梁 興 泉

(山西省建筑設(shè)計研究院，山西 太原 030013)

管樁的設(shè)計計算

梁 興 泉

(山西省建筑設(shè)計研究院，山西 太原 030013)

結(jié)合某工程的實際情況與水文地質(zhì)條件，分析了該工程高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力混凝土管樁的設(shè)計要求，并從建立整體計算模型、荷載組合工況選取、規(guī)范中各項參數(shù)指標(biāo)的正確選用等方面，介紹了PHC樁的設(shè)計計算方法，確保了工程樁基的安全穩(wěn)定性。

管樁，承載力，抗震等級，荷載

1 工程簡介

本工程為山西科技創(chuàng)新城建設(shè)管理局山西科技創(chuàng)新城核心區(qū)第一中學(xué)(初中校區(qū))——圖文綜合樓,建筑位于科技創(chuàng)新城核心區(qū)Ⅰ-9地塊內(nèi)，項目用地西側(cè)為西溫莊西路，北側(cè)為居住區(qū)，東側(cè)為第一中學(xué)(高中校區(qū))，南側(cè)為化章街，圖文綜合樓部分為地上4層、地下1層。 教師辦公樓為地上2層。圖文綜合樓總高度為16.450 m，教師辦公樓總高度為8.450 m，室內(nèi)外高差為0.45 m。主體采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)采用BRB減震設(shè)計。基礎(chǔ)形式采用柱下高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力管樁承臺基礎(chǔ)加防水板。

2 設(shè)計條件

圖文綜合樓有地下室，教師辦公樓無地下室。樁采用高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力混凝土管樁，樁徑400。查預(yù)應(yīng)力混凝土管樁圖集(10G409)。確定圖文綜合樓樁頂標(biāo)高為772.000，樁長30 m，選用PHC 400 AB(95-30)。樁進(jìn)入持力層深度hb=3.82 m。教師辦公樓樁頂標(biāo)高為775.000，樁長22 m,選用PHC 400 AB(95-22)。樁進(jìn)入持力層深度hb=2.7 m。

管樁應(yīng)考慮樁端土塞效應(yīng)的有利影響。

hb/d1≥5,λp=0.8,λpAp1=0.8×0.035=0.028。

由巖土工程勘察報告可查得場地內(nèi)各土層的樁側(cè)阻力和樁端阻力極限值如表1所示。

表1 各土層的樁側(cè)阻力和樁端阻力 kPa

當(dāng)承臺底面上下非液化土層厚度分別不小于1.5 m,1.0 m時，在現(xiàn)有條件下，各土層液化影響折減系數(shù)為：第③層為1/3，第④層為1/3，第⑥層為2/3，第⑦層為2/3，第⑧層為2/3；當(dāng)承臺底面上下非液化土層厚度分別小于以上規(guī)定時,土層液化影響折減系數(shù)為0。

管樁應(yīng)按JGJ 94—2008建筑樁基技術(shù)規(guī)范第8.3.8條：敞口預(yù)應(yīng)力混凝土空心樁單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值的計算公式(5.3.8-1)確定。

Quk=Qsk+Qpk=u∑qsikli+qpk(Aj+λpAp1)。

3 抗震等級和抗震設(shè)防類別的確定

根據(jù)建筑抗震設(shè)計規(guī)范附錄A.0.4太原市抗震設(shè)防烈度為8度，設(shè)計基本地震加速度0.2g,設(shè)計地震分組為第二組。

由實際情況可知：房屋總高度小于24m，結(jié)構(gòu)為框架結(jié)構(gòu)。查建筑抗震設(shè)計規(guī)范表6.1.2可得出本工程抗震等級為二級。

根據(jù)GB50223—2008建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)第6.0.8條的規(guī)定：圖文綜合樓屬于教育建筑中的中學(xué)教學(xué)用房?？拐鹪O(shè)防類別應(yīng)不低于重點設(shè)防類。教師辦公屬于標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類。

