上可分为2大类, 第一类釆用的是疏导消除型, 即通过排水、降水、截水使地下水位保持在一定的标高之下, 减小地下水对地下室或地下结构的浮力;第二类抗浮方法采用的是抵抗型, 即采用抗拔桩、抗拔描杆或增加结构配重等。目前, 第二类抗浮方法中抗拔桩、抗拔锚杆在实际工程中应用的较多^[1,2,3,4,5], 且很多学者^{[6,7,8,9,10,11,12]}已经通过现场试验、室内模型试验和数值模拟等方法对抗拔桩的承载和变形特性、破坏特性、桩侧摩阻力发展规律等进行研究, 并得出了一些有益的研究成果, 不过, 这些研究成果主要针对大直径和中等直径桩。

目前, 采用小直径抗拔桩进行抗浮处理具有抗浮效率高, 基础底板受力更均匀, 工程造价低等优点, 因此采用小直径抗拔桩解决抗浮问题在北京、深圳、海南、杭州、上海等地的工程中得到广泛应用, 例如北京市某工程采用直径为250mm的小直径抗拔桩进行抗浮处理, 深圳市某工程采用直径为150mm的土层锚杆进行抗浮处理, 深圳市某工程采用直径为180mm的土层锚杆进行抗浮处理, 海南三亚某项目采用直径为150mm的土层锚杆进行抗浮处理, 且通过抗拔试验检测表明小直径抗拔桩单桩抗拔承载力满足设计要求。然而目前国内相应的设计和施工规范以及验收标准尚未完善, 很多情况下设计人员是凭借以往的工程经验进行设计和施工, 对小直径抗拔桩理论上的研究远远不及工程上的应用, 这无疑给设计人员进行抗浮设计时造成了一定困扰。因此, 对于小直径抗拔桩桩侧摩阻力取值问题的研究具有很大的理论和应用价值。

JGJ94—2008《建筑桩基技术规范》^[13]中按桩径 (设计直径d) 大小分为3类:①小直径桩, d≤250mm;②中等直径桩, 250mm<d<800mm;③大直径桩, d≥800mm。设计人员进行抗浮设计时, 对桩侧摩阻力取值一般依据勘察报告和《建筑桩基技术规范》, 然而《建筑桩基技术规范》中桩的极限侧阻力标准值建议值是依据不同省市收集的416根试桩资料提出的, 且这些试桩主要是中等直径桩和大直径桩。这样对采用小直径抗拔桩进行抗浮设计时, 桩侧摩阻力取值缺乏相关依据, 工程应用时均参照中等直径桩和大直径桩的经验值按照《建筑桩基技术规范》进行取值。

表1为JGJ94—2008《建筑桩基技术规范》^[13]、JGJ120—2012《建筑基坑支护技术规程》^[14]和CECS22∶2005《岩土锚杆 (索) 技术规程》^[15]等规范中桩的极限侧阻力标准值、土层与水泥砂浆或水泥结石体的黏结强度标准值、锚杆的极限黏结强度标准值。通过不同规范对比分析可知, 对于填土和黏土中桩侧摩阻力参考取值相差不大, 而对于粉土、砂性土、碎石土等土层中桩侧摩阻力取值相差可达1~2倍。而在实际工程中, 小直径抗拔桩施工一般采用锚杆钻机施工, 分为干成孔作业和套管跟进成孔作业, 桩身材料一般采用净水泥浆、水泥砂浆或者豆石混凝土, 为了提高单桩抗拔承载力, 工程中还采用二次压力注浆工艺, 不同的施工工艺和桩身材料对桩侧摩阻力取值会产生较大影响, 而现行规范中没有相关取值依据, 当参考《建筑桩基技术规范》进行取值时可能偏于保守, 当参考《岩土锚杆 (索) 技术规程》进行取值时可能偏于不安全。因此, 对于小直径抗拔桩, 有必要对桩侧摩阻力的取值标准做进一步研究, 以为工程实际提供参考。

某工程项目位于北京市, 总用地面积7.752 5hm², 拟建建筑总建筑面积158 640m²。拟建建筑地面以上7层, 地下3层, 呈矩形。场地±0.000相当于绝对标高为48.800m, 基础最大埋深为17.1m。根据勘察报告, 场地内存在3层地下水, 第1层地下水为层间潜水, 埋深为9.8~12.2m, 第2和3层地下水为层间水, 埋深分别为19.2~21.5m和24.0~27.0m, 该场地历史最高地下水位标高接近自然地面, 由于拟建建筑物竖向荷载较小, 因此需要对其采取抗浮措施。

根据勘察报告和场地历史最高地下水位标高, 确定场地抗浮设计水位标高为44.000m。根据设计院提供的抗浮力要求不同, 将本工程的抗浮区域划分为5个区域, 每个区域的抗浮处理均采用抗拔桩方案, 桩长为4.2~6.7m, 桩径为400mm, 不同抗浮区域桩间距不同, 桩间距介于1.5~2.2m, 桩身强度等级为C25。桩体配筋为:主筋614, 加强箍筋16@1 500, 螺旋箍筋6.5@200。本工程抗拔桩承载力计算涉及⑥₁粗砂层 (中密-密实) 、⑥圆砾层 (密实) 、⑦黏土层 (可塑) , 根据不同的规范, 这3种土层中桩的极限侧摩阻力标准值取值差别较大, 如表2所示。

