微型桩计算方法研究综述

胡明;雷用;李林;陈平

【摘 要】微型桩具有直径小、造价低、施工简便等优点,所以它在工程实践中得到了较为广泛的应用.该文主要从微型桩承受竖向荷载、承受水平荷载以及微型桩为抗拔桩、微型桩的稳定验算四个方面总结微型桩计算方法的研究成果,并据此提出了微型桩的应用在工程实践中的问题及相关建议. 【期刊名称】《重庆建筑》 【年(卷),期】2012(000)012 【总页数】4页(P15-18)

【关键词】微型桩;计算方法;稳定验算;荷载 【作 者】胡明;雷用;李林;陈平

【作者单位】后勤工程学院军事建筑系,重庆401311;后勤工程学院军事建筑系,重庆401311;后勤工程学院军事建筑系,重庆401311;后勤工程学院军事建筑系,重庆401311

【正文语种】中 文 【中图分类】TU473

微型桩一般是指桩径小于300mm，长细比大于30，采用钻孔、强配筋和压力注浆施工工艺的灌注桩。其主要特点有：施工机具小，在狭窄的施工作业区应用方便；施工振动、噪声小，适用于对环境要求高的市区施工；长细比大，单桩耗用材料少；采用二次注浆工艺，与同体积灌注桩相比，承载力高。常见的微型桩类型有压入或

打入微型桩、压密注浆加固型微型桩、悬喷-型钢复合微型桩、后压浆微型桩、压力注浆微型桩以及端承微型桩等[1]。微型桩在工程实践中应用较为广泛，可用于加层改造工程的地基加固、对既有建筑物地基基础加固和托换以及抗震加固、提高边坡稳定性、基坑支护或支承新建建筑物。微型桩单桩承载力计算简单；而微型桩群桩的工作机理、传递特性以及破坏模式复杂，相应地承载力计算也相对复杂，计算时不能简单地认为只是把基础荷载全部传递到地基土，而应当把微型桩看作是地基土的加筋，正如混凝土中加入钢筋，受力特性就会发生变化。微型桩施工后，桩和地基土形成复合土工材料，其受力和荷载传递特性发生相应的变化。而目前对于这种微型桩-土形成的复合结构共同作用的受力和荷载的传递特性还没有完整的理论系统，在国家和行业标准中也没有相关的规定。因此，对微型桩计算方法研究进展的总结，有助于今后对微型桩深入的研究和指导工程实践。

微型桩在我国的应用时间不长，许多问题还没有得到充分的认识，计算方法理论还不完善。若桩与桩的间距较大并且轴向受力，在设计中通常采用常规灌注桩的计算方法；若桩与桩的间距较小，则桩-土作为整体作用，此时的设计计算方法复杂多样。以下从四个方面阐述微型桩计算方法研究进展。 1.1 微型桩承受竖向荷载

微型桩的直径很小，因此计算微型桩单桩竖向承载力时一般忽略端阻力，而考虑摩阻力；但当桩端支承在岩石上时，要考虑端阻力，此时桩的承载力主要由桩身材料强度控制；而计算微型桩群桩的竖向承载力则需要考虑多种因素的影响，计算相对复杂。

澳大利亚的H.Brandl提出了一套半经验半理论的微型桩设计方法，微型桩单桩竖向承载力主要由摩阻力提供，不考虑端阻力。通过载荷试验测得微型桩的侧摩阻力极限值，然后根据测得的极限值和桩入土部分表面积求得单桩的极限承载力。 单桩竖向承载力可通过单桩载荷试验确定，但在试验前，需对微型桩承载力进行估

算。由材料强度确定单桩承载力时，桩身上部的截面材料强度决定了单桩承载力，Bruce[3]提出其竖向抗压按下式确定：

式中，f'c-grout为注浆体单轴抗拉强度（MPa）；FSgrout为注浆体强度安全系数；Agrout为注浆体截面净面积（m2）；Fy-steel为加筋体钢材最小屈服应力（MPa）；FSy-steel为加筋体钢材安全系数；Abar为加筋体横截面积（m2）；Acasing为套管横截面积（m2）；Fa为允许轴向应力（MPa）。

