1 绪论
1.1 引言
随着中国经济的快速发展，各类大型工程项目不断涌现[1]。桩基础作为一种常见的基础形式，被广泛应用于高层建筑、高速公路、铁路等工程中，以解决天然地基无法满足承载力要求的问题。近年来，国内经济持续增长，城市化建设加速向前推进，城市内高层林立，城镇人口呈几何式增长，导致城市地上建设空间越发紧张，甚至难以满足城市建设所需。在这种大形势下，地下空间的综合开发利用已成为必然趋势，地下商场、广场、停车场等地下空间结构得到更广泛的应用[2]。由于没有上层建筑，地下空间结构往往不能有效地抵抗地下水的浮力。此时，在设计中有必要设置一些抗浮措施，以满足抗浮条件，如抗拔桩、抗浮锚杆等[3]。由于抗拔桩具有施工方便、承载力高、抗浮效果明显等优点，应用较为普遍。
然而，由于部分地区地质条件复杂、地下水位较高、水位变化较大及施工工艺不成熟等因素，导致抗拔桩出现了单桩抗拔承载力不足等问题。本文的工程背景为郑州综合交通枢纽东部核心区地下空间综合利用工程，项目为一地下三层框架结构。该工程的施工场地所在区域属于黄河冲积平原地区，地形平坦，地下水位较高，则在结构设计中，需考虑设置抗拔桩以满足结构的抗浮要求。根据实际地质勘察情况，场地地表土为流塑状的黑色淤泥质土，含水量较大，物理、力学指标较低，且深挖后自动塌落。地表以下土层中含有多个砂层，包括粉砂、细砂、中砂层，且在这些砂层之间，还包含了粉土、粉质黏土等多个土层。除此之外，在粉质黏土中，局部还夹杂有淤泥质土，土质较软。综上所述，现场场地的土层情况体现出了场地土的复杂性。
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1.2 抗拔桩国内外研究现状
1952 年，Berezancev 采用了 Haal-Karman(1909)塑性状态，从广义库仑破坏条件出发，并假设桩侧土为轴对称变形，运用通用的平衡方程,得到了圆柱形抗拔桩承载力的双曲线型理论计算公式。
1977 年，Parry 做了一组抗拔桩模型试验，发现在桩体刚开始受荷时，桩周一定范围内的土体会产生微小的倾斜位移；随着荷载的增大，土体的位移逐渐增大，且土体中出现若干破裂面；之后，随着桩体继续加载，土体中的破裂面会逐渐贯通而形成一个连续的破裂面；最终，地基失去承载力，桩土之间相对位移急剧增加，桩被拔出[6]。
1985 年，Chattopadhyay 等人通过研究砂土中桩的极限抗拔承载力的分析方法，得出结论，即：桩的桩侧摩阻力及极限抗拔承载力与砂土的相对密度和桩的自身特性有关[7]。
1990 年，Turner 研究了在重复荷载的作用下，抗拔桩承载力的变化。他得出结论：在重复荷载作用下，桩土之间出现相对位移，并带动大量的土体颗粒产生移动，首先降低了土体的水平侧压力系数，且土体的变化使得桩侧摩阻力也发生改变，最终导致抗拔桩承载力的降低[8]。
1993 年，Nicola 和 Randolph 使用基于有限差分法的 FLAC 程序模拟了 Gibson 沙土在拉伸和压缩作用下桩的侧摩阻力的发挥，认为在拉伸和压缩作用下桩侧阻力不同的原因为：桩体泊松比效应；桩的长细比不同；总应力场的差异和主应力方向的旋转引起平均有效应力的差异[9]。
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2 抗拔桩承载机理及计算理论
2.1 抗拔桩的应用
在地下水位较高的地下结构设计中，若结构自身的重力荷载不能满足结构的抗浮要求，就会导致结构出现上浮现象，进而引起底板或墙柱开裂甚至结构倒塌等问题，严重影响了结构的使用安全。因此，在地下结构设计中，要根据实际情况，适当地采取一些抗浮措施，如设置抗拔桩来提高结构的抗浮能力[16]。
2.1.1 结构设计中的抗浮措施
在地下结构设计中，通常采用的抗浮措施有以下几种：
（1）设置抗拔桩
抗拔桩作为抗浮结构来说，桩身承受向上的拉力，依靠桩体自身自上而下的桩侧摩阻力的发挥而起到抗浮作用。抗拔桩桩身受力与水浮力有关，即桩受力大小会受到地下水位的影响。在抗浮设计中，通常将抗拔桩与其他结构设计为一个整体，即将抗拔桩与其下部承台及上部结构连接。由于抗拔桩的桩径通常较大、桩长较长、桩身表面积也较大，因而单桩的承载能力也较大。然而，抗拔桩的成本相对较高，同时也需要较高的施工工艺[17]。
（2）设置抗浮锚杆
抗浮锚杆与抗拔桩类似，作为抗浮结构来使用时，通常与上部结构相连接。锚杆锚固在土层中，锚杆整体被水泥砂浆所包裹。在受到水浮力作用时，锚杆自身受到向上的拉力，锚杆与周围土体之间产生摩擦力而起到抗浮的效果，使结构物保持稳定。与抗拔桩相比，抗浮锚杆的直径较小，布置的间距通常也较小，因此在地下水浮力一定的情况下，底板上的弯矩和剪力也较小。因此，在抗浮设计中使用抗浮锚杆时，一般不需要将结构底板设计得太厚，这在一定程度上降低了成本。另外，与抗拔桩相比，抗浮锚杆的施工工艺等相对简单，进一步降低了成本[17]。
