工程中的抗拔樁設計研究

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【摘要】本文通過介紹南寧某辦公樓的抗拔樁設計，闡述了抗拔樁設計的重難點，尤其是設計過程中對工程樁檢測方面的處理方式和思路，可供結構設計同仁參考。

【關鍵詞】抗拔樁；承載力；裂縫；工程樁檢測

隨著城市的不斷發(fā)展，土地資源越來越稀缺，人們更加注重地下空間的開發(fā)利用，地下2層、3層結構屢見不鮮，隨之而來的是結構抗浮問題。工程上常用的抗浮措施有：壓重法、抗浮板法、排水限壓法、隔水控壓法與泄水降壓法、錨桿法和錨樁法（設置抗拔樁）[1]。在抗浮力與浮力相差不大時首選壓重法。而在二者差別較大時，與其他幾種措施相比，抗拔樁基礎具有安全性高、工期短、成本較低、適用性強等特點，因而抗拔樁是解決抗浮問題的常用措施。本文主要通過工程實例設計介紹抗拔樁設計的重難點。

1抗拔樁的理論研究

我國樁基礎發(fā)展歷史悠久，很久以前已經(jīng)開始將木樁基礎應用于房屋建設中。而在漢朝的橋梁工程中，木樁基礎已經(jīng)非常普遍。隨著鋼筋、混凝土等材料的興起，20世紀60年代，鋼筋混凝土樁基本取代了木樁，并在工程中迅速發(fā)展。抗拔樁是通過樁身與土體之間摩擦阻力傳遞荷載至樁體周圍土體，當摩擦阻力達到極限值而突破后，樁體即破壞并失去作用。抗拔樁在受到上拔荷載而破壞的狀態(tài)有剪切破壞、倒錐形破壞、復合剪切面破壞、樁體拉斷[2]。剪切破壞常出現(xiàn)在樁身與土之間的摩擦阻力小于上拔力時；倒錐形破壞容易出現(xiàn)在土質較軟的巖層；復合剪切面破壞在樁身較長、較硬質的粘土灌注樁中較易出現(xiàn)；樁體拉斷只有在樁身配筋不足等自身因素下出現(xiàn)。抗拔樁的抗拔力由樁體自身重量、樁身側面與土體摩擦阻力、樁底部負壓所形成的真空吸力組成。由于真空吸力在學術界尚未有明確的研究分析，故設計中只考慮前面兩項。而關于抗拔樁極限承載機理的研究并不多，工程上的做法是參考抗壓樁的側摩阻力計算方法，并在此基礎上考慮一個抗拔系數(shù)。但抗拔系數(shù)的選取其實是基于工程試驗結果并參照有關規(guī)范綜合考慮后給出的值，并不能充分考慮荷載特性、樁型、樁的施工工藝、樁周土質等。

2工程實例

2.1工程概況

工程位于廣西南寧市青秀區(qū)，是一棟地上10層，地下1層的辦公樓。其中塔樓范圍內地下室層高6.0m，純地下室層高為4.8m，地上建筑高度48.0m。總建筑面積16516m2，其中地上建筑面積10451m2。塔樓范圍內地下室的功能為設備用房，純地下室區(qū)域為停車庫，無人防功能。地下室頂板覆土300mm。整個場地較為平整，高差只有0.30m。本工程安全等級二級，設計使用年限50年，結構耐久年限50年。設計地震分組第一組，建筑場地類別Ⅱ類。上部采用框架剪力墻結構，其中框架抗震等級四級，剪力墻抗震等級三級。地下室頂板厚度250mm，底板厚度400mm。

2.2地質情況

根據(jù)勘察報告顯示，本工程場地自上而下土層土分布如下：素填土①，黏土②；粉砂③；全風化粉質泥巖④；全風化粉砂巖④1，強風化粉質泥巖⑤,強風化粉砂巖⑤1，煤，中風化粉質泥巖⑥，中風化粉砂巖⑥1。本工程基坑開挖后露出持力層④、④1、⑤、⑤1，故主樓下采用天然筏板基礎；純地下室外墻處抗浮滿足計算故采用柱下獨立基礎，其余采用鉆孔抗拔灌注樁，樁端以中風化粉砂巖⑥1作為持力層，并要求樁端全斷面進入較完整中風化粉砂巖⑥1深度不小于1.5d（d為樁身直徑）。本工程選取的樁形為鉆孔灌注樁，樁的極限端阻力標準值qpk=3500kpa；qsik=170kpa。④1層取qsik=100kpa；⑤層取qsik=140kpa；⑤1層取qsik=150kpa。⑥層取qsik=160kpa。

