PHC管樁及灌注樁作為工程抗拔樁的設計要點

周子丞

(中建海峽建設發展有限公司 福建福州 350008)

PHC管樁及灌注樁作為工程抗拔樁的設計要點

周子丞

(中建海峽建設發展有限公司 福建福州 350008)

PHC管樁及灌注樁(包括沖鉆孔灌注樁、人工挖孔樁)作為工程抗拔樁的應用廣泛。本文簡述了各種地下建筑物的抗浮措施，重點研究了上述樁型作為抗拔樁的受力機理、設計計算方法及適用范圍。通過工程實例中的實驗數據驗證理論計算數值。

抗拔樁；PHC管樁；灌注樁；抗浮設計

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引 言

近年來，隨著國內經濟的迅猛增展，城市建設也得到了快速發展，高層及超高層建筑越來越普遍，基礎埋置也越來越深。同時，作為車庫等功能的廣場式建筑的純地下室部分、裙房或相對獨立的地下建筑物(如下沉式廣場、地下車庫、地下鐵道等)的開發和利用越來越廣泛，由此，地下建筑的抗浮問題日益突出。

如何進行地下工程結構的抗浮設計目前已成為一個經常面臨的問題。因地下水浮力作用或抗浮措施不當而造成地下工程的破壞，在國內已有不少的先例。在我國沿海地區曾出現過多起因地下水浮力而導致地下室破壞的事故。在這些事故中，有的地下室底板隆起，導致底板破壞；有的地下建筑物整體浮起，導致梁柱結點處開裂及底板破壞等等。

一般而言，地下室上浮的原因是結構自重及地下室側壁摩擦力之和小于水浮力所引起。上浮處理方法有抽水、解壓、加載及洗砂等方法配合運用，其中以洗砂作業程序最復雜，常在其它方法處理失效后才使用。處理后，上浮的地下室很少能回沉至原高程，殘存的上浮量需借建筑收尾工程處理。由于地下室無法回沉至原高程，并且有些結構在上浮時受到損壞，基礎底板下的空隙需另做灌漿填縫。

地下室上浮的意外事件可能發生在各種地層中，包括透水性極低的軟粘土層或極穩定的卵石層中。低水位也不保證不會發生上浮，因地下水位可能因暴風雨、地表滲流或施工不慎等因素突然升高，地下水浮力一旦超過結構自重及側壁摩擦力時則上浮隨之發生，建筑物將產生變形等破壞。不能保證正常使用中的安全，必須采取有效的處理措施。地下建筑的抗浮問題成為影響結構工程設計和工程投資效益的難題之一，并引起結構工程師的重視和廣泛關注。

在國內外，關于抗浮設計方面進行系統研究的文獻資料并不多。結構工程師們通常對此類情況感到十分的困惑，主要原因之一是有關的設計規范規程中未提出明確的設計標準或設計依據，在具體應用時尚存在很多問題，引起很多的爭議。

1 抗浮措施

1.1 主要內容

工程抗浮設計包括整體抗浮驗算和局部抗浮驗算。通過整體抗浮驗算雖然可以保證地下建筑物不會整體上浮，但不一定能保證建筑物底板不開裂等變形現象，因此，還應對底板進行局部抗浮驗算。在具體的設計中應根據工程特點、地質情況、場地條件和環境等因素(如基坑的支護形式、基坑深度、基坑底的土層條件等)，綜合考慮，因地制宜，選擇一個最佳有效的抗浮方案。

1.2 增加自重法

增加自重法包括頂板壓載、基板加載及邊墻加載等方法增加地下結構物自身重量(即恒載)，使其自身的重力始終大于地下水對建筑物所產生的浮力，確保建筑物不上浮。這種方法的優點是施工及設計較簡單；缺點是當結構物需要抵抗浮力較大時，由于需大量增加混凝土或相關配重材料用量，故費用增加較多。

1.3 抗拔樁下拉法

抗拔樁是指抵抗建筑物向上位移的各種樁型的總稱，抗拔樁不同于一般的基礎樁，有其自身的獨特性能，樁體承受拉力，拉力大小隨地下水位變化而變化，與一般情況下承受豎向壓力的樁在受力機理上不同。

2 PHC管樁作為抗拔樁的計算(公式中各字母含義不重復敘述)

2.1 概述

我國大部分地區都廣泛使用先張法預應力高強混凝土管樁(PHC樁)，該樁型技術成熟且價格低廉，故在絕大多數采用此種樁型的工程中也同時直接用其作為抗拔樁。抗拔樁主要靠樁側土的表面摩擦阻力抗拔，因此對抗拔樁的計算主要分為樁側土摩擦阻力及樁身抗拔承載力、樁身連接構造節點抗拉承載力三個方面。

2.2 樁側土摩擦阻力(單樁抗拔承載力)

樁側土摩擦阻力的計算主要依據工程地質報告，選取該工程抗拔樁所在的多個典型孔位，參照地質報告中給出的管樁所穿越的各土層厚度以及各土層側阻力，按規范或地勘報告中所給的土層抗拔系數進行修正計算得出，具體如下：

