鋼筋混凝土抗拔樁最大上拔荷載計算及最大裂縫寬度驗算的探討

沈美恒 （健研檢測集團有限公司，福建 廈門 361000）

0 引言

鋼筋混凝土抗拔樁是工程中常見的一種構件，廣泛應用于地下水位較高的地下工程中，主要用來解決結構的抗浮問題。實際工程中，鋼筋混凝土抗拔樁樁側巖土阻力的抗力分項系數比樁身混凝土要大，比鋼材要大很多，鋼筋混凝土抗拔樁的最大上拔荷載主要由樁身混凝土強度和裂縫控制，因此時常出現設計對鋼筋混凝土抗拔樁有裂縫控制要求時，抗裂驗算給出的荷載可能小于或遠小于單樁豎向抗拔承載力特征值的2倍，因此試驗時的最大上拔荷載只能按設計要求確定。設計對樁上拔量有要求時也如此?？紤]這一因素將對鋼筋混凝土抗拔樁的配筋和承載力取值產生影響，本文對龍巖某工程的鋼筋混凝土抗拔樁的最大上拔荷載進行了計算，同時對最大裂縫寬度進行了驗算，為類似工程的設計、施工和檢測提供參考。

1 最大上拔荷載計算及最大裂縫寬度驗算

1.1 工程概況

本工程由A、B和C三個地塊組成，主要由1棟2層建筑物、1棟7層的建筑物及2層連體地下室組成。建筑物最大高度約為32.0m，地下室最大高度約為10.9m，基礎型式擬采用淺基礎。各擬建物情況詳見表1（擬建物情況一覽表）。

1.2 鋼筋混凝土樁最大上拔荷載計算

因篇幅所限，本工程部分結構設計參數及計算過程忽略，取C地塊的鋼筋混凝土抗拔樁的最大上拔荷載和最大裂縫寬度進行驗算。

①本工程鋼筋混凝土抗拔樁的抗拔承載力計算涉及的相關結構參數有：抗浮水位標高334.68m（按照現有建筑圖中室外地坪標高確定）；抗浮穩定系數取1.05；基底標高323.9m；筏板厚度0.8m；筏板上建筑做法取0.4m；底板厚為0.25m，梁折算厚度0.05m；底板建筑做法取0.1m；面層重度20kN/m2；頂板厚0.3m；梁折算厚度0.05m；頂板上覆土厚度1.7m。

擬建物情況一覽表 表1

水頭高差334.68-323.9=10.8m；

1.0 恒 載=25×（0.8+0.25+0.05+0.05+0.3）+18×1.7+20×（0.1+0.4）=76.85kPa；

1.05 水浮力=1.05×10.8×10=113.4kPa；

1.0 恒載-1.05水浮力=-36.55kPa=-36.55kN/m2。

②根據地勘資料，該區域基樁設計樁頂標高至試驗樁頂標高段分布的土層見表2：

基樁設計標高至±0.00標高位置的土層參數建議值 表2

根據《建筑樁基技術規范》(JGJ94-2008)及《建筑地基基礎設計規范》(GB 50007-2011)，結合實際工程情況，灌注樁側阻尺寸效應系數ψs=(0.8/D)^1/3=1，樁身周長u（m）=3.14×0.8=2.512m，基樁抗拔極限承載力標準值Tuk=Σλiqsikuili，基樁自重Gp=3.14×0.4×0.4×15×16，荷載效應標準組合計算的基樁抗拔力Nk≤Tuk/2+Gp，計算取整為870kN[1]。所列土層參數依據《巖土工程勘察規范》(GB50021-2001)的相關要求[2]。

板跨尺寸為8.4m×8.4m，故36.55×8.4×8.4=2579kN，n=2579÷870=2.96根，則每個板跨需要3根抗拔樁。

本工程鋼筋混凝土抗拔樁的抗拔承載力特征值經計算為870kN，鋼筋混凝土軸心抗拔樁的正截面受拉承載力N≤fy×As+fpy×Apy。對由永久荷載效應控制的基本組合，也可采用簡化規則，荷載效應基本組合的設計值S=1.35×Sk≤R，根據《建筑地基基礎設計規范》(GB50007-2011)，荷載效應的標準組合值Sk為870kN，S=1.35×870=1174kN，取整為1200kN。根據《建筑基樁檢測技術規范》(JGJ106-2014)，當抗拔承載力受抗裂條件控制時，可按設計要求確定最大加載值，即抗拔樁最大上拔荷載可取1200kN[3]。

