地基基础设计思考与实践（二十五）-抗浮设计(下）

地基基础设计思考与实践（二十五）

抗浮设计（下）

                              一

     等截面抗拔桩 的破坏形态如下图：

     扩底抗拔桩 的破坏形态如下图：

    岩土的复杂性可见一斑，这些复杂的破坏形态的发生条件很难理论化，一般通过现场载荷试验并考虑一定的安全度确定。简单的也可按规范给定的计算公式进行估算，规范的计算公式也是归纳了上述的破坏形态考虑了适当安全度的简化。

     群抗拔桩如果桩密度比较大，可能有一种破坏是把土体整个带起来，类似鲁智深倒拔垂杨柳。这个抗拔力无法做实验，规范只好仅给出了计算公式。很容易理解，公式是按把整个土体当成一根桩来进行抗拔计算的。

    抗浮桩和受压桩二者机理不同：

   （1）抗拔桩仅利用摩阻力，不存在端承力。

   （2）受压桩桩身压缩膨胀及土体压缩挤密膨胀会加大摩阻力，而抗浮桩则正好相反，桩身收缩，土体变松，摩阻力变小，故规范计算摩阻力采用的是受压桩摩阻力的折减系数 。

    有实验数据为证，对于 ，预制桩比灌注桩折减的多（ 更小），短桩比长桩折减的多，砂土比粘性土折减的多，我们大概都能感觉的出来为什么是这样。

    有关桩基的大学教材或一些工程书籍都说等截面桩在上拔荷载作用下初始阶段主要由浅层土提供，并自上而下发挥（桩与土的相对位移在6~10mm时，侧阻将达到最大值）。

    我读了英国人JE戈登写的《结构是什么》，其中一段是关于锚定物抗拔力分布的，非常有意思。

    抗拔力沿杆件的分布与抗拔杆与锚定基材的刚度比有关，较软的杆件分布力集中在浅层，而硬的杆件分布力则集中在中深部。混凝土桩刚度远大于地基土，那似乎应该是深部的分布力更大，稍微思考我们似乎也可以感觉的出来，虽然这个观点和我们结构工程一些资料相悖，但也不能因此否认通常观点的正确性，因为戈登也说了，这个非常复杂，以至于很难确定。土层的复杂性远远大于一般的锚固基材，所以一般的结构工程师还是按一般资料理解的好。这点和抗拔桩的实际设计基本没有关系。

    我喜欢思考一些力学问题，能够培养结构工程师的力学感觉，有自己的判断力，而不是人云亦云，写这些是给结构工程师一个有意思的新角度。

    对于中长桩，一般做成扩底桩，规范对扩底桩的破坏形态进行了简化如下图：

    抗拔桩受到向上的浮力的时候抗拔，受到压力的时候，就能像普通的摩擦桩一样受压，即使我们设计并不利用其受压作用也依然存在，也许会起到不利作用，下文和锚杆一块说说。

二

    下面介绍一下锚杆。

    岩石基础锚杆，如下图：

   基坑锚杆如下图：

    再看下抗浮锚杆：

     可以看出三种不同用途的锚杆既有相同点也有很大不同。

     （1） 基坑锚杆必须有足够的自由段 ，即自由段按滑切面的深度加上一个构造尺寸。锚杆锚固于滑切面以外的稳定岩土上，滑切土体被锚杆紧紧拉住固定在稳定的土层中。

     如果锚杆锚固段长度不变，而把自由端也灌注砂浆，当成锚固段的富余储备，是否可以呢？

     为了减少基坑的初期变形，需要对锚杆施加一定的 予拉力 ，如果锚杆通长粘结，预拉力将被浅层土（滑切面以内的土层）几乎全部消耗掉，起不到预拉力减小变形的目的。

    但和锚杆表面类似的土钉为什么是完全粘结的呢？ 这是因为土钉和锚杆原理不同，土钉是加固浅层土的，类似土的加筋体，即将浅层土的强度加固成为一个整体，类似于重力式挡土墙。如果土钉加固的如重力挡土墙一样的浅层土仍不能满足基坑稳定时可以采用锚杆和土钉联合方案。