據《先張法預應力混凝土管樁基礎技術規程》[1]，單樁抗拔承載力特征值：

Rta+Gpk+Up∑λiqsiali

式中，Rta—單樁抗拔承載力特征值；Gpk—管樁自重；λi—各土層的抗拔系數；Up—管樁周長；qsia—各土層的側阻力特征值；li—各土層厚度。

2.3 樁身抗拉承載力

管樁樁身抗拔承載力主要依靠樁身混凝土的抗拉力及樁身截面混凝土有效預壓應力。依據地質報告中地下水的腐蝕性情況，以及工程的重要性程度，分為嚴格不出現裂縫及一般不出現裂縫兩種情況。

當為嚴格不出現裂縫時，不考慮樁身混凝土的抗拉力，即樁身砼不參與抗拉受力，此時：

σpcA>Qct

式中，Qct—相應于荷載效應基本組合時單樁豎向抗拔承載力設計值；

σpc—樁身截面混凝土有效預壓應力；

A—樁身橫截面積。

當為一般不出現裂縫時，同時考慮樁身混凝土的抗拉力及樁身截面混凝土有效預壓應力，此時：

(σpc+ft/2)A>Qct

式中，ft—樁身混凝土抗拉強度設計值。

2.4 樁身連接構造節點抗拉承載力

樁身連接構造節點的抗拉承載力又分為管樁焊接接頭抗拉承載力、填芯混凝土與管樁粘結力以及填芯混凝土處受力鋼筋抗拉承載力等三個方面的驗算，具體如下：

管樁焊接接頭抗拉承載力驗算：

填芯混凝土與管樁粘結力驗算：

fnUmLa>Qct

填芯混凝土處受力鋼筋抗拉承載力驗算：

fyAs>Qct

3 灌注樁作為抗拔樁的計算(公式中各字母含義不重復敘述)

3.1 概述

除PHC管樁外，灌注樁也是一種工程常用的樁基形式。灌注樁包括沖孔灌注樁、鉆(旋挖)孔灌注樁及人工挖孔灌注樁。其工作機理也是靠樁側土的表面摩擦阻力抗拔，因此與PHC管樁類似，其作為抗拔樁使用時的計算主要有樁側土摩擦阻力及樁身抗拔承載力兩個方面。

3.2 樁側土摩擦阻力(單樁抗拔承載力)

據《建筑樁基技術規范》[2]，抗拔樁應同時驗算群樁基礎呈整體破壞和呈非整體破壞時基樁的抗拔承載力：

Nk≤Tgk/2+Ggp

Nk≤Tuk/2+Gp

式中，Nk—按荷載效應標準組合計算的基樁拔力；Tgk—群樁整體破壞時基樁的抗拔極限標準值；Tuk—群樁非整體破壞時基樁的抗拔極限標準值；Ggp—群樁所包圍體積的樁土總自重除以總樁數；Gp—基樁自重。

上式中的自重計算如在地下水位以下，均取浮重度。

Tuk=∑λiqsikliui

式中，ui—樁身周長；qsik—各土層的極限側阻力標準值；λi—各土層的抗拔系數；li—各土層厚度。

式中，ul—群樁外圍周長；n—群樁的總樁數。

還需注意，對于等直徑樁，ui=π·d；對于擴底樁(如人工挖孔灌注樁)，自樁底起算的長度li≤(4～10)d時，ui=π·D；li>(4～10)d時，ui=π·d；式中D為擴大頭直徑；d為樁身直徑；li對于軟土取低值，對于卵石、礫石取高值，取值按內摩擦角增大而增加。

除此以外，規范對抗拔系數λ給出了不同土類所對應的經驗值范圍，并且規定樁長l與樁徑d之比小于20時，λ取小值。本人認為，不同樁型不同施工工藝在施工過程中對土的擾動程度不同，擾動較大的，計算時λ應取小值；擾動較小的，λ可取大值；應區別對待。

3.3 樁身抗拉承載力

灌注樁樁身抗拔承載力主要依靠樁身混凝土及鋼筋的抗拉力。與PHC管樁不同，由于其樁身沒有施加預應力，因此一般達不到嚴格要求不出現裂縫的一級裂縫控制等級，即規范規定的：

σck=σpc≤0

式中， σck—荷載效應標準組合下正截面法向應力； σpc—樁身有效預壓應力。

而只能按一般要求不出現裂縫的二級裂縫控制等級，即由樁身混凝土抗拉：

σck-σpc≤ftk

式中，ftk—混凝土軸心抗拉強度標準值。

或允許出現裂縫的三級裂縫控制等級，即由樁身混凝土和鋼筋共同抗拉，并不超出相應的最大裂縫寬度限值：

ωmax≤ωmin

式中，ωmax—按荷載效應標準組合計算最大裂縫寬度； ωmin—最大裂縫寬度限值。

4 抗拔樁工程實例

4.1 PHC管樁工程實例

由PHC管樁的抗拔承載力計算過程可知，PHC管樁的抗拔承載力多由樁身抗拉力控制，因此在工程應用中常用的A型及AB型PHC管樁中，AB型樁所能提供的抗拔承載力更高。選用樁型時應多做計算對比，滿足工程所需即可，以免造成不必要的浪費。

