抗拔桩

抗拔桩的研究与应用概述
摘要
近年来，随着高层建筑的不断涌现，基础的埋置越来越深，地下结构抗浮问题日益突出，在我国沿海地区曾出现过多起因地下室浮力而导致地下室破坏的事故。

地下结构抗浮措施主要有：增加自重法、降排截水法、抗拔桩和抗浮锚杆以及新型的抗浮技术措施挤扩支盘桩等。

不同的抗浮技术措施都各有其适用性，而合理的选择抗浮技术措施也越加重要。

本文阐述了抗拔桩的研究背景和现状，以及几种常见的抗拔桩的破坏形态，最后根据抗拔桩的受力机理总结了抗拔桩的设计原理和施工工艺。

关键字：抗拔桩；破坏形态；成桩工艺；承载力
第1章绪论
1.1研究背景
我国人口基数庞大，随着城市化建设的大规模发展，人居矛盾日益突出。

因此，合理开发、提高土地利用率成为了房建者愈加关注的热点，也必然要求土木研究人员不断完善理论体系，针对现实存在的问题做出相应的解决方案。

21世纪以来，随着我国经济建设的快速发展，地下空间的利用成为了新的发展方向，也越来越多地受到人们的重视。

但在我国沿海地区，地下水位普遍较高，在高水位土层中的地下建筑物、构筑物往往会承受较大的水浮力，这就给地下建筑物、构筑物的施工带来一定的难度。

为减小水浮力对地下建筑的影响，通常需采取一定的措施。

目前，地下工程的抗拔措施一般有锚板基础法、增加自重法和设置抗拔桩基础等。

而采用抗拔桩基础已成为地下建筑物、构筑物抵抗地下水浮力的最主要措施之一。

抗拔桩基础在沿海软土地区的应用非常广泛，地下广场、地下变电站、地下商场以及地铁等地下工程中很多都采用抗拔桩基础,高耸的塔式建筑物，如高压输电塔、电视塔以及通讯塔等一般都设置抗拔桩基础,承受水平荷载的建筑物、构筑物，如高桩码头因船舶停靠和系泊也需设置抗拔桩来承受水平力，抗拔桩广泛应用于大型地下室抗浮、高耸建筑物抗拔、海上码头平台抗拔、悬索
桥和斜拉桥的锚桩基础、大型船坞底板的桩基础和静荷载试桩中的锚桩基础,由于抗拔桩的应用日益广泛，经济高效，便于施工的抗拔桩必将成为研究的重点。

1.2 研究现状
虽然抗拔桩在实际工程中应用广泛，但是到目前为止，对抗拔桩的工作机理研究却相对较少，更没有形成完善的、成熟的计算理论体系。

在实际工程设计时，抗拔桩基的设计计算大多依靠规范给出的公式或根据以往的经验。

规范给出的计算方法是依据抗压桩的设计方法，利用抗压侧摩阻力乘以折减系数作为抗拔桩的抗拔承载力。

实际上，影响抗拔桩抗拔承载力的因数有很多，例如土质、桩型、桩的施工方法、荷载特性、土中应力历史及桩土界面的几何与材料物理特性等。

其中桩型对抗拔桩承载力的影响相比其他因素显得更为明显。

目前对抗拔桩的研究大多是来自模型试验，较少有足尺试验。

但模型试验得出的结论由于试验方法、试验条件以及尺寸效应等原因与实际工程的结果会有较大的出入，所以抗拔桩的研究还有很大的发展空间。

图-1是通过整理相关文献得到的近几年抗拔桩的研究趋势，我们可以看到2000年以来抗拔桩的研究一直是个热点，而研究的方向
图-1 抗拔桩的研究趋势
大致集中在预应力抗拔桩、水泥土加芯抗拔桩、扩底抗拔桩、抗拔桩承台连接方式、抗拔桩的受力机理研究、新工艺下抗拔桩的设计等方面。