    （2）抗浮的非预应力锚杆也是全长粘结性的锚杆，因为它拉结的是上部结构，而不是浅层土， 故不是必须的预留自由段 。但为什么实际中大量采用有自由段的锚杆呢？

     水浮力的特点是水位上下变化的往复荷载。对于全长粘结型的锚杆的浅层土受到拉压的往复，会逐渐使浅层的抗拔摩阻力逐渐失效（甚至将浅层的锚固体压溃失去作用）并逐渐向深层延伸，直至全部失效（规范对于全长粘结的锚杆，基底以下4米的粘结作用是不考虑的，但目前对往复水位荷载作用下的锚杆拉力失效的机理研究非常的不充分）。

    自由段的钢索等往往是松弛的，需要施加一定的预应力，避免结构产生初期变形时，松弛的钢拉索起不到作用。对抗浮变形要求严格的结构可以施加足够大的预应力以部分或完全抵消水浮力引起的变形。全粘结型的锚杆是无法施加预应力的，总会产生较大的初期变形才可以充分发挥其抗拔作用，所以只能用于对抗浮变形要求不高的建筑。  

    当地基土刚度非常大比如岩石时，岩土几乎不可压缩，上述对锚杆的破坏作用几乎不存在，所以 对于岩石锚杆无需设置自由段 。岩石的强度足够大，岩石锚杆就像基础与结构柱之间设置了施工缝的柱钢筋锚固于基础一样，只是岩石已经在那里了，只好后植筋了。

   （3）严格讲 锚杆的预应力应该叫预拉力 ， 锚杆的预拉力和预应力结构构件的预应力有着本质的不同 ，这个下文再说。

   （4）从理论上全粘结的非预应力锚杆和抗拔桩没有本质的区别，国外所谓的锚杆（anchor）一般指的是有自由段的预应力锚杆。但国内习惯把直径小的全粘结也叫锚杆，故国内分无自由段的非预应力锚杆和有自由段的预应力锚杆。

   （5）很容易理解，扩大头（囊式）的锚杆的抗拔力远远大于等截面锚杆。

   （6）一般锚杆的抗拔力是通过锚筋与锚固体的粘结把拉力传给锚固体，锚固体再通过与土体的摩擦传给土体，这种锚杆叫拉力型，锚固体受到复杂的不均匀劈裂应力的作用，所以人们发明了压力型锚杆，即在锚固体设置端板，这样锚固体受到端板的压力和表面摩擦力的作用，不会破坏和产生裂缝。如下图：

   

    分散压力型锚杆，是将端板对锚固体的压力进行分散到不同的位置，但工艺比较复杂，实际应用不多。

三

   抗浮桩和抗浮锚杆的选择。

   （1）抗浮桩目的是解决水浮力的问题，但却也大幅度增加了地基的刚度，如果设计时两者恰好能结合起来那是最好的，比如软土地基时的建筑。

    但很多建筑存在抗浮问题，是因为结构的重力荷载太小，一般不需要桩抗压作用，所以桩抗压作用很可能会起到不利的影响，比如：

    地下车库因为抗浮桩大大减少了地下车库的沉降，使与高层的沉降差加大；独基加防水板受到地基沉降时的反力，有时甚至把薄薄的防水板顶裂，如果把抗拔桩集中在柱墩下面布置，防水板将受到水浮力的完全作用。

    为了减少抗浮桩在受压时对底板的不利作用，桩端保留虚土和短桩可以起到一定的作用，但不能解决根本问题。

    此时最好的办法就是采用预应力锚杆，预应力锚杆的自由端不会对沉降时的防水板产生向上的反力。

    钢筋混凝土抗浮桩断面较大，基础下沉时，抗浮桩一般不会破坏，但会对底板（尤其是较薄的防水板）产生不利的影响。全粘结的细长锚杆则正好相反，受压承载力较差的锚杆难以对底板产生不利影响，但会因底板的压力造成锚杆抗拔能力的降低。