第3.0.3條規(guī)定：標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類，應(yīng)按本地區(qū)抗震設(shè)防烈度確定其抗震措施和地震作用，而重點設(shè)防類，應(yīng)按高于本地區(qū)抗震設(shè)防烈度1度的要求加強(qiáng)其抗震措施，同時應(yīng)按本地區(qū)抗震設(shè)防烈度確定其地震作用。

因此圖文綜合樓抗震設(shè)防烈度按9度加強(qiáng)抗震措施，按8度考慮地震作用；教師辦公樓抗震設(shè)防烈度按8度確定抗震措施和地震作用。查建筑抗震設(shè)計規(guī)范表6.1.2，最終可知抗震等級：圖文綜合樓為一級，教師辦公樓為二級。

4 樁承載力驗算

4.1 圖文綜合樓

±0.000絕對高程：777.500，地下室4.2m，100厚做法，1.2m高承臺。

樁頂絕對高程：777.500-4.2-0.1-1.2=772.000,樁長L=30 m。

樁底絕對高程：772.000-30=742.000。

1)按非抗震驗算考慮,承載力不乘以1.25，液化不折減。取最不利ZK63號孔考慮,根據(jù)巖土工程勘察報告可算得：

Quk=Qsk+Qpk=u∑qsikli+qpk(Aj+λpAp1)=

1.256×(36×1.28+32×3.7+52×1.5+56×2.8+47×

2.5+54×1.4+72×3.0+66×2.8+68×5.4+72×1.8+68×

3.82)+2 800×(0.09+0.028)=1.256×1 749.74+

2 800×0.118=2 197.67+330.4=2 528.07kN。

根據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》第5.2.2條：

Ra=Ru/K=2 528.07/2=1 264 kN。

單樁抗壓承載力特征值可提到1 200 kN。

2)由GB 50011—2010建筑抗震設(shè)計規(guī)范第4.4.3條：按抗震驗算考慮分兩種情況取其不利。

第一種情況：地震影響系數(shù)最大值按正常取，即0.16承載力要乘以1.25,進(jìn)行液化折減。由于非液化土層不滿足《抗規(guī)》4.4.3-2的要求，液化折減系數(shù)全部取零，即液化土層不提供承載力。

Quk=Qsk+Qpk=u∑qsikli+qpk(Aj+λpAp1)=

1.256×(52×1.5+66×2.8+68×5.4+72×1.8+68×

3.82)+2 800×(0.09+0.028)=1.256×1 019.36+2 800×

0.118=1 280.31+330.4=1 610.71kN。

Ra=Ru/K=1 610.71/2=805 kN。

805×1.25=1 006 kN。

第二種情況：地震影響系數(shù)最大值按10%考慮，即0.16×10%=0.016。承載力要乘以1.25，且應(yīng)扣除液化土層的全部摩阻力及樁承臺下2 m深度范圍內(nèi)非液化土的樁周摩阻力。由于樁承臺下2 m深度范圍內(nèi)全部為液化土，樁周摩阻力不計。因此計算結(jié)果與第一種情況相同。

3)試樁計算:試樁時不考慮液化折減，并考慮樁頂以上還留有一部分空樁提供的側(cè)阻。30 m樁長樁頂標(biāo)高以上留4 m的空樁，空樁頂為772+4=776。

Quk=Qsk+Qpk=u∑qsikli+qpk(Aj+λpAp1)=

1.256×(50×3.08+36×2.2+32×3.7+52×1.5+56×

2.8+47×2.5+54×1.4+72×3.0+66×2.8+68×5.4+72×

1.8+68×3.82)+2 800×(0.09+0.028) =1.256×

1 936.86+2 800×0.118=2 432.7+330.4=2 763.1kN。

考慮4m的空樁影響情況下，試樁極限值可提到2 700kN。

4.2 教師辦公樓

±0.000絕對高程：777.500，室內(nèi)外高差0.6m，凍土深度0.8m，300的空間，0.8m高承臺。

樁頂絕對高程：777.500-0.6-0.8-0.3-0.8=775.000。

樁長L=22 m。

樁底絕對高程：775.000-22=753.000。

1)按非抗震驗算考慮。承載力不乘以1.25,取最不利ZK46號孔：液化不折減。

②層土：775.00-773.40=1.6 m；③層土：773.40-771.60=1.8 m；④層土：771.60-766.80=4.8 m；⑤層土：766.80-764.50=2.3 m；⑥層土：764.50-762.60=1.9 m；⑦層土：762.60-758.90-1.0=2.7 m；⑦1層土：761.80-760.80=1.0 m；⑧層土：758.90-755.70=3.2 m；⑨層土：755.70-753.00=2.7 m。