随着科技的发展，计算机软件的开发利用，借助于计算机有限元模拟的实验仿真类论文也越来越多，相信抗拔桩的研究会一直受到关注，而新工艺下的经济、高效的抗拔桩研发也会备受期待。

1.3应用现状
抗拔桩的应用范围很宽广，有输电线路杆塔基础、海上石油钻井平台下的桩基础、高耸结构物(如塔桅结构、烟囱、高层楼房)的桩基础、桩静荷载试验中所用的锚桩、索道桥和斜拉桥中的锚桩基础等都属与抗拔桩基础。

通常在其承受竖向拉拔荷载的同时，还承受一定比例的水平向荷载。

例如输电线路杆塔基础和叉桩结构等。

此外，在特定环境条件下，原来的承压桩可能承受拉拔荷载。

例如深埋水泵房一类的取水结构、港工中船坞等，其底板下的桩群会因地下水位升高、建筑物承受巨大浮托力而使桩顶产生拉应力，水闸、船闸一类建筑除浮托力作用外，还可能受到水流的脉动压力(有压有拉)。

又如在地震荷载作用下，砂土或轻亚黏土地基液化、土呈浓的悬浮液状态使泵房、船坞等基础底板连同上部封闭筒结构一起上浮，则其底板下的桩群所受的拉力将更加可观。

在建筑物、构筑物的基础设计中，桩基础被广泛采用，可以承受下压、水平、上拔三种荷载的作用。

随着建设的需要，抗拔桩将更加广泛的应用到地下水位较低的地区，解决施工以及投入使用的抗浮问题。

第2章不同抗拔桩的破坏形式
2.1等截面抗拔桩的破坏形式
抗拔桩的破坏形态与许多因素有关,对于等截面抗拔桩，破坏形态可以分为三个基本类型：
（1）沿桩—土侧壁界面剪破，如图-2(a)所示，这种破坏形态在工程实际中比较常见。

（2）与桩长等高的倒锥台剪破，如图-2(b)所示，软岩中的粗短灌注桩可能出现完整通长的倒锥体破坏，倒锥体的斜侧面也可呈现为曲面。

（3）复合剪切面剪破：即下部沿桩—土侧壁面剪破，上部为倒锥台剪破，如图-2(c)所示；或者为在桩底与桩身相切，沿一定曲面的破坏，如图-2(d)所示。

复合剪切面常在硬黏土中的钻孔灌注桩中出现，而且往往桩的侧面不平滑，凹凸不平，黏土与桩黏结得很好。

当倒锥体土重不足以破坏该界面上桩—土的黏着力时即可形成这种滑面。

图-2 等截面抗拔桩的破坏形态
2.2扩底抗拔桩的破坏形态
（1）基本破坏模式
扩底桩破坏形态与等截面桩不同，其扩大头的上移使地基土内产生各种形状的复合剪切破坏面。

这种基础的地基破坏形态相当复杂，并随施工方法、基础埋深以及各层土的特性而变，基本的破坏形式如图-3所示。

图-3 扩底柱上拔破坏形式
（2）圆柱形冲剪式破坏
当桩基础埋深不很大时，虽然桩杆侧面滑移出现得较早，但是当扩大头上移导致地基剪切破坏后，原来的桩杆圆柱形剪切面不一定能保持图-3中中段那种规则的形状，尤其是靠近扩大头的部位变得更加复杂，也可能演化成图-4中的“圆柱形冲剪式剪切面”，最后可能在地面附近出现倒锥形剪切面，其后的变形发展过程就与等截面桩中的相似。

