馬嫻

0 引言

隨著城市的不斷發(fā)展，土地資源越來(lái)越稀缺，人們更加注重地下空間的開(kāi)發(fā)利用，地下2 層、3 層結(jié)構(gòu)屢見(jiàn)不鮮，隨之而來(lái)的是結(jié)構(gòu)抗浮問(wèn)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(shè)置抗拔樁）。在抗浮力與浮力相差不大時(shí)首選壓重法。而在二者差別較大時(shí)，與其他幾種措施相比，抗拔樁基礎(chǔ)具有安全性高、工期短、成本較低、適用性強(qiáng)等特點(diǎn)，因而抗拔樁是解決抗浮問(wèn)題的常用措施。本文主要通過(guò)工程實(shí)例設(shè)計(jì)介紹抗拔樁設(shè)計(jì)的重難點(diǎn)。

1 抗拔樁的理論研究

我國(guó)樁基礎(chǔ)發(fā)展歷史悠久，很久以前已經(jīng)開(kāi)始將木樁基礎(chǔ)應(yīng)用于房屋建設(shè)中。而在漢朝的橋梁工程中，木樁基礎(chǔ)已經(jīng)非常普遍。隨著鋼筋、混凝土等材料的興起，20 世紀(jì)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(guò)樁身與土體之間摩擦阻力傳遞荷載至樁體周?chē)馏w，當(dāng)摩擦阻力達(dá)到極限值而突破后，樁體即破壞并失去作用?？拱螛对谑艿缴习魏奢d而破壞的狀態(tài)有剪切破壞、倒錐形破壞、復(fù)合剪切面破壞、樁體拉斷。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(shí)；倒錐形破壞容易出現(xiàn)在土質(zhì)較軟的巖層；復(fù)合剪切面破壞在樁身較長(zhǎng)、較硬質(zhì)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(cè)面與土體摩擦阻力、樁底部負(fù)壓所形成的真空吸力組成。由于真空吸力在學(xué)術(shù)界尚未有明確的研究分析，故設(shè)計(jì)中只考慮前面兩項(xiàng)。而關(guān)于抗拔樁極限承載機(jī)理的研究并不多，工程上的做法是參考抗壓樁的側(cè)摩阻力計(jì)算方法，并在此基礎(chǔ)上考慮一個(gè)抗拔系數(shù)。但抗拔系數(shù)的選取其實(shí)是基于工程試驗(yàn)結(jié)果并參照有關(guān)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(zhì)等。

2 工程實(shí)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(nèi)地下室層高6.0m，純地下室層高為4.8m，地上建筑高度48.0m?？偨ㄖ娣e16 516m，其中地上建筑面積10 451m。塔樓范圍內(nèi)地下室的功能為設(shè)備用房，純地下室區(qū)域?yàn)橥＼?chē)庫(kù)，無(wú)人防功能。地下室頂板覆土300mm。整個(gè)場(chǎng)地較為平整，高差只有0.30m。

本工程安全等級(jí)二級(jí)，設(shè)計(jì)使用年限50 年，結(jié)構(gòu)耐久年限50 年。設(shè)計(jì)地震分組第一組，建筑場(chǎng)地類(lèi)別Ⅱ類(lèi)。上部采用框架剪力墻結(jié)構(gòu)，其中框架抗震等級(jí)四級(jí)，剪力墻抗震等級(jí)三級(jí)。地下室頂板厚度250mm，底板厚度400mm。

2.2 地質(zhì)情況

根據(jù)勘察報(bào)告顯示，本工程場(chǎng)地自上而下土層土分布如下：素填土①，黏土②；粉砂③；全風(fēng)化粉質(zhì)泥巖④；全風(fēng)化粉砂巖④1，強(qiáng)風(fēng)化粉質(zhì)泥巖⑤,強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖⑤1，煤，中風(fēng)化粉質(zhì)泥巖⑥，中風(fēng)化粉砂巖⑥1。本工程基坑開(kāi)挖后露出持力層④、④1、⑤、⑤1，故主樓下采用天然筏板基礎(chǔ)；純地下室外墻處抗浮滿(mǎn)足計(jì)算故采用柱下獨(dú)立基礎(chǔ)，其余采用鉆孔抗拔灌注樁，樁端以中風(fēng)化粉砂巖⑥1 作為持力層，并要求樁端全斷面進(jìn)入較完整中風(fēng)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(biāo)準(zhǔn)值qpk=3 500kpa；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(shè)計(jì)

抗拔樁設(shè)計(jì)的思路一般是先根據(jù)場(chǎng)地勘察報(bào)告提供的土質(zhì)參數(shù)，估算單樁抗拔極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值，其次是驗(yàn)算樁身承載力，然后根據(jù)場(chǎng)地勘察報(bào)告提供的環(huán)境類(lèi)別、水和土的腐蝕性等確定樁身的裂縫控制等級(jí)，并依此復(fù)核樁身配筋。而裂縫控制等級(jí)分為三級(jí)，其中一級(jí)為嚴(yán)格要求不出現(xiàn)裂縫，二級(jí)為一般要求不出現(xiàn)裂縫，三級(jí)為控制樁身裂縫寬度。工程上常見(jiàn)的為三級(jí)裂縫控制等級(jí)。

本工程底板底絕對(duì)標(biāo)高為87.90，地勘報(bào)告建議的抗浮設(shè)計(jì)水位為93.00，水頭達(dá)5.1m。經(jīng)計(jì)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(chǔ)。

本工程地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級(jí)乙級(jí)，抗浮工程設(shè)計(jì)等級(jí)乙級(jí)，樁基設(shè)計(jì)等級(jí)乙級(jí)?？垢》€(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(biāo)準(zhǔn)值最大值為N=1830KN。

