锚杆静压桩施工时独立基础的极限荷载研究

魏 欢，张小平 （南京航空航天大学航空宇航学院土木工程系，江苏 南京210016）

胡明亮，韩顺友 （江苏省建筑科学研究院有限公司，江苏南京210008）

既有建筑物地下工程加层施工时，若进行土体开挖，会破坏其下岩土体开挖前的物理特性和力学平衡，并且影响其上部结构和邻近建筑物。为了保证施工安全以及既有建筑的使用功能不受影响，防止上部结构产生不均匀沉降，必须对既有建筑进行桩基托换。在进行桩基托换时，通常在独立基础上进行锚杆静压桩施工，所以对其施工时极限荷载的研究显得尤为重要。为此，笔者对锚杆静压桩施工时独立基础的极限载荷进行了研究。

1 工程概况

中国工商银行扬州分行进行地下室扩建工程，即在3层框架结构 （局部4层）辅楼下增加一层地下室。辅楼为独立基础，设计强度C30，根据目前现场挖掘情况，部分独立基础大小及埋深与原设计图纸有差别。因为辅楼下施工的空间范围小，所以采用锚杆静压桩施工。

1.1 工程地质

场地勘探深度范围内所揭示的岩土层依其土质及力学特征至上而下划分为4层：第1层为该建筑施工回填土，填土时间约13年左右，厚1.4～2.9m；第2层为粉土，稍密-中密状态，层厚1.5～3.4m，力学强度中等，地基承载力特征值fak＝150kPa，比贯入阻力Ps＝6.42MPa；第3层为粉砂，中密-密实状态，层厚6.4～10.0m，力学强度较高，fak＝180kPa，Ps＝10MPa；第4层为粘土，最大揭示厚度14.20m，其力学强度高，fak＝350kPa，Ps＝4.94MPa。

1.2 施工概况

根据锚杆静压桩施工原理[1]，结合该工程特点及现场实际状况，采用的主要施工工序如下：-2.2m以上土体开挖——桩位放线——桩位及锚杆位置开孔——种植锚杆——24h后引孔 （引孔至设计桩长的2／3）——压桩——接桩、封桩——开挖土体至-4.65m。开孔之后的独立基础如图1所示。

图1 开孔后的独立基础

该基础下有垫层，保护层厚度为40mm，独立基础用直径为10mm的Q235钢筋每隔140mm进行双向配筋，其配筋率为0.16%，每个孔周围都植入8根锚杆，锚杆为45＃钢，将压桩产生的反力同时施加在8根锚杆上。锚杆静压桩施工时使用千斤顶，利用既有建筑物上部结构的自重作反力，将预制桩压入土层中。所以在施工时必须控制压桩力，使其不得大于独立基础上部所受荷载。

2 简化计算

2.1 简化计算模型

施工过程中千斤顶通过反力架对锚杆施加的拉力主要集中作用在Ⅰ区域（图1中虚线的上半部分，即为其基础底面积的一半区域）。由于锚杆静压桩是利用独立基础上部荷载作为反力将预制桩静力压入地基土中，且通过锚杆对引孔独立基础施加的是偏心拉力，在拉力趋近于重力的过程中，独立基础的一边上的基底静压力将趋于零，计算时将开孔独立基础底静压力简化为三角形分布。同时，根据现场独立基础受力状态和破坏形态，在拉力接近重力时，引孔独立基础取达到自身所能承受的极限荷载，所以对其即将破坏时的极限平衡状态进行分析。将空间受力状态简化为平面受力状态并进行理论分析与计算，如图2所示。

2.2 独立基础受力分析

施工时，开孔独立基础受到竖向轴心荷载、基底净压力和锚杆拉力作用，以此简化模型，将独立基础视为刚体，运用理论力学知识进行受力分析，并根据基础工程进行引孔独立基础冲切破坏和弯曲破坏验算[2]，求出极限荷载。