而由土确定单桩承载力时，桩荷载一般通过侧阻传递到土中，微型桩侧阻力主要由注浆体-土的界面决定，按下式确定[1]：

式中，ui为桩周第i层土的厚度（m）；qsui为桩周第i层土极限侧摩阻力（kPa）。

微型桩群桩承载力计算要考虑群桩效应，影响群桩效应的因素有：相邻两柱中心距与桩径之比、桩的入土深度、桩顶与帽梁帽板的连接情况、群桩大小以及土质特性。对于微型桩承受很大集中荷载的桩土复合体，可采用两种假设确定容许荷载：（1）考虑群桩效应后的单桩稳定性；（2）考虑整个桩土圆柱体的安全度[2]。 因为我国没有微型桩相关规范，估算微型桩的单桩承载力通常按普通灌注桩的承载力经验公式，这是偏于安全的。因微型桩是用压力灌浆的方法灌注水泥砂浆形成的，其中一部分浆液会渗入桩周土体，使得桩与桩周土体结合紧密，微型桩的承载力便会比普通灌注桩要大很多。因此，对于微型桩的工作性能、桩与土体间的相互作用机理以及计算方法理论的改进有待进一步研究。 1.2 微型桩承受水平荷载

微型桩单桩的水平承载力计算较为简便，微型桩群桩在水平力作用下的工作性能、荷载传递以及破坏模式不同于单桩，与多种因素有关，因此计算相对复杂。 对于微型桩单桩的水平承载力计算：

配筋率小于0.65%，其单桩水平承载力特征值可按下式估算[4]：

式中，α为桩的水平变形系数；γm为桩截面模量塑性系数，圆形截面γm=2，矩形截面γm=1.75；ft为桩身混凝土抗拉强度设计值；γM为桩身最大弯矩系数；ρg为桩身配筋率；W0为桩身换算截面受拉边缘的截面模量。 配筋率不小于0.65%，其单桩水平承载力特征值可按下式估算[4]：

式中，EI为桩身抗弯刚度；x0a为桩顶允许水平位移；γx为桩顶水平位移系数。 对于微型桩群桩在水平荷载作用下的水平承载力计算理论较多，计算相对复杂。若桩与桩的间距较小，分析时把微型桩看成是地基基础的加筋，此时微型桩的受荷情况就类似于钢筋混凝土结构，并且发挥了“纽结效应”(Knot Effect)，使桩与土作为一个整体，形成一个具有粘聚力的加筋土结构[5]。H. Brandl计算加筋土墙便是模拟钢筋混凝土梁计算，只是其假定地基土的抗拉强度为零[2]。

微型桩基础承受水平荷载多设计为网状结构的群桩，网状微型桩形成桩-土复合结构的作用机理复杂，但它的外部稳定性仍可按理想重力式挡土墙进行抗滑、倾覆和基础强度验算，其内部安全度则假定可能出现的滑动土楔进行验算[2]。只是该计算方法取决于现场桩-土的相互关系，因此还是以经验和直观判断为主[5]。周德培等[6]将微型桩与顶梁的连接看做固定连接，把桩群组合结构简化为平面刚架，但这种方法并没有考虑桩间土的作用。朱宝龙等[7]将微型桩和注浆体结合起来并看作抗滑挡墙，将滑坡中的部分滑动体改造成抗滑体来治理滑坡。还有一种网状微型桩的作用理念是边坡加固，即一个挡土结构和一个土壁或岩壁的土钉系统。用桩包围滑面以上的土并“钉”住滑面以增大抗剪阻力，基本方法是计算桩基对自然土阻力的作用[8]。

用p-y曲线法分析微型桩横向受荷是目前常用且较为合理的方法。p-y曲线法，也称为复合地基反力系数法，该方法的基本思想是沿桩深度方向将桩周土应力应变关系用一组曲线来表示，即p-y曲线。杨克己等[9]通过修正单桩的p-y曲线求得群桩的p-y曲线的方法和现场的实测值接近并且比国外有关同类方法简单实用，可

供有关桩基工程设计时参考。洪平等[10]利用给定的p-y曲线进行了桩在水平荷载作用下的可靠性分析。龚健等[11]对软土地基中的微型桩单桩及群桩进行了水平荷载试验并应用p-y曲线法计算了单桩和群桩的水平位移。

还有一种方法是弹力地基反力法，即假定土为弹性体，用梁的弯曲理论来求桩的水平抗力。沈龙运等[12]用地基反力系数法对微型桩进行位移和内力计算，土体反力按弹性抗力考虑，将全桩分为受荷段和锚固段，根据桩的变位连续条件和桩底端边界条件求得微型桩的变位和内力。

