平房倉預應力管樁獨立樁承臺基礎設計

◎ 劉廣軒，郭建勇

（鄭州中糧科研設計院有限公司，河南 鄭州 450053）

1 工程概況

本文所說的工程為海南省某國家儲備庫的平房倉子項，跨度為24 m，柱距6 m，采用鋼筋混凝土門架結構（梁柱截面均為500 mm×1 100 mm），裝糧高度7.0 m，按散裝平堆小麥計；墻體為非黏土燒結普通磚砌筑，雙層頂屋面，下部為現澆鋼筋混凝土板，頂部為預應力大型屋面板。抗震6度設防，縱向為排架結構，橫向按大跨度框架計，鋼筋混凝土剛架的抗震等級為3級。其結構剖面如圖1所示。

圖1 倉體剖面圖

根據場地的巖土工程勘察報告，建筑場地地形平坦，表層為新近填土，松散粉質黏土，局部含有碎磚及水泥砂漿塊等；下部為礫砂層及粉質黏土層，各土層的主要巖土力學特性，見表1。

表1 土層主要物理力學性質指標表

2 基樁豎向受荷分析

由于上部為新近填土，整個場區采用強夯處理，主夯采用4 000 kN·m夯擊能，處理后上部填土地基承載力特征值可達到120 kPa，滿足倉芯堆糧7.0 m的承載力要求，且消減了上部填土在糧食堆載下產生的負摩阻力。上部土層摩阻力取零，經計算平均樁長約20.0 m，單樁豎向承載力特征值為1 200 kN。

采用PKPM中的混凝土PK模塊計算，在糧食側向壓力下，獨立樁承臺頂的標準組合內力為：Mk=1 830 kN·m，Nk=1 106.5 kN，Vk=620.2 kN，490 mm厚墻體傳遞重量Nk1=535 kN。

（1）當采用常規布置，承臺與柱子中心對齊時，承臺剖面如圖2所示（四樁承臺，樁間距為2 000 mm，承臺厚度為900 mm），僅考慮墻體偏心的反彎矩，根據JGJ94-2008《建筑樁基技術規范》中的公式計算，公式如下：

計算得倉外側最大樁頂反力為1 052 kN，倉內側最大樁頂反力為-60.4 kN。由此可見，糧食側壓力導致樁承臺為大偏心受壓，設計時應注意樁基抗拔的問題。而管樁抗拔承載力受制于樁端接頭焊縫質量的影響，較難控制和檢測，因此應盡量避免。

圖2 承臺剖面圖1

（2）利用柱軸力和墻體自重的偏心產生的彎矩平衡柱底彎矩，如圖3所示（四樁承臺，樁間距為2 000 mm，承臺厚度為900 mm），柱子與承臺中心的偏心為300 mm，經計算倉外側最大樁頂反力為929 kN，倉內側最大樁頂反力為62.7 kN。利用自重偏心可以使得大偏心受壓承臺的樁頂反力更均勻，而避免樁身拔力的出現。

圖3 承臺剖面圖2

（3）柱子與承臺的偏心會導致管樁內邊緣與柱邊間距加大，從而導致角樁抗沖切承載力的降低，圖2所示承臺剖面，采用C30混凝土，倉外側角樁（最大樁頂反力處）的抗沖切承載力為1 799 kN，圖3所示承臺，倉外側角樁（最大樁頂反力處）的抗沖切承載力為1 396 kN。

綜上可知，大偏心受壓承臺應注意樁身可能受到上拔力，如設計為抗拔樁應注意對管樁接頭焊縫的計算和要求。利用柱子與承臺的相對偏心產生的彎矩可平衡承臺頂彎矩，使得樁頂豎向反力更均勻而避免樁身抗拔，但同時應注意偏心會導致最大樁頂反力處角樁抗沖切承載力降低。

3 基樁水平受荷分析

根據董風保[1]的分析及樁基水平承載力計算的公式可知，在樁身強度一定的情況下，樁周上部2（d+1）范圍內土體的抗力是基樁水平承載力主要影響因素。因此，本場地對填土采用強夯處理的方法，加速了填土的固結，也增強了土體的水平承載力系數，根據JGJ94-2008《建筑樁基技術規范》[2]表5.7.5的推薦水平抗力系數，結合以往工程經驗，場地內土層抗力系數取值見表2。

