抗浮樁剛度對抗浮工程的影響初探

洪 健

(悉地(蘇州)勘察設計顧問有限公司,江蘇 蘇州 215000)

1 概述

水浮力是地下結構常見的工況,地下結構抗浮分析和設計也是地基基礎工程的重要組成部分[1]。結構的抗浮措施包括降低地下水位,增加結構自重及壓重,采用抗浮樁、抗浮錨桿等等。抗浮樁是比較常用的抗浮措施。

在抗浮結構體系中,樁及地基土、基礎底板與上部結構三者之間形成的相互影響的關系,彼此作為對方的支座或荷載。例如基礎底板,在重力作用下它是上部柱墻的支座,再把力傳遞給樁基及地基土;在水浮力及地基反力作用下,它又以柱墻作為支座,將水壓力、地基反力及樁反力形成的荷載向上傳遞。隨著角色的變化,底板的計算假定也各不相同,而樁基、樁間土的剛度將影響底板荷載分配和內力計算。此時,樁剛度作為一個重要參數,將影響抗浮體系的內力分布,進而影響抗浮體系的功能發揮。

對于抗浮樁的剛度取值,現有技術標準沒有明確的算法。JGJ 94—2008建筑樁基技術規范附錄C提供了以下公式(1)[2],用于計算發生單位豎向位移時樁頂軸力可作為受壓樁的豎向剛度,這也被結構分析設計軟件PKPM采用。其中ζN,C0等參數取值受樁類型及地基土質的影響,存在一定的取值波動。

(1)

結構分析設計軟件盈建科考慮土樁抗拉、抗壓剛度不同的非線性迭代計算方法進行分析和設計,當選擇根據地質資料自動計算樁剛度時,軟件采用“荷載除以位移”的方法用沉降試算法給出樁剛度(見式(2))。

Kp=Q/S

(2)

軟件對于樁抗拔剛度按缺省抗拔承載力(kN/0.01 m)得到,即假定樁頂位移達到0.01 m后即抗拔失效。將抗拔剛度和抗拔承載力直接掛鉤,便于操作,也有一定的道理,但影響抗浮樁剛度的因素包括地基土質、樁徑、樁長等多種因素,簡單用承載力表示不夠全面。

總之,通過目前既有的計算方法很難得到特別準確的抗浮樁剛度數值。另外,相對于計算值,樁實際抗拔剛度可能存在一定的偏差幅度。目前工程實踐中也沒有明確要求對樁剛度進行檢測,所以也影響到樁抗拔剛度的經驗積累。參數取值的不準確勢必會影響計算結果的偏差,這種偏差可能使設計結果更保守,也可能使設計結果更不安全。本文擬探求抗浮樁剛度的不同取值對抗浮分析結果的影響。

2 工程案例分析

某辦公樓,地上4層框架結構,地下1層,地下室標高約-7.0 m。地基土質較好,滿足抗壓要求。結構整體抗浮不穩定,因此本項目采用筏板加抗浮樁,樁長10 m。

結構抗浮穩定包括整體穩定和局部穩定。整體穩定就是指作為整體,結構提供的抗浮力之和大于浮力之和,整體抗浮失穩的宏觀表現即為結構整體上浮并伴隨構件破壞等次生破壞。本工程由上部結構自重及壓重產生的整體抗浮穩定系數為0.86,不滿足抗浮要求。因此采用抗浮樁提供額外的抗浮力。經計算,增加抗浮樁后本工程整體穩定系數為1.18,滿足抗浮要求。

整體穩定并不等于局部穩定。局部穩定即為在局部范圍內(一塊人為劃分的隔離體)抗浮力大于浮力之和。局部范圍隔離體可以是某范圍的梁柱結構(如塔樓之間的純地庫),可以是某根柱及其相關的梁形成的網格,也可以是一塊底板。隨著局部隔離體劃分的差別,局部抗浮失穩可以分為三種情形:1)隔離體結構整體抗浮力小于浮力,依靠隔離體以外的結構(如塔樓下的地庫結構)提供外部抗浮力才不致整體上浮。此時,隔離體內結構傳力路徑發生反轉,由自上至下變為自下至上。基底凈反力(浮力扣除底板自重)作為荷載,其傳力途徑變成底板→墻柱→頂板梁→相鄰塔樓,與原設計假定完全相反。純地庫部分變成類似空腹桁架體系,頂板梁可能出現較大的拉應力,此情形必須極力避免。本工程無明顯結構體系分區,因此不存在這種情形。2)將框架柱及其導荷區域作為隔離體。柱荷載包括向上的浮力導荷和向下的抗浮力導荷,抗浮力大于浮力則柱產生向上托舉的趨勢。此時若相鄰柱尚有抗浮穩定的安全余量,則兩柱之間的梁板將負責傳遞兩者的浮力差。這種情形可能造成梁板的額外內力,但如果梁板足夠強,也可以維持抗浮穩定。這種情形與結構設計思路也不一致,也應該避免。本工程柱網不太均勻,存在局部純地庫柱,上部荷載抗浮力導荷以及下部水浮力導荷不太均勻,抗浮樁承受的反力需要通過計算確定。3)將柱網內的底板作為隔離體。地庫底板的抗浮力是板體及面層自重往往會小于水浮力。由此產生向上的凈荷載和板內力。雖然此種情形也可稱為抗浮不穩定,但是可通過配筋和調整板厚來承擔凈浮力產生的內力,而不必考慮上部主體結構受到的浮力造成的內力重分布,對結構設計和工程造價來講是可以接受的。這也是結構抗浮設計的常規做法。本工程對結構部分部位(如底板)采取加強措施。