2.3.1 單樁抗拔極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值

文獻(xiàn)[3]規(guī)定，如無(wú)當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)時(shí)，群樁基礎(chǔ)及設(shè)計(jì)等級(jí)為丙級(jí)建筑樁基，群樁呈非整體破壞時(shí)，基樁的抗拔極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值按下式計(jì)算：

以典型孔點(diǎn)ZK3 號(hào)勘探孔為例，樁身直徑d 取1.2m，樁長(zhǎng)L=14m，λ=0.5，

則T=π×1.2×0.5×(100×3+140×2.5+150×2.5+160×4.2+170×1.8)=3 775KN，

G=(π×1.2×14×15)/4=237KN,則N=3 775/2+237=2 124KN>1 830KN

根據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，擴(kuò)底抗拔樁達(dá)到極限承載力時(shí)所需的位移更大，但與擴(kuò)底直徑大小無(wú)關(guān)；而且擴(kuò)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(jià)上并未有太多增加，經(jīng)濟(jì)性較好。另外不同擴(kuò)底直徑的擴(kuò)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(duì)于設(shè)計(jì)師來(lái)說(shuō)也是更為可控的情形，配置一定的樁身鋼筋即可。

故本工程的抗拔樁最終選為樁身直徑d=1.2m，擴(kuò)底后直徑D=1.5m，擴(kuò)大頭高度取0.6m。

2.3.2 考慮裂縫控制要求進(jìn)行配筋設(shè)計(jì)

取樁的混凝土等級(jí)為C40，f=360N/mm，按照

根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50010-2010)按如下公式(4)～ (7)計(jì)算最大裂縫寬度。取樁的混凝土等級(jí)為C40，f=2.39MPa,A=2.7；C=50mm，

計(jì)算得wmax=0.452mm>0.20mm，不滿(mǎn)足正常使用極限狀態(tài)下裂縫的控制要求。

2.3.3 抗拔樁檢測(cè)

抗拔樁的樁身完整性檢測(cè)及單樁數(shù)學(xué)承載力檢測(cè)的方法和檢測(cè)數(shù)量按《建筑基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》(JGJ 106-2014)第3.3.3～3.3.8 執(zhí)行。但是工程樁驗(yàn)收檢測(cè)時(shí)，要特別注意檢測(cè)方案中關(guān)于施加的上拔荷載的取值。筆者分別對(duì)樁身混凝土等級(jí)為C30、C35、C40，樁身直徑1 200mm，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(biāo)準(zhǔn)值最大值為N。

混凝土通過(guò)表1、表2 比較后發(fā)現(xiàn)以下規(guī)律：

表1 抗拔樁裂縫及配筋計(jì)算一覽表

表2 抗拔樁檢測(cè)最大上拔荷載與混凝土等級(jí)及經(jīng)濟(jì)指標(biāo)關(guān)系對(duì)比表

（1）當(dāng)樁身混凝土等級(jí)大于C35 時(shí)，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(jí)為C30 時(shí)，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(jí)相同時(shí)，選用數(shù)量更多的小直徑鋼筋時(shí)，鋼筋能承受的最大拉力值更小。

文獻(xiàn)[4]中5.1.2 條，工程樁驗(yàn)收檢測(cè)時(shí)，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(chǎn)生的上拔量達(dá)到設(shè)計(jì)要求的限值。當(dāng)抗拔承載力受抗裂條件控制時(shí)，可按設(shè)計(jì)要求確定最大加載值。

（2）取檢測(cè)時(shí)的上拔荷載為1.5T 即2 745KN，得wmax=0.606mm 大于0.20mm，且2 745KN<3 535KN(鋼筋承受的最大拉力)，可行。

（3）取檢測(cè)時(shí)的上拔荷載為1.35T 即2 470KN，得wmax=0.483mm 略大于0.20mm，且2 470KN<3 535KN(鋼筋承受的最大拉力)，可行。

通過(guò)以上3 個(gè)方式的比較，綜合考慮經(jīng)濟(jì)性，本工程采用方式2。由于檢測(cè)時(shí)的上拔荷載屬于瞬時(shí)荷載，裂縫也屬于短期裂縫，卸載后裂縫會(huì)封閉，但對(duì)樁頂?shù)目沽研阅苡幸欢ǖ挠绊懀试跇稒z測(cè)完畢后，需對(duì)這些樁的樁頂范圍采取外防護(hù)加強(qiáng)措施，如外防水加強(qiáng)。

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(chǔ)時(shí)沉降一般較大，這樣就導(dǎo)致高層塔樓與裙房之間的沉降差較大，設(shè)計(jì)上要謹(jǐn)慎處理。沉降差的處理方式常有設(shè)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(shè)置沉降后澆帶。

3 結(jié)論

（1）抗拔樁設(shè)計(jì)在規(guī)范中包括基樁極限承載力標(biāo)準(zhǔn)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(cè)時(shí)的最大上拔荷載不能跟抗壓樁一樣簡(jiǎn)單地按2.0T 加載，需綜合考慮樁身強(qiáng)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(cè)常規(guī)情況下取1.35～1.5T 左右。

（3）若工程抗拔樁按檢測(cè)的2.0T 最大上拔荷載控制裂縫，此時(shí)需增加的樁配筋會(huì)增大太多，經(jīng)濟(jì)性不好。

（4）對(duì)于樁端地質(zhì)條件允許擴(kuò)底的應(yīng)盡量擴(kuò)底，經(jīng)濟(jì)性較好。