孫建德

廣東粵建設(shè)計研究院有限公司佛山分公司

關(guān)于承壓樁兼做抗拔樁的設(shè)計案例

孫建德

廣東粵建設(shè)計研究院有限公司佛山分公司

帶有地下室層數(shù)不多的高層建筑，豎向荷載大于水浮力，樁基主要是考慮承受豎向荷載，即樁主要是抗壓。當(dāng)主樓外連有無上部建筑的地下室或地下室層數(shù)較多的建筑，且地下室水位較高時，則既要考慮豎向荷載作用下樁的抗壓問題，也要考慮水浮力作用下地下室的抗浮問題，既樁的抗拔問題。依據(jù)工程實例對樁的抗壓、抗拔承載力設(shè)計，樁身結(jié)構(gòu)設(shè)計，樁身裂縫驗算分別進(jìn)行了闡述，以及在樁基設(shè)計中應(yīng)考慮的問題進(jìn)行了論述。

樁的抗壓；抗拔；承載力；裂縫

1　工程概況

某工程位于佛山市，地上建有18層辦公樓1棟，框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，占地面積約為2160m2，9層辦公樓2棟，框架結(jié)構(gòu)，占地面積約為1400m2；地下設(shè)有一層與主樓相連的地下室，功能平時為小型汽車庫，戰(zhàn)時為人防地下室，地下室占地面積13547m2。本工程位于設(shè)防烈度7度區(qū)，場地土類別II類。

根據(jù)工程地質(zhì)勘察報告和上部結(jié)構(gòu)荷載大小，經(jīng)過初步設(shè)計比較，決定采用沖孔灌注樁，框架部分采用單柱單樁，核心筒部分采用多樁基礎(chǔ)來承受豎向荷載。報告提供地下水位為室外地面（黃海高程27.00m），地下室底板面標(biāo)高黃海高程22.00m，水位高于底板設(shè)計標(biāo)高，所以純地下室區(qū)域需要進(jìn)行抗浮設(shè)計，采取抗浮措施。地下室抗浮水位按最不利情況取至室外地面，底板厚0.5m，抗浮水頭h=27-22+0.5=5.5m。由于浮力較大，擬采用抗拔樁進(jìn)行基礎(chǔ)加固處理，以確保地下結(jié)構(gòu)的安全。

2　抗壓樁設(shè)計

2.1單樁豎向承載力特征值計算

設(shè)計過程中根據(jù)上部荷載大小和施工方便，合理選擇了Φ800、Φ1000、Φ1200、Φ1500、Φ1800五種直徑的樁，樁身混凝土強度等級為C30?，F(xiàn)僅取Φ1000樁為例。

2.1.1按樁身混凝土強度計算樁的豎向承載力特征值

對于軸向受壓的混凝土灌注樁和預(yù)制樁，當(dāng)不考慮樁身構(gòu)造配筋的作用時，按下式驗算樁身截面強度：

式中ψc——工作條件系數(shù)，預(yù)制樁取0.8～0.9，灌注樁取0.7-0.8（水下灌注樁或長樁時用低值）。

fc——樁身混凝土軸心抗壓強度設(shè)計值；

按現(xiàn)行《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》取值；

Ap——樁身橫截面積；

Q——相應(yīng)于荷載效應(yīng)基本組合時的單樁豎向力設(shè)計值；

分項系數(shù)取1.35，將設(shè)計值轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)值。

Ra=Q/1.35=0.7x14.3x3.14x5002/1.35=6286kN

2.1.2按地基巖土條件計算樁的豎向承載力特征值

樁端進(jìn)入中、微風(fēng)化巖層的嵌巖樁，單樁豎向承載力特征值可按下列公式進(jìn)行計算：

式中Rsa—樁側(cè)土總摩阻力特征值；

Rra—樁側(cè)巖總摩阻力特征值；

Rpa—持力巖層總端阻力特征值；

up—樁嵌巖段截面周長；

hr—嵌巖深度，當(dāng)巖面傾斜時以低點起計；

Ap—樁截面面積，對擴底樁取擴大頭直徑計算樁截面面積；

Frs、frp—分別為樁側(cè)巖層和樁端巖層的巖樣天然濕度單軸抗壓強度；

C1、C2—系數(shù)，根據(jù)持力層基巖完整程度及沉渣厚度等因素而定，按DBJ15-31-2003確定。

根據(jù)工程地質(zhì)勘察報告，樁端均可進(jìn)入中風(fēng)化的砂巖和礫巖1m，樁長6～18m，對于沖孔樁C2乘以0.8的折減系數(shù)。

Ra=3.14x0.5x（20x2+12x1.9+14x3.1+17x1.3+30x0.2）+3.12x1x0.04x0.8x18000x1+0.3x

0.8x18000x3.14x0.52=5524kN

2.1.3樁身配筋計算

本工程位于地震區(qū)，樁基需要進(jìn)行抗震驗算。按DBJ15-31-2003第10.3.9條，當(dāng)計算樁身不需要配筋時，仍應(yīng)按截面最小配筋率配構(gòu)造鋼筋。當(dāng)樁身直徑為400～2000mm時，截面配筋率通?？扇?.65%～0.3%，中間按線性插值。插值得Φ1000樁最小配筋率為0.56%。

As=3.14x5002x0.56%=2826mm2，配14Φ16，箍筋配Φ8@200，承臺下樁長/3加密，間距100，鋼筋籠入樁身8d=8m。

2.1.4配樁

比較按樁身混凝土強度和地基巖土條件確定的單樁豎向承載力，取Ra=5524kN。確定各直徑樁的承載力后就可以對比柱底力按單柱單樁的原則來配樁了，對于核心筒在考慮承載力、樁心距和施工方便與否后配6Φ1200+6Φ1500。