从理论上讲，p-y曲线法是一种比较理想的方法，配合数值解法，可以计算桩内力及位移，当桩身变形较大时，这种方法比地基反力系数法有更大的优势。 目前，模型试验以及数值模型试验分析微型桩的方法也得到广泛应用。模型试验一般是在试验室完成，是一种强有力的验证计算方法和解决实际问题的手段。数值模型试验是通过建立合理的有限元模型并利用有限元软件完成，利用有限元法解决问题方便快捷，可以将复杂的问题简单化并直观地观察微型桩的工作性能、荷载特性以及破坏模式。吴文平等[13]根据工程中可能出现的微型桩布置形式设计了模型试验，假设滑面以上部分结构中土体与桩的相互作用可以忽略，提出了微型桩组合结构的计算简化模型。陈强[14]通过离心模型试验，分别从坡顶位移、坡面位移及坡内部位移分析了注浆钢管微型桩对滑坡的控制效果，并讨论了钢管微型桩的受力特征。蒋楚生[15]等借用滑坡分析的计算方法来计算桩上的滑坡推力，将计算模式简化为滑面以上受推力或土压力作用的刚性顶板的多柱框架，滑面以下按固定端考虑。冯君[16]将微型桩体系和桩间岩土体视为桩-岩土体的复合型结构，提出了桩-岩土体-桩的相互作用模式和作用力计算分析模型，该模型考虑桩-岩土体-桩的相互作用，可较好模拟滑坡推力在各排桩之间的传递机制。最后，应用有限元理论建立计算微型桩体系内力和变形的力学模型。曲进等[17]利用室内模型试验探讨了循环荷载下劲性微型桩的弯矩分布及破坏机制。郭亮等[18]利用ABAQUS有限元软件对

不同施工工艺的微型桩现场水平荷载试验进行了数值模拟分析，研究了在水平荷载作用下二次注浆施工工艺对微型桩单桩工作性状的影响。陈正等[19]利用ABAQUS有限元软件对现场柔性微型桩试验进行数值模拟，分析结果基本能反映现场的实际情况。

此外，还有其他的计算微型桩承载力的方法值得深入研究和探讨。周德培等[6]提出对具有刚性顶梁固定微型桩的组合结构可按横向约束的弹性地基梁法计算其内力，由此形成的设计计算方法可得出较为合理的计算结果，工程应用效果也较好。潘星等[20]假定微型桩和土钉墙面层为刚度较大的复合面层并采用等效刚度法，按地下连续墙的理论进行受力和变形计算。叶万灵等[21]以大量的桩基水平静载荷试验实测资料为基础，提出了一种水平土抗力与深度、位移的函数关系以及水平地基反力系数与土质指标的函数关系，并利用相似原理，将非线性有限元的数值计算转化为简单的查表计算，建立了一种新的桩在水平荷载作用的非线性计算方法——NL法。 1.3 微型桩为抗拔桩

微型桩作为抗拔桩的研究文献较少，其单桩承载力可按下式估算[4]： Rt≤0.8πdlf

Rt为微型桩单桩抗拔承载力特征值（kN）；d为微型桩的直径（m）；l为微型桩的锚固段长度（m）；f为微型桩的砂浆或混凝土与岩土间的粘结强度特征值（kPa）。

黄俊等[22]利用Plaxis 3D有限元软件分析了在上拔荷载与水平荷载作用下微型桩的工作性状，研究了微型桩竖向抗拔承载工作机制，得到的结论对抗拔微型桩的优化设计起到了积极的作用。苏荣臻等[23]结合现场试验，研究了压力注浆工艺对微型桩抗拔承载力的影响。试验表明二次注浆工艺对微型桩的抗拔承载力有提升效应。 1.4 微型桩的稳定验算

由于微型桩长细比较大，一般由注浆体与土界面侧阻提供的承载力大于桩身材料强

度决定的承载力，因此要考虑微型桩在竖向荷载作用下的稳定问题。

Bjerrum[24]通过对钢筋、钢轨、H型钢等不同截面形式的微型桩的压曲进行了研究，认为即使软弱土也能提供微型桩足够的侧向支持，防止微型桩压曲并建议用下式估算微型桩的压曲临界荷载：

式中E为桩截面弹性模量（MPa）；I为桩截面最小惯性矩（m4）；l为桩侧向无约束长度，指桩侧仅仅受到土约束的长度（m）；Esp-y为土侧向抗力模量，即p-y曲线的斜率。