2.1 柱下樁剛度調整

本文將柱下均布置抗浮樁,不計樁抗壓承載力及抗壓剛度,以分析各點的拔力。根據《建筑樁基技術規范》推薦公式計算樁抗拔剛度約為100 000 kN/m[3]。鑒于樁剛度參數取值的偏差以及實際剛度與計算剛度之間的偏差,本論文在計算值的基礎上作一定的調整,分別按照100 000 kN/m(剛度一)、60 000 kN/m(剛度二)、150 000 kN/m(剛度三)分別建模分析(見表1)。本文采用盈建科結構設計軟件進行抗浮分析[4]。

表1 樁抗拔剛度三種取值

本論文選取較有代表性的樁位作分析對比(見圖1),樁位點包括反力較大的柱下樁和反力較小的柱下樁。典型柱下樁反力計算結果如表2所示。

表2 柱下樁拔力 kN

根據計算結果樁基結果大致呈以下規律:

1)樁反力隨水浮力計算面積的增大而增大,隨上部荷載的增大而減小。軟件模型計算結果與計算概念假定相符。

2)隨著樁剛度取值的增大,樁拔力在不同柱下(即不同樁間)發生重分布。樁剛度取值越大,樁拔力分化則更明顯,即拔力大的樁拔力越來越大,拔力小的樁拔力越來越小。

3)受力較小的樁之間拔力的變化不會影響極限狀態,可不必過多關注。而相對于基準樁剛度一,樁剛度三模型的部分樁拔力上浮超過10%,這不應被忽略。

以上結果表明,若計算樁剛度與實際不符,按計算結果設計的樁將存在抗拔破壞的風險。而樁抗拔破壞后失效將會影響相鄰樁的拔力和受力狀態,造成連鎖多米諾骨牌效應。同時樁拔力將造成的樁上浮以及樁身開裂,最終導致樁身耐久性變差,樁鋼筋腐蝕,以及樁身完全失效。這種破壞并非快速而明顯的過程,它可能在起初毫無征兆,當達到一定年限,強度或耐久性衰減到一定的程度,或遭遇突發高水位時,樁則會出現突發的破壞。

2.2 柱間底板下樁剛度調整

抗浮樁一般布置在墻柱等承重豎向構件下方。但是當柱間跨度較大時,柱間底板在水浮力下將會出現較大的內力。此時若在板跨中布設一定的抗浮樁,則相當于在板跨中設置中間支座,減小板跨從而顯著降低板內力。從另一個角度,也可將樁拔力作為板跨中的反向荷載,與水浮力相抵消,從而減少底板的內力和變形。兩種假定不同但結果相同。樁反力的大小取決于樁身上拔的變形,即樁所在位置底板的豎向變形。這與板的豎向剛度有關,也與樁的抗拔剛度有關。因此,本論文在模型中另外增加了一些板下抗浮樁。這種樁支座同樣不是剛性支座,同樣受諸多因素的影響,需要提供一個計算樁剛度作為抗浮分析的參數。本文仍按照表1中參數分析。本論文選取較有代表性的樁位作分析對比,樁位包括反力較大的柱下樁、反力較小的柱下樁、板下樁及其相鄰的柱下樁。計算結果見表3。

表3 樁拔力 kN

計算結果呈以下規律:

1)板下樁反力與所處筏板區域的水浮力基本一致,其周邊的柱下樁反力相應減小。

2)板下樁受力條件更不利,由于沒有上部結構柱提供抗浮力,樁反力更大。

3)樁剛度取值越大,樁受力不均勻程度就越明顯。

與柱下樁相比,板下樁受樁剛度影響更大,若其受力波動較大,則將可能造成板下抗浮樁先于其他樁破壞,相應地浮力將在板間樁和柱下樁之間重新分布,柱下樁反力的增大甚至破壞,將會影響上部結構的穩定。因此,本論文建議,底板下的抗浮樁宜僅用于板內力及配筋計算,不參與結構整體抗浮計算,即驗算柱墻下抗浮樁時,模型中不布置板內抗浮樁。這樣可以保證在極端狀態下,即使板下樁失效,板出現局部破壞,結構整體抗浮也滿足要求。