Quk=Qsk+Qpk=u∑qsikli+qpk(Aj+λpAp1)=

1.256×(50×1.6+36×1.8×1+32×4.8×1+52×

2.3+56×1.9×1+47×2.7×1+54×1.0+72×3.2×

1+66×2.7)+2 700×(0.09+0.028)=1.256×1 113.9+

2 700×0.118=1 399.05+318.6=1 717.65kN。

Ra=Ru/2=1 717.65/2=858 kN。

單樁抗壓承載力特征值可提到800 kN。

2)按抗震驗算考慮分兩種情況取其不利。

第一種情況：地震影響系數(shù)最大值按正常取，即0.16。承載力要乘以1.25,進(jìn)行液化折減。由于非液化土層滿足《抗規(guī)》4.4.3-2的要求，各液化土層分別取各自相應(yīng)的液化折減系數(shù),進(jìn)行液化折減。

Quk=Qsk+Qpk=u∑qsikli+qpk(Aj+λpAp1)=

1.256×(50×1.6+36×1.8×1/3+32×4.8×1/3+52×2.3+

56×1.9×2/3+47×2.7×2/3+54×1.0+72×3.2×2/3+

66×2.7)+2 700×(0.09+0.028)=1.256×813.73+

2 700×0.118=1 022.04+318.6=1 340.64kN。

Ra=Ru/2=1 340.64/2=670 kN。

670×1.25=837 kN。

第二種情況：地震影響系數(shù)最大值按10%考慮，即0.16×10%=0.016。

承載力要乘以1.25，且應(yīng)扣除液化土層的全部摩阻力及樁承臺下2 m深度范圍內(nèi)非液化土的樁周摩阻力。

②層土：775.00-773.40=1.6 m(不考慮樁周摩阻力)。

Quk=Qsk+Qpk=u∑qsikli+qpk(Aj+λpAp1)=

1.256×(0+36×1.8×0+32×4.8×0+52×2.3+56×1.9×

0+47×2.7×0+54×1.0+72×3.2×0+66×2.7)+2 700×

(0.09+0.028)=1.256×351.8+2 700×0.118=

441.86+318.6=760.46kN。

Ra=Ru/2=760.46/2=380 kN。

380×1.25=475 kN。

3)22 m試樁計算。20 m樁長樁頂標(biāo)高以上留1 m的空樁，空樁頂為775+1=776。

②層土：776.00-773.40=2.6 m；③層土：773.40-771.60=1.8 m；④層土：771.60-766.80=4.8 m；⑤層土：766.80-764.50=2.3 m；⑥層土：764.50-762.60=1.9 m；⑦層土：762.60-758.90-1.0=2.7 m；⑦1層土：761.80-760.80=1.0 m；⑧層土：758.90-755.70=3.2 m；⑨層土：755.70-753.00=2.7 m。

Quk=Qsk+Qpk=u∑qsikli+qpk(Aj+λpAp1)=

1.256×(50×2.6+36×1.8×1+32×4.8×1+52×2.3+56×

1.9×1+47×2.7×1+54×1.0+72×3.2×1+66×2.7)+

2 700×(0.09+0.028)=1.256×1 163.9+2 700×

0.118=1 461.86+318.6=1 780.46kN。

考慮1m的空樁影響情況下，試樁極限值可提到1 700kN。

5 荷載組合工況的選取

1)根據(jù)建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范3.0.5-1條：按單樁承載力確定樁數(shù)時，傳至承臺底面上的作用效應(yīng)應(yīng)按正常使用極限狀態(tài)下作用的標(biāo)準(zhǔn)組合。標(biāo)準(zhǔn)組合應(yīng)考慮常規(guī)和地震作用兩種情況，由此分別算出的兩種樁數(shù)的結(jié)果取其最大值作為最終的設(shè)計樁數(shù)：