3　地下室抗浮設(shè)計

3.1地下室抗浮穩(wěn)定性驗算

按DBJ15-31-2003第5.2.1條，地下室抗浮穩(wěn)定性驗算應(yīng)滿足下式要求：

W/F≥1.05

式中W—地下室自重及其上作用的永久荷載標(biāo)準(zhǔn)值的總和；

F—地下水浮力。

取標(biāo)準(zhǔn)跨8400x8400來計算，一根柱的受力面積S=8.4x8.4=70.56m2。

水浮力：F=γhS=10x5.5x70.56=3881kN

1300覆土自重：1.3x18=23.4kN/m2

150厚頂板+主、次梁折算50板厚自重：（150+50）x25=5kN/m2

500厚底板自重：0.5x25=12.5kN/m2

50厚素混凝土面層：0.05x20=1kN/m2

500x500柱自重：0.5x0.5x4x25=25kN

W/F=［（23.4+5+12.5+1）x70.56+25］

=2981/3881=0.77〈1.05，不滿足要求，需要設(shè)置抗拔樁。

3.2單樁抗拔承載力特征值計算

當(dāng)未進(jìn)行單樁抗拔試驗又無可靠經(jīng)驗時，單樁抗拔承載力特征值可按下式計算：

Rta=upΣλiqsiali+0.9G0

式中G0—樁自重，地下水位以取有效重度計算；

qsia—樁側(cè)土摩阻力特征值；

up—樁周長

λi—抗拔摩阻力折減系數(shù)，按DBJ15-31-2003確定。

Rta=3.14x0.5x（0.6x20x2+0.4x12x1.9+0x

14x3.1+0.4x17x1.3+0.6x30x0.2+0.7x0.04x0.8x18000x1）+0.9x3.14x0. 52x9.5x25=1560kN

此時可先按豎向荷載下確定的樁徑來計算Rta，然后驗算地下室的抗浮穩(wěn)定性，若仍不滿足要求，則可取大一級直徑樁做抗拔樁，直到滿足要求。

（W+Rta）/F=（2981+1560）/3881=1.17〉1.05，滿足要求。

3.3樁身配筋計算

3.3.1按軸心受拉構(gòu)件計算配筋

軸心受拉構(gòu)件需滿足下式：

N≤fyAs

式中fy—為鋼筋抗拉強度設(shè)計值；

As—為受拉鋼筋截面積。

As=N/fy=1560x103/360=4333mm2

3.3.2按裂縫控制所需要的配筋

根據(jù)工程地質(zhì)勘察報告，樁身位于穩(wěn)定水位以下，按照J(rèn)GJ94-2008其最大裂縫寬度可取0.3mm。按照GB/T50476—2008，混凝土保護(hù)層取75mm。按照混凝土規(guī)范：

綜合抗壓、抗拔樁身配筋計算，最終配21Φ25，通長配置，箍筋配Φ8@200，承臺下樁長/3加密，間距100。

4　設(shè)計過程中應(yīng)注意的問題

（1）在計算浮力時，地下水最高水位對浮力的大小起著關(guān)鍵作用。在設(shè)計時，若有長期水文觀測資料或歷史水位記錄時，浮力的計算可取歷史最高水位；若無長期水文觀測資料或歷史水位記錄時，按最不利情況取至室外地面，但不宜超過地下室頂板面標(biāo)。

（2）抗浮樁的設(shè)計應(yīng)該考慮抗浮及抗壓兩種情況下的最不利組合，包括水位變化產(chǎn)生的最高最低水位，以及相應(yīng)的最不利荷載組合。這樣才能夠使結(jié)構(gòu)在抗浮、抗壓兩種狀態(tài)下都保證安全。

（3）抗浮措施有很多種，如采用抗拔樁，抗拔錨桿，頂板覆土，設(shè)置排水盲溝和集（降）水井等。如果能綜合運用各種抗浮措施，那么不僅能取得一定的經(jīng)濟(jì)效益，還能縮短施工工期。本工程采取了抗拔樁+頂板覆土兩種抗浮措施。在進(jìn)行抗浮設(shè)計時，先按照由豎向荷載確定的樁徑來計算單樁抗拔承載力，然后計算出水浮力與永久荷載的差值，這個差值由頂板覆土來平衡，而不是增加抗拔樁的數(shù)量或者加大抗拔樁的樁徑。這樣既滿足了抗浮要求，減少了造價，也滿足了建筑與園林專業(yè)的要求。

（4）樁體的抗裂驗算中，因一般淺層含水層地下水位波動較大，因此抗拔樁在工作期間所受的拔力，隨地下水位的波動而變化，在長期的波動力作用下，樁體易產(chǎn)生裂縫，從而引起抗拉筋的腐蝕，造成抗拉筋拉力不足，在建筑物使用年限內(nèi)而失效。本工程因地下水常年水位較高，使樁身能長期處于2-a類環(huán)境中，故其裂縫控制在0.3mm，否則應(yīng)加大配筋，嚴(yán)格將裂縫控制在0.2mm以下。

［1］建筑樁基礎(chǔ)技術(shù)規(guī)范（JGJ94—2008）.中圈建筑工業(yè)出版社.2008.

［2］廣東省標(biāo)準(zhǔn)；建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范（DBJ15-31-2003）.中國建筑工業(yè)出版社.

［3］混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范（GB50010-2002）.中國建筑工業(yè)出版社.