2.3抗拔樁設計

抗拔樁設計的思路一般是先根據(jù)場地勘察報告提供的土質參數(shù)，估算單樁抗拔極限承載力標準值，其次是驗算樁身承載力，然后根據(jù)場地勘察報告提供的環(huán)境類別、水和土的腐蝕性等確定樁身的裂縫控制等級，并依此復核樁身配筋。而裂縫控制等級分為三級，其中一級為嚴格要求不出現(xiàn)裂縫，二級為一般要求不出現(xiàn)裂縫，三級為控制樁身裂縫寬度。工程上常見的為三級裂縫控制等級。本工程底板底絕對標高為87.90，地勘報告建議的抗浮設計水位為93.00，水頭達5.1m。經(jīng)計算，地下室頂板覆土自重、地下室頂板及底板的梁板柱自重不足以抵抗地下水向上的水浮力，且抗浮力與浮力相差較大，而頂板不具有增加覆土重量的條件，故本工程采用抗拔樁基礎。本工程地基基礎設計等級乙級，抗浮工程設計等級乙級，樁基設計等級乙級。抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)取1.05，單柱下的抗拔樁需提供的抗拔承載力標準值最大值為Nk=1830KN。2.3.1單樁抗拔極限承載力標準值文獻[3]規(guī)定，如無當?shù)亟?jīng)驗時，群樁基礎及設計等級為丙級建筑樁基，群樁呈非整體破壞時，基樁的抗拔極限承載力標準值按下式計算：根據(jù)研究[4]發(fā)現(xiàn)，擴底抗拔樁達到極限承載力時所需的位移更大，但與擴底直徑大小無關；而且擴底抗拔樁比等直徑抗拔樁的極限承載力有明顯提高，表現(xiàn)得更有后勁，但造價上并未有太多增加，經(jīng)濟性較好。另外不同擴底直徑的擴底嵌巖抗拔樁的破壞模式是樁身鋼筋混凝土發(fā)生受拉破壞，而這種破壞形態(tài)研究比較成熟，對于設計師來說也是更為可控的情形，配置一定的樁身鋼筋即可。2.3.3抗拔樁檢測抗拔樁的樁身完整性檢測及單樁數(shù)學承載力檢測的方法和檢測數(shù)量按《建筑基樁檢測技術規(guī)范》(JGJ106-2014)[6]第3.3.3～3.3.8執(zhí)行。但是工程樁驗收檢測時，要特別注意檢測方案中關于施加的上拔荷載的取值。筆者分別對樁身混凝土等級為C30、C35、C40，樁身直徑1200mm，按最接近規(guī)范的裂縫限值0.20mm反算最大的抗拔承載力標準值最大值為Nkmax。混凝土通過表1、表2比較后發(fā)現(xiàn)以下規(guī)律：（1）當樁身混凝土等級大于C35時，樁身配置的鋼筋能承受的最大拉力小于抗拔承載力特征值T的2倍。在樁身混凝土等級為C30時，樁身配置的鋼筋能承受的最大拉力均大于抗拔承載力特征值T的2倍。（2）樁身混凝土等級相同時，選用數(shù)量更多的小直徑鋼筋時，鋼筋能承受的最大拉力值更小。文獻[4]中5.1.2條，工程樁驗收檢測時，施加的上拔荷載不得小于單樁豎向抗拔承載力特征值的2.0倍或使樁頂產生的上拔量達到設計要求的限值。當抗拔承載力受抗裂條件控制時，可按設計要求確定最大加載值。本工程單樁豎向抗拔承載力特征值1830KN，單樁豎向抗拔承載力極限值3660KN。樁身配筋為2025，取試驗上拔荷載3660KN試算，得wmax=1.014mm遠遠大于0.20mm，且3660KN>3535KN,若按2.0T作為施加的上拔荷載，鋼筋會被拉斷。此時有以下3種處理方式：（1）樁身配筋改為4025，得wmax=0.328mm略大于0.20mm，此時鋼筋中心間距只有94mm，配筋量為抗裂計算需要的2倍。考慮到工程樁的檢測隨機性很重要，受檢的工程樁不應預先指定、特制，所以需要所有工程樁均按這個要求配置鋼筋，這樣經(jīng)濟性太差。（2）取檢測時的上拔荷載為1.5T即2745KN，得wmax=0.606mm大于0.20mm，且2745KN<3535KN(鋼筋承受的最大拉力)，可行。（3）取檢測時的上拔荷載為1.35T即2470KN，得wmax=0.483mm略大于0.20mm，且2470KN<3535KN(鋼筋承受的最大拉力)，可行。通過以上3個方式的比較，綜合考慮經(jīng)濟性，本工程采用方式2。由于檢測時的上拔荷載屬于瞬時荷載，裂縫也屬于短期裂縫，卸載后裂縫會封閉，但對樁頂?shù)目沽研阅苡幸欢ǖ挠绊懀试跇稒z測完畢后，需對這些樁的樁頂范圍采取外防護加強措施，如外防水加強。2.3.4沉降由于裙房上部荷載小，加上抗拔樁的支承作用，此區(qū)域的沉降將受到限制。而高層塔樓上部荷載大，采用天然基礎時沉降一般較大，這樣就導致高層塔樓與裙房之間的沉降差較大，設計上要謹慎處理。沉降差的處理方式常有設置沉降縫、沉降后澆帶和控制塔樓沉降。本工程采用的措施是設置沉降后澆帶。

3結論

（1）抗拔樁設計在規(guī)范中包括基樁極限承載力標準值、樁身承載力和裂縫，工程上大多數(shù)抗拔樁的配筋是有裂縫控制。（2）抗拔樁檢測時的最大上拔荷載不能跟抗壓樁一樣簡單地按2.0T加載，需綜合考慮樁身強度和裂縫因素。一般情況下按抗拔承載力特征值P控制裂縫，抗拔承載力檢測常規(guī)情況下取1.35～1.5T左右。（3）若工程抗拔樁按檢測的2.0T最大上拔荷載控制裂縫，此時需增加的樁配筋會增大太多，經(jīng)濟性不好。（4）對于樁端地質條件允許擴底的應盡量擴底，經(jīng)濟性較好。

參考文獻

[1]JGJ476-2019.建筑工程抗浮技術標準[S].

[2]張浩文.抗拔樁極限承載力預測模型研究[D].南昌航空大學,2017.

[3]JGJ94-2008.建筑樁基技術規(guī)范[S].

[4]余江來.擴底嵌巖抗拔樁承載特性數(shù)值分析[D].南昌航空大學,2018.

[5]GB50010-2010.混凝土結構設計規(guī)范[S].

[6]JGJ106-2014.建筑基樁檢測技術規(guī)范[S].

作者：馬嫻