常規(guī)情況下荷載組合考慮：1∶1恒+活，一種標(biāo)準(zhǔn)組合。地震作用下應(yīng)考慮：1(恒+0.5活)+1地X+0.38豎地,1(恒+0.5活)-1地X+0.38豎地,1(恒+0.5活)+1地Y+0.38豎地,1(恒+0.5活)-1地Y+0.38豎地,四種標(biāo)準(zhǔn)組合。

2)根據(jù)建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范3.0.5-4條：確定承臺內(nèi)力和配筋時，上部結(jié)構(gòu)傳來的作用效應(yīng)和相應(yīng)的基底反力應(yīng)按承載能力極限狀態(tài)下作用的基本組合，采用相應(yīng)的分項系數(shù)?；窘M合設(shè)計值也應(yīng)考慮常規(guī)(可有風(fēng)荷載參與)的計算和承臺截面抗震驗算兩種情況，并取其包絡(luò)值作為最終的設(shè)計依據(jù)：

常規(guī)情況下荷載組合考慮：1.35恒+0.7×1.4活；1.2恒+1.4活,兩種基本組合；常規(guī)和風(fēng)作用的組合情況下應(yīng)考慮：1.2恒+1.4活+0.6×1.4風(fēng)X；1.2恒+1.4活-0.6×1.4風(fēng)X；1.2恒+1.4活+0.6×1.4風(fēng)Y；1.2恒+1.4活-0.6×1.4風(fēng)Y,四種基本組合(活載為第一可變荷載)。

承臺截面抗震驗算時應(yīng)考慮：1.2(恒+0.5活)+1.3地X+0.5豎地；1.2(恒+0.5活)-1.3地X+0.5豎地；1.2(恒+0.5活)+1.3地Y+0.5豎地；1.2(恒+0.5活)-1.3地Y+0.5豎地,四種基本組合?？拐痱炈銜r，組合的效應(yīng)設(shè)計值應(yīng)乘以承載力抗震調(diào)整系數(shù)。

6 結(jié)語

設(shè)計管樁,要了解它的適用性，在可行的基礎(chǔ)上，要深刻理解所涉及的規(guī)范、規(guī)程和圖集中的含義，弄清楚管樁在各種工況下的受力情況，根據(jù)分析的結(jié)果來分別進(jìn)行計算并且滿足圖集中的各項構(gòu)造要求。

[1] GB 50068—2001，建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)[S].

[2] GB 50009—2012，建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S].

[3] GB 50010—2010，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].

[4] GB 50223—2008，建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)[S].

[5] GB 50011—2010，建筑抗震設(shè)計規(guī)范(2016年版)[S].

[6] JGJ 94—2008，建筑樁基技術(shù)規(guī)范[S].

[7] GB 50007—2011，建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范[S].

[8] 混凝土結(jié)構(gòu)施工圖平面整體表示方法制圖規(guī)則和構(gòu)造詳圖(16G101-1～3,13G101-11,10G409)[Z].

[9] 建設(shè)部工程質(zhì)量安全監(jiān)督與行業(yè)發(fā)展司,中國建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計研究所.2003全國民用建筑工程設(shè)計技術(shù)措施結(jié)構(gòu)[Z].

On design and calculation for pipe piles

Liang Xingquan

(ShanxiArchitecturalDesignInstitute,Taiyuan030013,China)

Combining with some project and its hydro-geological conditions, the paper analyzes the design requirements for the high-strength prestressed concrete pipe piles of the project, and introduces the design calculation methods for PHC pile from the establishment of the overall calculation model, loading combination, selection for construction circumstance, and selection for parameter and indexes, so as to ensure the safety and stability of the engineering pile foundation.

pipe pile, loading capacity, seismic grade, loading capacity

1009-6825(2017)03-0064-03

2016-11-18

梁興泉(1981- )，男，工程師

TU473.13

A