竖直方向力的平衡：

式中，F为独立基础所受到的上部荷载，kN；G为独立基础的自重，kN；P为每根锚杆所受到的拉力，kN；Pemax为最大基底压力，kPa。

弯矩的平衡：

图2 简化计算模型

式中，M梁为独立基础上锚杆受拉时辅楼上部框架结构梁提供的反弯矩，kN·m，其值随着P的增大而增大。

锚杆静压桩自身满足的条件：

2.3 抗冲切计算

图3所示为基础底面积2600mm×2600mm的独立基础受中心荷载冲切计算图形，基底冲切锥范围以外，净压力在破坏面上引起的冲切荷载为[2]：

式中，Ae为基础底面上冲切锥范围以外的面积（主要为图3中阴影部分面积的一半），m2；Pe为基底净压力，kPa；Fl为基底净压力在破坏面上引起的冲切荷载，kN。

图3 中心荷载冲切计算图形

冲切破坏面（即基础板的斜截面）的受剪承载力[V]为：

式中，βh为截面高度影响系数；ft为混凝土轴心抗拉强度设计值，MPa；bp为冲切锥体破坏面上下边周长的平均值，m；h0为截面的有效高度，m。

据图3可知，施工时锚杆施加的拉力主要作用在冲切锥范围以外，即8P主要作用在图3中右半部分的阴影面积上，取其整体受剪承载力的一半，所以：

根据式（1）和式（6），求得：

根据式（5），求得[V]＝1311.7kN。

2.4 抗弯矩计算

图4所示为独立基础受偏心荷载作用下基础弯矩计算图形。根据式（4），将Fl转化为基底净压力Pe，其主要作用在图4中阴影部分面积上，则：

求得：

沿柱边缘的截面 Ⅰ-Ⅰ 处弯矩最大，即[2]：

据式（9）和式（10）求得：

据文献[2]，对受弯构件极限承载力应满足：

式中，Mu为钢筋混凝土独立基础极限抵抗弯矩；fy为钢筋抗拉强度设计值，MPa；As为受拉区纵向钢筋的截面面积，m2。

由于抗弯计算时需满足基础所受最大弯矩不大于其本身所能承受的弯矩，即MI≤Mu，所以P≤160kN。

通过抗弯和抗冲切计算，发现独立基础的抗冲切能力小于抗弯能力，其首先主要产生冲切破坏。取抗冲切的极限荷载值，则P＝78.4kN，千斤顶施加的压桩力通过反力架作用在8根锚杆上，即8P＝627.2kN。

图4 弯矩计算图

3 数值模拟

3.1 模型概述

根据文献[3]，进行该工程数值模拟时不考虑钢筋的应力应变，采用钢筋混凝土整体式模型，混凝土和锚杆分别采用SOLID65和LINK8单元。土体只受压不受拉，采用LINK10的单压特性。根据工程数据，其弹性模量和泊松比见表1。引孔独立基础形状不规则，采用自由网格划分，模型如图5所示。

表1 弹性模量和泊松比

3.2 计算结果

根据脆性材料的强度理论[4]，采用最大拉应力理论对混凝土进行分析。图6所示为独立基础破坏时的第1主应力等值线分布图。从图6可以看出，混凝土主要沿着柱边产生应力集中，且在柱角处产生最大应力。受力过程中，基础主要在独立基础角点Z方向上的位移最大，取其与整个过程中施加的荷载作荷载-位移曲线，如图7所示。从图7可以看出，到达极限状态时，位移为25.1556mm，每根锚杆的最大荷载P＝87.0836kN，反力架施加给锚杆的力为8P＝696.7kN。

图5 土体和钢筋混凝土模型

图6 独立基础破坏时第1主应力等值线分布图

图7 荷载-位移曲线图

4 结果分析

通过简化计算、ANSYS数值模拟和现场施工得出的极限荷载如表2所示。从表2可以看出，采用ANSYS数值模拟求出的极限荷载，与现场施工时得到的极限荷载相比，误差为0.6%；通过简化计算得到的极限荷载与实际施工得到的极限荷载相比存在10%的误差，这是由于独立基础受力的复杂性造成的，对既有建筑的安全没有较大影响。总之，采用简化计算和NSYS数值模拟方法可以对开孔后的独立基础在受到在冲切锥范围以外偏心拉力作用下的施工极限荷载进行初步估计，从而给类似的工程计算提供参考。

表2 极限荷载

[1]叶书麟，叶观宝.地基处理与托换技术[M].北京：中国建筑工业出版社，2005.

[2]周景星，李广信，虞石民，等.基础工程[M].北京：清华大学出版社，2007.

[3]王新敏.ANSYS工程结构数值分析[M].北京：人民交通出版社，2007.

[4]刘鸿文.材料力学[M].北京：高等教育出版社，2007.