根據《建筑基樁檢測技術規范》(JGJ106-2014)規定：按鋼筋抗拉強度控制，樁頂上拔荷載達到鋼筋強度設計值時需終止加載，根據公式F=σs·A·n計算所得，抗拔樁鋼筋所能承受的最大抗拔力為F=2127.6kN，計算所得抗拔樁鋼筋所能承受的最大抗拔力F＞1200kN，符合設計要求。

1.3 鋼筋混凝土抗拔樁最大裂縫寬度的驗算

根據《建筑樁基技術規范》(JGJ94-2008)、《建筑地基基礎設計規范》(GB50007-2011)及《混凝土結構設計規范》(GB50010-2010)，結合實際工程情況，該區域基樁樁身設計參數詳見表3。

基樁樁身設計參數 表3

按《混凝土結構設計規范》(GB50010-2010)和《建筑樁基技術規范》(JGJ94-2008)，本工程基樁樁身最大裂縫寬度的限值ωlim取0.2mm[4]，構件受力特征系數αcr取2.7，鋼筋的彈性模量Es取200000N/mm2，混凝土抗拉強度標準值ftk取2.01N/mm2，最外層縱向受拉鋼筋外邊緣至受拉區底邊的距離為50mm[5]。

受拉區縱向普通鋼筋截面面積As=n(0.25×3.142×d^2)=5322.5mm2，受拉區縱向預應力鋼筋截面面積AP為0，有效受拉混凝土截面面積Ate=(0.25×3.142×D^2)=502720mm2，按有效受拉鋼筋截面面積計算的縱向受拉鋼筋配筋率ρte=(As+Ap)/Ate=0.011,按荷載效應的標準組合計算的鋼筋混凝土構件縱向受拉鋼筋的應力σs=Nq/As=163.5N/mm2,fsk為360N/mm2，受拉區縱向鋼筋的公稱直徑di=22mm，受拉區縱向鋼筋的根數ni=14，受拉區縱向鋼筋的相對粘結特性系數vi取1，受拉區縱向鋼筋的等效直徑deq=∑nidi^2/∑nividi=22mm，裂縫間縱向受拉鋼筋應變不均勻系數ψ=1.1-0.65×ftk/(ρte×σs)=0.345，基樁樁身的最大裂縫寬度ωmax=αcr×ψ×σsk/Es×(1.9cs+0.08deq/ρte)=0.199mm，即ωmax＜ωlim，基樁樁身的最大裂縫寬度小于最大裂縫寬度的限值，符合規范的要求。

2 結論

①設計單位按地基承載力確定基礎底面積及埋深或按單樁承載力確定樁數時，傳至基礎或承臺底面上的荷載效應應該正常使用極限狀態下荷載效應的標準組合。相應的抗力應采用地基承載力特征值或單樁承載力特征值。當需要驗算記錄裂縫寬度時，應按正常使用極限狀態荷載效應標準組合。

②設計單位應采用現行規范來計算鋼筋混凝土抗拔樁的最大上拔荷載，并驗算鋼筋混凝土抗拔樁的最大裂縫寬度。

③對于鋼筋混凝土抗拔樁，最大試驗荷載不得超過鋼筋的強度設計值，以避免因鋼筋拔斷提前中止試驗或出現安全事故。

④設計單位應充分考慮抗拔樁的設防水位、樁的浮重度及抗拔阻力取值等。

⑤檢測單位應盡量了解設計條件，并對抗裂或裂縫寬度進行驗算，抗裂驗算給出的荷載可能小于或原小于單樁豎向抗拔承載力特征值的2倍，因此試驗時的最大上拔荷載只能按設計要求確定，即當抗拔承載力受抗裂條件控制時，可按設計要求確定最大加載值。