本工程抗拔桩施工采用长螺旋成孔管内泵压混凝土成桩后插钢筋笼施工工艺, 为保证本抗浮方案满足工程抗浮设计要求, 抗拔桩正式施工前在现场进行了15根抗拔桩试验, 桩长分别为4.5m (9根桩) 、6.0m (3根桩) 和7.0m (3根桩) 。图1为不同桩长情况下抗拔桩的U-δ曲线。从图1中可以看出, 随着荷载增加, 抗拔桩桩顶上拔位移量逐渐增大;同时, 也可以看出不同桩长情况下抗拔桩的U-δ曲线呈缓变形, 取最大试验荷载值372k N的1/2即186k N作为桩长为4.5m的单桩抗拔承载力特征值, 取最大试验荷载值480k N的1/2即240k N作为桩长为6.0m的单桩抗拔承载力特征值, 取最大试验荷载值550k N的1/2即275k N作为桩长为7.0m的单桩抗拔承载力特征值。

对比试验结果和表2中理论计算值, 可以看出, 对于中等直径抗拔桩, 当桩的极限侧摩阻力标准值取值参照《建筑桩基技术规范》时, 理论计算值与试验结果比较接近, 而当参照《建筑基坑支护技术规程》和《岩土锚杆 (索) 技术规程》取值时, 理论计算值和试验结果差别较大。

某工程项目位于北京市, 拟建建筑地上为15层 (局部地上为1~3层) , 地下4层, 主体结构采用钢结构框架, 局部采用悬挑梁, 地下1层采用型钢混凝土柱, 其余地下室部分采用混凝土框架, 楼盖采用普通梁板结构。场地±0.000相当于绝对标高为50.700m, 基础最大埋深为23.45m。根据勘察报告, 在勘探深度范围的场地内存在1层地下水, 类型为潜水, 2011年12月测得地下水稳定水位埋深为28.90~29.10m, 标高为20.950~21.150m;2012年7月测得地下水稳定水位埋深为28.50m, 标高21.920m, 主要含水层为卵石⑤层、卵石⑥层。由于基础埋深较大, 且北侧建筑地上1~3层, 上部结构竖向荷载较小, 因此需要对该区域采取抗浮措施。

根据勘察报告和场地历史最高地下水位标高, 确定场地抗浮设计水位标高为39.500m。根据设计院提供的图纸, 本区域的抗浮处理采用了小直径抗拔桩 (本工程定义为抗浮锚杆) 方案:抗拔桩直径为250mm, 有效桩长为5.3m;抗拔桩主筋为618, 螺旋箍筋为6.5@150, 加强筋采用DN80钢管圈, 圈宽度为30mm;抗拔桩采用水泥浆灌注, 灌注材料为PSA32.5, 水灰比为0.5~0.55;抗拔桩注浆固结体强度为20MPa;抗拔桩数量共计285根。本工程抗拔桩承载力计算涉及⑤₁中砂-粗砂层 (密实) 、⑤₂黏质粉土-粉质黏土 (中密-密实) 、⑤卵石层 (密实) , 根据不同的规范, 这3种土层中抗拔桩的极限侧摩阻力标准值取值差别较大, 如表3所示。

本工程抗拔桩施工采用套管跟进机械成孔施工工艺, 设计要求单桩抗拔承载力特征值为150k N, 抗拔桩施工完成后委托第三方检测单位对其抗拔承载力进行检测。第三方检测单位对抗拔桩的抗拔承载力进行检测时按照锚杆检测要求进行。本工程共检测抗拔桩数量为15根, 图2为其中2根抗拔桩的U-δ曲线。从图2中可以看出, 随着竖向荷载的增加, 抗拔桩桩顶上拔位移量逐渐增大;当荷载为150k N时, 1号和2号抗拔桩的位移分别为6.32mm和9.49mm, 且当荷载增加至225k N时, 1号和2号抗拔桩的位移分别为11.61mm和12.46mm, 卸荷后1号和2号抗拔桩的塑性位移分别为6.55mm和8.10mm, 表明当荷载为225k N时, 1号和2号抗拔桩均未发生极限抗拔承载力破坏, 满足设计要求。本次检测未加载至抗拔桩发生极限抗拔承载力破坏, 但可以判断抗拔桩的极限抗拔承载力标准值要>225k N。根据表3中理论计算值, 可以看出, 根据3个规范计算得到的单桩抗拔承载力特征值均>150k N, 但桩侧摩阻力取值参考《建筑桩基技术规范》给出的单桩抗拔承载力特征值最小, 桩侧摩阻力取值参考《岩土锚杆 (索) 技术规程》给出的单桩抗拔承载力特征值最大, 由于小直径抗拔桩受力机理与锚杆受力机理不同, 桩侧摩阻力取值的合理性直接影响设计的合理性, 并进一步影响工程造价。

1) 通过不同规范对比分析发现, 对于填土和黏土中桩侧摩阻力参考取值相差不大, 而对于粉土、砂性土、碎石土等土层中桩侧摩阻力取值相差可达1~2倍。

2) 通过2个工程实例对比分析可知, 对于中等直径抗拔桩, 桩侧摩阻力取值参考《建筑桩基技术规范》是合理的, 但对于小直径抗拔桩, 桩侧摩阻力取值参考《建筑桩基技术规范》、《建筑基坑支护技术规程》或者《岩土锚杆 (索) 技术规程》时, 单桩抗拔承载力特征值相差较大, 实际工程中设计人员往往取值偏保守, 即设计的单桩抗拔承载力特征值取低值。

3) 对于小直径抗拔桩, 国内尚没有相关的设计规范, 设计人员往往参考锚杆的设计思路进行设计, 但其受力机理与锚杆受力机理不同, 这样小直径抗拔桩桩侧摩阻力如何取值成为设计的关键。