只有在硬黏土中，前述间条状剪切面才可能发展成为倒锥形的破坏面。

如果扩大头埋深不大，桩杆较短，则可能仅出现圆柱形冲剪式剪切面或仅出现倒锥形剪切破坏面，也可能出现一个介于圆柱形和倒锥形之间的曲线滑动面(状如喇叭)。

在计算抗拔承载力时，宜多设几种可能的破坏面，择其抗力最小者作为最危险滑动面。

图-4 圆柱形冲剪式剪切面
(3)有上覆软土层时上拔破坏形态
土层隐藏条件对桩基上拔破坏形态影响极大。

例如浅层有一定厚度的软土层，而扩大头又埋入下卧的硬土层内一定深度处。

这种设计的目的是保证扩底桩
具有较高的抗拔承载力。

虽然如此，这种承载力只可能主要由下卧硬土层的强度来发挥，而上覆的软土层至多只能起到压重作用。

所以完整的滑移面就基本上限于下卧好土层内开展如图-5，而上面的软土层内不出现清晰的滑动面，而呈大变形位移。

图-5 有上覆软土时上拔破坏形态
（4）软土中扩底桩上拔破坏形态
均匀软黏土地基中的扩底桩在上拔力作用下，软土介质内部不易出现明显的滑动面。

扩大头的底部软土将与扩大头底面黏在一起向上运动，所留下的空间会由真空吸力作用将扩大头四周的软土吸引进来，填补可能产生的空隙(见图-6)。

与此同时，由于相当大的范围内土体在不同程度上被牵动而一起运动，较短的扩底桩周围地面会呈现一个浅平的凹陷圈，而在软土内部则始终不会出现空隙，一直到桩头快被拔出地面时才看得到扩大头与底下的土脱开。

图-6 软土中扩底桩上拔破坏形式
第3章抗拔桩的设计
3.1抗拔桩的设计原则
抗拔桩设计时都必须满足三方面要求：其一是抗拔桩基必须是安全的和适用的，其二是抗拔桩基设计必须是合理的，其三是抗拔桩基设计必须是经济的。

此三方面要求同等重要，相互制约。

扰拔桩基设计的安全性要求包括两个方面，一是抗拔桩基与地基土相互之问的作用是稳定的，二是抗拔桩基自身的结构强度是足够的。

前者要求抗拔桩基在设计荷载作用下具有足够的抗拔承载能力，同时保证抗拔桩基不产生过量的变位和变形，后者要求抗拔桩基结构内力必须在材料强度容许范围内。

抗拔桩基设计的合理性要求抗拔桩的持力层选择、抗拔桩的几何尺寸选择和抗拔桩的布置尽可能地发挥抗拔桩基最佳承载能力。

设计中按准确的内力计算结果确定抗拔桩身材料强度等级和配筋率，无论是整体还是局部，都既满足构造要求，又不过量配置材料；同时设计结果在施工上应该可行方便：设计结果符合建筑物的使用功能。

抗拔桩基设计的经济性要求是指抗拔桩基设计中要通过运用先进技术和手段，充分把握抗拔桩基特性，通过多方案的比较，寻求最佳设计方案，最大限度地发挥抗拔桩基的承载能力，力求使设计的抗拔桩基造价最低。

拔桩桩基承找力主要取决于地基土的特性和抗力，而地基土组成复杂，空间分布极度不均，场地土性指标具有较大的随机性、离散性和变异性，从概率角度看，有限数量的地基勘测指标是不可能准确代表场地土性的，因而由此确定的抗拔桩承载力具有较大的随机性。

以往在抗拔桩基设计中都习惯于通过个人的经验和一定的安全系数来确定抗拔桩基承载力设计值，许多分析均表明，安全系数并不安全，因为它不能反映荷载、场地土性、承载力设计方法的误差等因素的随机变异性影响。

3.1.1抗拔桩基设计计算和验算内容
根据承载能力极限状态和正常使用极限状态设计的要求，执拔桩基需进行下列计算和验算：
(1)根据抗拔桩基的使用功能和受力特征分别进行抗拔桩基的竖向承载力计
算和横向承载力计算；对于某些条件下的抗拔群桩基础宜考虑由抗拔桩群、土、承台相互作用产生的承载力抗拔群桩效应。