之后，Cadden等[25]、[26]把上式改写为：

式中A为微型桩横截面积（m2）；fy为桩材料的屈服应力（MPa）。

Esp-yCR实际是一个临界值[26]，当土的实际Esp-y小于Esp-yCR时，就需要校核桩的压曲稳定。

此外，王唤龙等[27]建立了考虑土体抗力的微型桩组合抗滑结构受压桩计算模型，并对受压微型桩进行了屈曲分析，推导出受压微型桩屈曲临界荷载的理论计算公式，进而导出压杆计算长度系数。

微型桩在地基处理的过程中使部分土体得到加强，理论上即为复合地基。微型桩的稳定验算理论上即对复合地基进行稳定分析，复合地基稳定分析方法很多，一般可采用圆弧分析法计算[28]。

微型桩虽然在我国应用时间还不是很长，但发展迅速，在边坡治理、地面沉陷修复、地基加固以及滑坡处理等方面得到广泛应用，由于微型桩有自己独特的优势，在某些特定的情况下，可能微型桩是唯一有效的解决方法，但其在应用和研究中还存在一些问题需要探讨：

（1）微型桩通常采用常规灌注桩的设计计算方法，微型桩群的计算方法虽然较多，但不同方法适用条件的确定以及如何寻求适合具体工况的设计方法还有待深入研究。 （2）微型群桩不同的组合布置形式的共同工作性能、荷载传递以及破坏模式的研

究还不充分，寻找不同条件或工况下微型桩群的最优组合布置形式有利于工程应用。 （3）利用模型试验可以反复观察来研究微型桩的工作性状，但其研究结果易受模型的局限，得出的结论不一定可靠。一般来说模型与试验对象的相似程度越高，试验的效果越好。因此，使模型更加接近实际情况以及相关计算参数的选取与确定还需要进一步研究。

（4）利用数值模拟试验分析微型桩可以从不同角度观察微型桩的工作性状，但目前还没有一个岩土本构模型可以完全反映土体所有的力学性质，而且相应的模型参数有时难以获得，因此利用有限元分析还很难完全模拟微型桩与土体实际的相互作用。

（5）微型桩在地震或机械振动影响下要承受水平方向的动力荷载，而目前对微型桩承受侧向循环荷载的研究还不多，设计理论不完善。微型桩作为一种支挡结构，充分研究其在动力荷载下的工作机理，对于我国这样一个地震多发的国家有重要意义。

相比于常规灌注桩，微型桩在工作性能、桩-土的相互作用、破坏模式及工程应用中有自己的特点，因此对于微型桩的设计计算也应区别于常规灌注桩。但由于微型桩的设计计算理论滞后，一定程度上限制了微型桩在工程中的应用，因此根据具体情况合理设计和选择恰当的微型桩计算方法对微型桩的应用和发展有重要意义。

目前，钢结构厂房天沟为3mm厚钢板，是机械加工的成品，在施工中由于焊接等原因，容易变形，造成积水排不干净，时间长了，导致天沟锈蚀。如何解决此类问题呢？

一、细化天沟做法

当前，天沟设计一般是盲区，图纸只有示意图，而给排水图纸只有落水管排水系统图。施工时，按示意图施工，没有排水坡度、焊接变形等原因，难免造成积水排不

干净，所以，细化天沟做法很有必要。根据给排水图纸中的排水系统，确定天沟排水口位置，划分天沟排水区域，按1%的坡度确定天沟排水深度。 二、天沟加工及施工

（1）加工天沟钢板时，对天沟钢板逐一编号。安装时，由低到高先点焊，检查坡度是否符合要求，再进行天沟钢板接头焊接。焊接时，由中间向两边对称焊接，防止焊接变形。

（2）划出排水口的位置，用乙炔切割开孔，边口打坡，平焊排水口。 （3）安装、焊接两端山墙的溢水口。 三、注意事项

有雨水口的位置，屋面梁系杆应偏离纵向中心线。避开落水管。特别是落水管采用倒虹吸管时影响最大，倒虹吸排水口整体高约500mm、中心安装，正好与屋面梁系杆相碰，造成屋面梁系杆无法安装。中间天沟采用倒虹吸管排水时，倒虹吸雨水口底盘高出天沟板，应从天沟板底焊接倒虹吸雨水口底盘，降低雨水口高差。天沟钢板底应做保温，防止产生冷凝水；天沟内侧除做防锈外，还应做防腐处理。（摘自：《建筑工人》） 【相关文献】

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