    所以应慎重采用抗拔桩和非预应力全粘结锚杆。

   

   （2）抗拔桩分一般灌注桩和预制桩。抗拔桩的设计分为两个层次，一个是把桩当成一个整体，用桩受到土的摩擦力等计算桩的抗拔承载力。第二个层面是桩本身的计算，即配筋和裂缝计算，配筋计算是不考虑混凝土截面抗拉强度要能单独承担抗拔的设计承载力。

    桩基规范和地基规范都给出了不同环境下的桩的裂缝的要求，都来自于《混规》的规定，计算方法也完全采用《混规》的计算方法。

    混凝土构件产生裂缝的机理是非常复杂的，科研人员做了很多的研究，但至今比较成熟的只限于承受轴力和弯矩的构件。我觉的《混规》的轴心受拉构件和抗拔桩的混凝土受力有不能忽略的不同，见下图。

    我觉的抗拔桩在同样的钢筋拉力下，产生的裂缝可能和宽度要比轴心受拉构件小的多。建议科研人员进行下研究，也许是很好的博士论文的课题呢。作为工程师我只能提出问题，结果只能研究后才能知道，桩基规范一股脑的推给《混规》不是太合适。

   

    按《混规》计算出抗拔桩的裂缝不满足要求时，需要加大钢筋或施加预应力。对于现场灌注桩如果施加预应力只能是无粘结预应力，《桩基规范》5.8.7、5.8.8对此做了说明，党昱敬的《拉力分散型预应力混凝土抗拔桩设计》也对此做了介绍，因对现场施工要求比较高，实际应用并不多。

    对于预应力预制桩，分预制实心方桩和空心桩。预制抗拔桩要考虑预应力筋锚入承台，对于焊接在桩顶端板的锚筋要保证其焊接节点的可靠性。空心桩应该灌芯，灌心内配置钢筋锚入承台，并应计算灌心配筋和灌心长度，要保证多节桩连接处的耐久性，最好是单根桩，要求比较多。方桩稍微优于空心桩。预制桩总体不如非预应力灌注桩施工简单、计算可靠（裂缝不够加大配筋即可），应用起来要慎重。

    

四

    预应力锚杆和 锚固体的裂缝。

     再看下锚固体的受力分析：

   

    普通拉力型锚固体会产生斜向的劈裂裂缝，但对压力型锚固体就像受压柱一样，根本不会产生裂缝。

    严格讲，预应力锚杆应该叫预拉力锚杆，预拉力的作用是给予锚杆预先的拉力，减少了结构向上的初始变形。但是对于锚杆和锚杆锚固体来说，这个预拉力和受到水浮力时的拉力是一致的，也就是预拉力的存在增大了锚杆和锚固土的受力，预拉力不能减少锚固体的裂缝，会增大其裂缝。  

    《抗浮标准》7.5.8：

   

    锚杆的锚固体均是后注浆形成的，不可能施加如前文抗拔桩那样的预应力，所以上述的锚杆规范公式中不应该出现有效预压应力一项，很容易和所谓的预应力锚杆的预拉力相混淆，犯很大的错误。很显然该条也是完全照搬桩基的抗拔桩的裂缝计算内容。我们前文已说过，抗拔桩的裂缝计算采用《混规》的计算方法已不合理，锚固体再照抄就更加不合理了，因为锚固体根本就不存在预应力（如预应力结构构件那样的预应力）这个概念。普通拉力型锚固体和非预应力抗拔桩裂缝机理相同。

 

    《混凝土规范》给出了受弯等构件的裂缝计算公式，虽然计算和实际有很大的差别，但至少计算方向是正确的，规范给出了一个统一的标准，我们统一按这个标准执行即可。但锚杆锚固体受到复杂应力的作用，目前没有合理的计算方法，建议规范采用构造和材料措施和制定合理施工工艺更可行。  