(2)对抗拔桩身(包括桩身混凝土和钢筋)进行计算，对于抗拔桩身露出地面或抗拔桩侧为可液化土，极限承载力小于50kPa(不排水抗剪强度小于10kPa)的土层中的细长抗拔桩尚应进行抗拔桩身弯屈验算；
(3)根据使用条件不允许混凝土出现裂缝的抗拔桩基应进行抗裂驻算；对使用上需限制裂缝宽度的抗拔桩基，应进行裂缝宽度验算。

3.2 几种常见的抗拔桩
不同形态的抗拔桩在受力机理和抗拔效率上是有很大差距的，例如从国内外扩底桩的抗拔实践中得到证明。

某钻孔桩的底部若用机械扩孔，使其下端桩径由原来的等截面血桩桩径0.85m仅扩大到1.30m，而抗拔承载力却增加了50％以上，净增2000kN左右，而桩基的混凝土用量只增加了10％左右。

这充分说明抗拔桩的设计很重要，下面几幅图是经常使用的一些抗拔设计。

当对桩顶施加向上的竖向上拔荷载时，桩身混凝土受到上拔荷载拉伸产生相对于土的向上位移，从而形成桩侧土抵抗桩侧表面向上位移的向下摩阻力。

此时桩顶上拔荷载通过桩侧表面的桩侧摩阻力传递到桩周土层中去，致使桩身轴力和
桩身拉伸变形随深度递减。

当桩顶荷载较小时，桩身混凝土的拉伸也在桩的上部，桩侧上部土的向下摩阻力得到逐步发挥，此时在桩身中下部桩土相对位移等于零处，其桩摩阻力因尚未开始发挥作用而等于零。

随着桩顶上拔荷载增加，桩身混凝土拉伸量和桩土相对位移量逐渐增大，桩侧中下部土层的摩阻力随之逐步发挥出来。

在大型工程中则更需要使用高效率的桩，那么对于施工工艺的研究也就变得更有意义，如图-8为扩底抗拔桩的工艺流程图。

先是利用大型机器进行挖孔，
成孔完成后，对于桩的底部可以进行扩挖，形成如图示的形态，然后将钢筋混凝土的钢笼下到孔内，清理完后就可以利用混凝土灌桩，最后通过养护，得到抗拔效果较好的桩。

对于大直径的抗拔桩也可以应用基坑支护的几种方案对于抗拔桩进行约束，在桩身增添一些可以提高摩擦力的工艺，致使抗拔能力提高。

第4章结论与展望
查阅文献总结对比得到，目前我国对于抗拔桩的计算理论研究较少，大多都是基于抗压桩的计算理论，扩底抗拔桩的计算理论则更少。

而施工中对于新型的抗拔桩应用却很广泛。

除了扩底抗拔桩的广泛应用外，预应力混凝土桩因具有抗裂性好、施工速度快、经济性好等优点，在工程实践中作为抗拔桩使用也越来越广泛。

但预应力混凝土抗拔桩在应用中尚存在一些问题。

如接头抗拔桩与承台的连接、承载力如何发挥等。

这些问题能否解决直接关系到抗拔桩的成败。

预制预应力混凝土抗拔桩单桩竖向抗拔承载力尚无明确的设计方法。

桩土共同作用下承载力发挥机理，需进一步研究桩身轴力分布规律及桩周土体力性能对抗拔桩承载力的影响。

开展理论分析及试验研究，找出桩身抗拉强度控制承载力的薄弱环节，对桩身及端板原有结构加以改进，形成可用于抗拔工程的桩型。

因此，研究抗拔桩的理论计算很有指导意义，随着计算机水平的提升，借助于有限元方法的模拟实验会越来越多，复杂的材料本构关系、荷载传递法，计算难度很大，都需要计算机的数值求解。

抗拔桩施工工艺的发展也会倍受关注，相信随着施工的要求，更高效的抗拔桩一定会越来越多。

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