2.3 對底板內力的影響

由于樁、土、底板及上部結構共同參與工作。底板作為隔離體,既以樁和上部結構作為支座,承擔著水浮力提供的向上荷載,又通過其自身剛度協調上部結構及樁土變形的作用,參與整體受力,從而實現樁間拔力的分配平衡。樁剛度的變化勢必會造成支承條件的變化,從而影響底板內力及變形。計算程序根據板下樁和柱墻下樁的剛度及其受荷范圍分配拔力。這是基于彈性地基板以及理想的樁剛度假定條件下的理論值,這種算法在模型建構以及方程求解方面很精確。但是這種算法與樁剛度計算方法的不準確性以及樁實際剛度的離散性不吻合,也就無法得到與實際情況相吻合的內力及變形結果。

本論文選取較有代表性的板位作分析對比,包括板跨中、板支座、板下樁位(見圖2),各板位內力包絡計算結果見表4。

表4 底板彎矩 (kN·m)/m

計算結果大致呈以下規律:

1)底板呈現整體彎曲的特征,負彎矩(板頂)較大,正彎矩(板底)較小,與倒樓蓋模型有區別。

2)隨著樁剛度的增大,底板的正向彎矩(板頂彎矩)減小,底板的負向彎矩(板底彎矩)增大。即底板的內力幅度加大。這體現出樁支座剛度效應,支座剛度越大,板受力越接近倒樓蓋假定。

3)板下樁影響板的內力及配筋,對板起到有效的支承作用。圖3及圖4為X向板頂計算配筋量云圖,由于板配筋和內里直接相關,這也直觀地體現出彎矩的實際分布情況。

板內力的最直接影響就是板配筋量,板配筋量直接關系到板的安全性和耐久性。而在目前造價控制嚴格的大環境下,配筋主要甚至完全依靠計算結果。因此,出于安全考慮,本論文建議將計算所得抗拔剛度向上及向下各調整一定的幅度,形成三個模型,對板配筋作包絡設計。

3 結論和建議

綜上所述,結構設計分析軟件的計算結果能從概念上模擬樁反力及基礎底板的內力,是一種可行的分析及設計手段。當樁采用不同的剛度取值時,計算結果將會出現波動,有些波動將會使計算結果的安全性降低,甚至低于規范要求。需要強調的是,樁剛度取值對計算結果的影響不是單向的,隨著樁剛度取值的加大,樁反力以及底板內力配筋結果,有些位置計算值相應增大,有些位置計算結果相應減小,甚至有安全隱患。并非樁剛度取值越大(或越小)計算結果就越偏于安全。而日常設計分析中往往采用單一樁剛度的計算結果,這無疑將會造成局部計算結果的失真。

目前結構設計基于有限元結構分析軟件的分析計算結果。在追求工程經濟性的市場環境下,常常將滿足計算結果要求作為控制設計的主要準則甚至唯一準則。這種設計成果將很難應對工程中的不確定工況。若計算分析結果不夠準確,將極有可能導致設計不滿足結構實際受力要求,輕則出現地庫底板開裂滲水,重則抗浮樁失效破壞,主體結構梁柱破損,甚至結構整體失穩上浮。施工過程中出于質量控制及追求安全的考慮,對某單個方面因素(如樁剛度)的加強,也有可能對相鄰樁或底板產生不利影響。因此,實際工程中,根據多種可能情況,對樁剛度采用多種取值,并根據各種計算結果進行包絡處理是有必要的。

用于降低底板跨度的板下抗浮樁,上部結構幾乎不提供剛度支承,樁剛度影響造成的反力波動更大,更容易出現計算結果的偏差。建議底板下的抗浮樁僅用于板內力及配筋計算,不參與結構整體抗浮計算,以避免板下樁不確定因素造成的整體抗浮風險。

地基基礎以及相關的上部結構形成相互影響的體系,其中的剛度取值、內力分布、變形協調等存在互為因果的聯系。目前對于這些聯系,各理論之間還沒有實現完全一致。本論文建議多種計算理論以及分析軟件之間相互對照,同一軟件下取多種剛度參數作包絡設計。

目前對于樁抗拔剛度還沒有特別成熟的計算方法,《建筑樁基技術規范》的公式僅可作為參考,不同參數取值對樁剛度計算結果影響很大。計算軟件對于樁抗拔剛度也沒有太明確的計算方法。基樁檢測也沒有明確要求對樁剛度進行檢測,因此樁抗拔剛度也沒有太多的經驗積累。以上現狀影響了抗浮設計的精確計算。而樁的剛度值對抗浮計算精確性有很大影響,建議相關部門及科研單位盡早提出樁剛度的計算及檢驗方法。

實際受力狀態與分析結果不符造成的最嚴重問題就是樁拔力過大導致抗拔失效。影響拔力分析結果的另一個因素即抗浮水位的取值也至關重要。場地高低起伏可能造成不同位置的地下水位有所差別,突發性強降水可能造成地下水位急劇升高,甚至出現水盆效應。在高低起伏的場地,地面高差以及抗浮水位出現幾十厘米的波動并不少見,這種波動對于大柱網地下室的抗浮樁來講也是十分可觀的,應予以足夠的重視。應結合工程經驗及現場實際情況,充分考慮施工及使用期間抗浮水位提高的可能性。