五

    水浮力是一个往复变化的荷载，所以基础底板、地基土、锚杆受力和变形均是不断变化的，这是水浮力的特点。一般大家只是考虑了在设防水位时的受力，但在变化过程中是否有什么不利的影响呢？这点是很难弄清楚，我试着按自己的理解定性的描述一下，见下图：

   

   （1）水位较低，水浮力为零。锚杆预拉力在基础底板浇筑完毕时张拉（上部结构未开始或仅完成很少部分），此时因为锚杆的张拉力，地基受到基础自重和锚杆拉力作用，地基有微小的压缩变形。

  （2）结构主体荷载不断增加，增加的荷载小于等于锚杆预拉力时，地基土压力（变形）分布的波浪变化曲线的峰谷位置移动，从锚杆处移动到柱底处，但地基平均压缩变形不变，从而锚杆预应力逐渐转移成结构柱的压力，锚杆拉应力逐渐松弛为零。上部结构逐渐加大，地基变形开始增加，此时锚杆的自由段开始松弛弯曲，直到结构荷载完成。

   （3）当水位上升到底板高度并继续上升时，地基反力中将包含水浮力，相应的地基土的反力变小，地基总反力分布将趋于平缓。当水位到达一定高度水浮力大于结构荷载时，结构底板开始向上浮起变形。

   当变形到达一定程度时，锚杆才开始起作用。初始的作用不大，结构继续上浮，锚杆张紧，将结构紧紧拉住。

    从上述分析看，无论锚杆是否有预拉力，地基总会产生向下压缩，并结构向上浮起的变形，只是预拉力会减少这个变形值。

    有专家说，计算锚杆抗浮底板的柱冲切时，因为是脆性破坏不应考虑锚杆的作用，计算弯矩时再考虑。从上述分析看，似乎无需这样。但我觉的需按两种工况计算，一是完全没有水浮力和无锚杆拉力时的底板反力，和设防水浮力时底板受到锚杆拉力作用的情况。冲切计算时建议人为的比抗弯设计增加一个安全系数。如果按最大浮力而不考虑锚杆的拉力计算柱底板冲切似乎太保守了。

    如能确保施工期间不会发生浮力问题，也可以在结构主体完工后，施加预拉力，此时水浮力上升后，结构向上的浮力变形非常小，如果此时预拉力相当于设计荷载，浮力向上的变形将几乎为零。

                          

六

    抗浮规范和有关的资料都提到了主动降低水位的方法，比如设置排水盲沟的泄压法、监测水位并机械泄压系统、设置泄水口让水进入室内的内外平衡法等。结构工程师很容易理解降低水位（或室内外水位差）必然减少水浮力，但在几十年的使用期如何保证泄压系统的正常运行是个长期管理问题，结构工程师无法控制。设置盲沟等法需要岩土工程师主导，保证盲沟的水能及时排到某一个水位较低的区域，这也不是结构工程师能控制的。主动让水进入室内，降低室内外水位差，要控制好什么时候才需要让水进入室内，难度不小，毕竟让水进入室内对建筑的伤害也非常大。

    我在实际工作中从没有采用过上述方法，故本文的论述只是个概念，大家设计中如果遇到，一定要让甲方组织有关的人员共同商量确定，并且在图纸中说明，采用的有关措施由业主另行委托设计或物业管理解决。  

  2021年8月2日

参考文献：

1：《地基基础283问》 刘惠珊等

2：《土力学》《基础工程》 清华大学   李广信等

3：《地基与基础》郑刚等

4：《建筑地基基础设计禁忌及实例》刘金波等

5：《拉力分散型预应力混凝土抗拔桩设计》党昱敬

6：《结构是什么》 J.e 戈登

7：《桩基规范》

8：《抗浮标准》