如本人設計的福州市新藥創制中心工程，該工程地下1層，地上裙房4層，主樓26層，總建筑面積約13.7萬m2，結構類型為主樓框架-核心筒結構，裙房框架結構，采用PHC管樁基礎，樁長約40m。裙房圍合而成的中庭無上部結構，福州地區地下水位較高，按地質報告所提供的抗浮設計水位計算，中庭部分的結構自重不能滿足抗浮要求，故設置抗拔樁。初步設計時抗拔樁擬選用A型PHC管樁，但在施工圖設計過程中經準確計算后，由樁側土摩阻力計算出的單樁抗拔承載力特征值為1190kN，PHC500-125-A型樁按一般不出現裂縫的樁身抗拉承載力為876kN，PHC500-125-AB型樁按一般不出現裂縫的樁身抗拉承載力為1073kN，為達到經濟節約的目的，由樁身抗拉承載力控制選擇PHC500-125-AB型樁，單樁抗拔承載力特征值最終確定為790kN。

圖1 PHC500-125-AB型樁 U-δ曲線圖

圖2 PHC500-125-A型樁 U-δ曲線圖

(圖1)為該工程抗拔樁檢測試驗報告中的U-δ曲線圖，從圖中可以看出檢測結果與計算基本吻合。

又如本人設計的福州東岐江山首府項目，該工程為地下1層，地上26層，總建筑面積約14.1萬 m2，主樓結構類型為剪力墻結構，采用PHC管樁基礎，樁長約50m。因上部各單體為塔樓，塔樓與塔樓間存在純地下室的部分，按地質報告所提供的抗浮設計水位計算，純地下室部分的結構自重不能滿足抗浮要求，需設置抗拔樁。經計算，單樁抗拔承載力特征值為552kN，故選擇PHC500-125-A型樁，樁身抗拉承載力為876kN與之匹配即可，單樁抗拔承載力特征值最終確定為560kN，同樣取得了很好的經濟效果(圖2)為該工程抗拔樁檢測試驗報告中的U-δ曲線圖，從圖中可以看出檢測結果與計算也是相符的。

4.2 灌注樁工程實例

由灌注樁的抗拔承載力計算過程可知，其樁身一般按裂縫寬度為0.2mm的三級裂縫控制等級進行計算。由于可控制現場施工的樁身混凝土強度等級及鋼筋配置，因此可在合理的情況下盡量使樁身抗拉承載力與樁側土摩阻力計算出的單樁抗拔承載力相匹配，以達到既滿足結構安全又經濟節約的目的。

圖3 Φ800鉆孔灌注樁 U-δ曲線圖

如本人設計的贛州嘉福·金融中心(一期)項目，該工程地下1層，地上塔樓32層，總建筑面積約20.6萬m2，塔樓結構類型為剪力墻結構，采用Φ800鉆孔灌注樁基礎，樁長約17m，純地下室部分需設置抗拔樁。由樁側土摩阻力計算出的單樁抗拔承載力特征值為1042kN，樁身采用C40混凝土，內配13根20等級為HRB400主筋的鋼筋籠，可以滿足要求，單樁抗拔承載力特征值最終確定為1000kN。(圖3)為該工程抗拔樁檢測試驗報告中的U-δ曲線圖，可以看出檢測結果與計算基本相符。

5 結論

由上可知，我國現行規范中所提供的抗拔樁抗拔承載力計算公式是一個半理論半經驗的公式，計算所得數據也對工程地質報告所提供的土層參數有較大的依賴性，如果地質條件較為復雜，則有可能出現計算所得數據與現場實際出入較大的情況，因此本文所述的方法只能適用于地質條件簡單、土層變化不大的情況，其余狀況下該方法只能用于設計參考，單樁抗拔承載力的最終確定應通過現場基樁抗拔試驗確定。

[1]DBJ 13-86-2007，先張法預應力混凝土管樁基礎技術規程[S].

[2]JGJ 94-2008，建筑樁基技術規范[S].

The main design points of PHC pipe pile and cast-in-situ pile which are use as uplift pile

ZHOUZicheng

(CSCEC Strait Construction and Development Co.,Ltd,Fuzhou 350008)

PHC pipe pile and cast-in-situ pile are widely use for uplift pile.This paper introduces the anti-floating measures in design of basement,especially focused on force mechanism, calculation methods and application scope.It also has tried to point out the differences between the real projects and theoretical arithmetic.

Uplift pile;PHC pipe pile;Bored pile;Anti floating measures

周子丞(1982.4- ),男,工程師。

2015-04-07

TU4

A

1004-6135(2015)05-0074-04