工程中的抗拔樁設(shè)計探討

馬嫻

0 引言

隨著城市的不斷發(fā)展，土地資源越來越稀缺，人們更加注重地下空間的開發(fā)利用，地下2 層、3 層結(jié)構(gòu)屢見不鮮，隨之而來的是結(jié)構(gòu)抗浮問題。工程上常用的抗浮措施有：壓重法、抗浮板法、排水限壓法、隔水控壓法與泄水降壓法、錨桿法和錨樁法（設(shè)置抗拔樁）。在抗浮力與浮力相差不大時首選壓重法。而在二者差別較大時，與其他幾種措施相比，抗拔樁基礎(chǔ)具有安全性高、工期短、成本較低、適用性強等特點，因而抗拔樁是解決抗浮問題的常用措施。本文主要通過工程實例設(shè)計介紹抗拔樁設(shè)計的重難點。

1 抗拔樁的理論研究

我國樁基礎(chǔ)發(fā)展歷史悠久，很久以前已經(jīng)開始將木樁基礎(chǔ)應(yīng)用于房屋建設(shè)中。而在漢朝的橋梁工程中，木樁基礎(chǔ)已經(jīng)非常普遍。隨著鋼筋、混凝土等材料的興起，20 世紀(jì)60 年代，鋼筋混凝土樁基本取代了木樁，并在工程中迅速發(fā)展。

抗拔樁是通過樁身與土體之間摩擦阻力傳遞荷載至樁體周圍土體，當(dāng)摩擦阻力達(dá)到極限值而突破后，樁體即破壞并失去作用?？拱螛对谑艿缴习魏奢d而破壞的狀態(tài)有剪切破壞、倒錐形破壞、復(fù)合剪切面破壞、樁體拉斷。剪切破壞常出現(xiàn)在樁身與土之間的摩擦阻力小于上拔力時；倒錐形破壞容易出現(xiàn)在土質(zhì)較軟的巖層；復(fù)合剪切面破壞在樁身較長、較硬質(zhì)的粘土灌注樁中較易出現(xiàn)；樁體拉斷只有在樁身配筋不足等自身因素下出現(xiàn)。

抗拔樁的抗拔力由樁體自身重量、樁身側(cè)面與土體摩擦阻力、樁底部負(fù)壓所形成的真空吸力組成。由于真空吸力在學(xué)術(shù)界尚未有明確的研究分析，故設(shè)計中只考慮前面兩項。而關(guān)于抗拔樁極限承載機理的研究并不多，工程上的做法是參考抗壓樁的側(cè)摩阻力計算方法，并在此基礎(chǔ)上考慮一個抗拔系數(shù)。但抗拔系數(shù)的選取其實是基于工程試驗結(jié)果并參照有關(guān)規(guī)范綜合考慮后給出的值，并不能充分考慮荷載特性、樁型、樁的施工工藝、樁周土質(zhì)等。

2 工程實例

2.1 工程概況

工程位于廣西南寧市青秀區(qū)，是一棟地上10 層，地下1層的辦公樓。其中塔樓范圍內(nèi)地下室層高6.0m，純地下室層高為4.8m，地上建筑高度48.0m?？偨ㄖ娣e16 516m，其中地上建筑面積10 451m。塔樓范圍內(nèi)地下室的功能為設(shè)備用房，純地下室區(qū)域為停車庫，無人防功能。地下室頂板覆土300mm。整個場地較為平整，高差只有0.30m。

本工程安全等級二級，設(shè)計使用年限50 年，結(jié)構(gòu)耐久年限50 年。設(shè)計地震分組第一組，建筑場地類別Ⅱ類。上部采用框架剪力墻結(jié)構(gòu)，其中框架抗震等級四級，剪力墻抗震等級三級。地下室頂板厚度250mm，底板厚度400mm。

