關(guān)于承壓樁兼做抗拔樁的設(shè)計(jì)案例

孫建德

廣東粵建設(shè)計(jì)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(jì)案例

孫建德

廣東粵建設(shè)計(jì)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(wú)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(shí)，則既要考慮豎向荷載作用下樁的抗壓?jiǎn)栴}，也要考慮水浮力作用下地下室的抗浮問(wèn)題，既樁的抗拔問(wèn)題。依據(jù)工程實(shí)例對(duì)樁的抗壓、抗拔承載力設(shè)計(jì)，樁身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，樁身裂縫驗(yàn)算分別進(jìn)行了闡述，以及在樁基設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮的問(wèn)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(shí)為小型汽車庫(kù)，戰(zhàn)時(shí)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(chǎng)地土類別II類。

根據(jù)工程地質(zhì)勘察報(bào)告和上部結(jié)構(gòu)荷載大小，經(jīng)過(guò)初步設(shè)計(jì)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(lái)承受豎向荷載。報(bào)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(jì)標(biāo)高，所以純地下室區(qū)域需要進(jìn)行抗浮設(shè)計(jì)，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(jì)

2.1單樁豎向承載力特征值計(jì)算

設(shè)計(jì)過(guò)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(qiáng)度等級(jí)為C30。現(xiàn)僅取Φ1000樁為例。

2.1.1按樁身混凝土強(qiáng)度計(jì)算樁的豎向承載力特征值

對(duì)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(shí)，按下式驗(yàn)算樁身截面強(qiáng)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(zhǎng)樁時(shí)用低值）。

fc——樁身混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；

按現(xiàn)行《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(shí)的單樁豎向力設(shè)計(jì)值；

分項(xiàng)系數(shù)取1.35，將設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)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(zhǎng)；

hr—嵌巖深度，當(dāng)巖面傾斜時(shí)以低點(diǎn)起計(jì)；

Ap—樁截面面積，對(duì)擴(kuò)底樁取擴(kuò)大頭直徑計(jì)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(qiáng)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(bào)告，樁端均可進(jìn)入中風(fēng)化的砂巖和礫巖1m，樁長(zhǎng)6～18m，對(duì)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(jì)算

本工程位于地震區(qū)，樁基需要進(jìn)行抗震驗(yàn)算。按DBJ15-31-2003第10.3.9條，當(dāng)計(jì)算樁身不需要配筋時(shí)，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(shí)，截面配筋率通常可取0.65%～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(tái)下樁長(zhǎng)/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(qiáng)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(duì)比柱底力按單柱單樁的原則來(lái)配樁了，對(duì)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(jì)

3.1地下室抗浮穩(wěn)定性驗(yàn)算

按DBJ15-31-2003第5.2.1條，地下室抗浮穩(wěn)定性驗(yàn)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(lái)計(jì)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(jì)算

當(dāng)未進(jìn)行單樁抗拔試驗(yàn)又無(wú)可靠經(jīng)驗(yàn)時(shí)，單樁抗拔承載力特征值可按下式計(jì)算：

Rta=upΣλiqsiali+0.9G0

式中G0—樁自重，地下水位以取有效重度計(jì)算；

qsia—樁側(cè)土摩阻力特征值；

up—樁周長(zhǎng)

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(shí)可先按豎向荷載下確定的樁徑來(lái)計(jì)算Rta，然后驗(yàn)算地下室的抗浮穩(wěn)定性，若仍不滿足要求，則可取大一級(jí)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(jì)算

3.3.1按軸心受拉構(gòu)件計(jì)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(qiáng)度設(shè)計(jì)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(bào)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(jì)算，最終配21Φ25，通長(zhǎng)配置，箍筋配Φ8@200，承臺(tái)下樁長(zhǎng)/3加密，間距100。

4　設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)注意的問(wèn)題

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

（2）抗浮樁的設(shè)計(jì)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(yùn)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(jì)時(shí)，先按照由豎向荷載確定的樁徑來(lái)計(jì)算單樁抗拔承載力，然后計(jì)算出水浮力與永久荷載的差值，這個(gè)差值由頂板覆土來(lái)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(jià)，也滿足了建筑與園林專業(yè)的要求。

（4）樁體的抗裂驗(yàn)算中，因一般淺層含水層地下水位波動(dòng)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(dòng)而變化，在長(zhǎng)期的波動(dòng)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(zhǎng)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(jì)規(guī)范（DBJ15-31-2003）.中國(guó)建筑工業(yè)出版社.

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