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2.2 抗拔桩的承载机理
2.2.1 抗拔桩承载机理分析
要研究抗拔桩的承载力，首先要对抗拔桩的承载机理进行研究。由本工程的单桩抗拔静载试验可得到如下图 2-2 所示的某抗拔试验桩的荷载-位移曲线。从曲线图中可以直观地看出，在桩所受的上拔荷载从零开始不断增大的过程中，桩顶的上拔量始终大于桩端的上拔量。且在荷载较小时，桩顶的上拔位移存在但比较小，而此时，桩端的上拔位移值为零，即桩端保持不动。随着荷载的逐渐增大，桩端上拔位移从零开始不断增大，但始终小于桩顶的上拔位移。之后上拔荷载进一步增大，逐渐接近抗拔桩的抗拔承载力极限值。当上拔荷载超出抗拔桩的抗拔承载力极限值时，桩顶位移急剧增大，此时整个桩将会被拔出土体，桩体最终被破坏[20]。
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3.1 工程概况 ............................ 22
3.2 工程地质条件概况 ................................ 23
4 抗拔桩抗拔力的提高措施及试验研究 .................................... 36
4.1 设计角度分析 ......................................... 36
4.2 减小泥皮厚度 ............................. 37
5 后注浆抗拔桩承载性能数值模拟 ...................................... 53
5.1 ABAQUS 软件简介 .................................... 53
5.2 参数选取与模型建立 .......................................... 54
5 后注浆抗拔桩承载性能数值模拟
5.1 ABAQUS 软件简介
ABAQUS 是一款功能强大的通用分析软件，能够有效地解决线性、非线性、静力及动力等多种问题。ABAQUS 所包含的丰富的材料模型库，使其可以准确地模拟出金属材料、钢筋混凝土、高分子材料、复合材料、以及不同土层等多种工程材料。此外，软件中还包含了多种不同的单元模型、荷载类型及边界条件等，比较适用于岩土工程中，用来解决各类岩土工程问题[53-54]。
总的来说，ABAQUS 在岩土工程中的应用相比其它有限元模拟软件具有以下几方面优点[53-54]：
（1）ABAQUS 具有更多的单元种类，通过对各个单元之间进行比较，选择出较为合适的单元类型，以便能够更加准确地反映结构的不同特性以及结构之间的相互作用。
（2）包含更加丰富的材料模型，这对于岩土工程问题的解决来说更加适用，能更加真实地反映出土体的受力性状及破坏形态。
（3）设置的接触(interaction)模块，包含更多的接触类型，比如硬接触和软接触，双面接触和自接触等。同时，在设置接触面的性质时，还可以考虑结构物之间的摩擦情况。通过模拟出实际情况下所存在的各种接触，来体现构件之间的相互作用。
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6 结论与展望
6.1 结论
本文以郑州东区某地下空间综合利用工程项目的抗拔桩施工为依托，通过理论分析计算、抗拔试验桩抗拔静载试验、抗拔桩后注浆试验以及有限元模拟软件 ABAQUS 对未注浆和注浆后抗拔桩的承载特性等进行试验、模拟及应用研究。本文主要的研究分析结论如下：
（1）抗拔试验桩抗拔力不满足要求的原因，主要有以下三点：设计时桩体参数不够合理；桩侧存在较厚泥皮，影响桩侧摩阻力的发挥；桩端存在大量沉渣，导致桩端锚固力很小。
（2）针对抗拔桩抗拔力不足的情况，可通过以下几点措施来解决：从设计角度来看，可以考虑从增加抗拔桩的桩数、增大桩长和桩径等方面来提高抗拔桩抗拔力；可以通过使用化学泥浆护壁、改用旋挖钻机成孔等来减小泥皮厚度；可以通过桩端桩侧复式后注浆来改善泥皮和沉渣的影响。
（3）对承载力不足的抗拔试验桩进行桩端桩侧复式后注浆，可以使抗拔桩单桩极限抗拔力提高 66.7%。注浆后抗拔桩承载力均满足单桩设计抗拔承载力极限值要求，且各桩的最大沉降量均大幅度减小。
参考文献（略）