表2 各土層厚度和水平抗力系數表

3.1 管樁水平承載力特征值計算

根據表2中土層的m值，由JGJ94-2008《建筑樁基技術規范》公式5.7.2-2，如下：

取樁頂水平位移為10 mm，經計算單樁水平承載力特征值Rha=140.1 kN。承臺四周采用土夾石（碎石含量30%）分層夯實回填，壓實系數不小于0.96，取承臺側向土水平抗力系數為5.5 MN/m4，根據JGJ94-2008《建筑樁基技術規范》5.7.3條，經計算，群樁效應系數ηh=1.78，故Rh=ηhRha，即249.4 kN，四樁承臺，可承擔總水平剪力為997.5 kN，大于Vk=620.2 kN，基樁水平承載力滿足要求。

3.2 管樁樁身強度驗算

管樁選自國家標準圖集10G409《預應力混凝土管樁》，管樁編號PHC-500AB125-x，樁身受剪承載力設計值為273 kN，樁身受彎承載力設計值為186 kN·m，樁身受壓承載力設計值為3 701 kN。經計算，獨立樁承臺底的基本組合內力為：Ml=2 914 kN·m，Nl=2 116 kN，Vl=754 kN。根據JGJ94-2008《建筑樁基技術規范》附錄C的相關公式，按樁頂固結考慮，經計算樁身彎矩和剪力曲線如圖4所示，彎矩作用方向基樁最大軸力設計值為1 235 kN，對應最大彎矩設計值為84 kN·m，距離樁頂標高2.70 m，最大剪力為86 kN，位于樁頂處。均小于樁身受彎承載力設計值186 kN·m，受剪承載力設計值273 kN，且1 235 kN軸力對應84 kN·m彎矩位于PHC-500AB125-x管樁偏心受壓N～M曲線范圍內（N=3 701 kN，M=186 kN·m），樁身強度滿足。

圖4 樁身彎矩、剪力圖

4 管樁承臺構造措施

由于糧食側壓力的作用，糧食平房倉柱底彎矩和剪力較常規建構筑物都要大，針對此受力特性，一般通過如下構造措施確保管樁承臺設計安全。①根據上述計算結果，最大彎矩距樁頂約為2.70 m，因此通常管樁錨入承臺100 mm，且管樁與承臺的填芯高度一般取2.0～4.0 m。增加填芯高度可加強管樁與承臺的錨固，也增大了上部樁身的抗彎和抗剪承載力。②大量研究表明，影響基樁變形及水平承載力的主要土層是地面以下深度3～4倍樁徑范圍內的土體，如樁水平承載力計算時m值取樁頂以下2（d+1）范圍內土層的加權平均。因此，實際工程可通過強夯、置換等方法增加上部土層密實性，且應特別注意承臺基槽土的回填。本工程若不采用強夯處理上部填土，參照JGJ94-2008《建筑樁基技術規范》表5.7.5的推薦水平抗力系數，取上部松散填土m值為2.0 MN/m4計算，樁身最大彎矩為150 kN·m，最大剪力為119.5 kN，且均出現在樁頂位置，較上部土層m值取5.5 MN/m4時彎矩剪力分別增大44%、28%。

5 結語

本文簡要介紹了某糧庫預應力管樁承臺基礎的設計分析，大偏心受壓承臺可以通過柱子與承臺的偏心，使得樁頂反力更加均勻，同時也可避免樁身抗拔；糧食荷載作用下，獨立樁承臺承受較大的彎矩和剪力，應注意校核樁身強度；同時，應針對此類承臺的受力特點，采用相應的構造措施，如增加樁頂填芯高度，承臺基槽回填采用土夾石、碎石等材料，增強樁頂土體的抗力，可增大基樁水平承載力，降低樁身彎矩和剪力，從而保證設計的安全、經濟、合理性。