2.2 地質(zhì)情況

根據(jù)勘察報告顯示，本工程場地自上而下土層土分布如下：素填土①，黏土②；粉砂③；全風(fēng)化粉質(zhì)泥巖④；全風(fēng)化粉砂巖④1，強風(fēng)化粉質(zhì)泥巖⑤,強風(fēng)化粉砂巖⑤1，煤，中風(fēng)化粉質(zhì)泥巖⑥，中風(fēng)化粉砂巖⑥1。本工程基坑開挖后露出持力層④、④1、⑤、⑤1，故主樓下采用天然筏板基礎(chǔ)；純地下室外墻處抗浮滿足計算故采用柱下獨立基礎(chǔ)，其余采用鉆孔抗拔灌注樁，樁端以中風(fēng)化粉砂巖⑥1 作為持力層，并要求樁端全斷面進(jìn)入較完整中風(fēng)化粉砂巖⑥1 深度不小于1.5d（d 為樁身直徑）。本工程選取的樁形為鉆孔灌注樁，樁的極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值qpk=3 500kpa；qsik=170kpa。④1 層取qsik=100kpa；⑤層取qsik=140kpa；⑤1 層取qsik=150kpa。⑥層取qsik=160kpa。

2.3 抗拔樁設(shè)計

抗拔樁設(shè)計的思路一般是先根據(jù)場地勘察報告提供的土質(zhì)參數(shù)，估算單樁抗拔極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值，其次是驗算樁身承載力，然后根據(jù)場地勘察報告提供的環(huán)境類別、水和土的腐蝕性等確定樁身的裂縫控制等級，并依此復(fù)核樁身配筋。而裂縫控制等級分為三級，其中一級為嚴(yán)格要求不出現(xiàn)裂縫，二級為一般要求不出現(xiàn)裂縫，三級為控制樁身裂縫寬度。工程上常見的為三級裂縫控制等級。

本工程底板底絕對標(biāo)高為87.90，地勘報告建議的抗浮設(shè)計水位為93.00，水頭達(dá)5.1m。經(jīng)計算，地下室頂板覆土自重、地下室頂板及底板的梁板柱自重不足以抵抗地下水向上的水浮力，且抗浮力與浮力相差較大，而頂板不具有增加覆土重量的條件，故本工程采用抗拔樁基礎(chǔ)。

本工程地基基礎(chǔ)設(shè)計等級乙級，抗浮工程設(shè)計等級乙級，樁基設(shè)計等級乙級。抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)取1.05，單柱下的抗拔樁需提供的抗拔承載力標(biāo)準(zhǔn)值最大值為N=1830KN。

2.3.1 單樁抗拔極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值

文獻(xiàn)[3]規(guī)定，如無當(dāng)?shù)亟?jīng)驗時，群樁基礎(chǔ)及設(shè)計等級為丙級建筑樁基，群樁呈非整體破壞時，基樁的抗拔極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值按下式計算：

以典型孔點ZK3 號勘探孔為例，樁身直徑d 取1.2m，樁長L=14m，λ=0.5，

則T=π×1.2×0.5×(100×3+140×2.5+150×2.5+160×4.2+170×1.8)=3 775KN，

G=(π×1.2×14×15)/4=237KN,則N=3 775/2+237=2 124KN>1 830KN

根據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，擴底抗拔樁達(dá)到極限承載力時所需的位移更大，但與擴底直徑大小無關(guān)；而且擴底抗拔樁比等直徑抗拔樁的極限承載力有明顯提高，表現(xiàn)得更有后勁，但造價上并未有太多增加，經(jīng)濟(jì)性較好。另外不同擴底直徑的擴底嵌巖抗拔樁的破壞模式是樁身鋼筋混凝土發(fā)生受拉破壞，而這種破壞形態(tài)研究比較成熟，對于設(shè)計師來說也是更為可控的情形，配置一定的樁身鋼筋即可。

故本工程的抗拔樁最終選為樁身直徑d=1.2m，擴底后直徑D=1.5m，擴大頭高度取0.6m。

2.3.2 考慮裂縫控制要求進(jìn)行配筋設(shè)計

取樁的混凝土等級為C40，f=360N/mm，按照

根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB50010-2010)按如下公式(4)～ (7)計算最大裂縫寬度。取樁的混凝土等級為C40，f=2.39MPa,A=2.7；C=50mm，

計算得wmax=0.452mm>0.20mm，不滿足正常使用極限狀態(tài)下裂縫的控制要求。

2.3.3 抗拔樁檢測

抗拔樁的樁身完整性檢測及單樁數(shù)學(xué)承載力檢測的方法和檢測數(shù)量按《建筑基樁檢測技術(shù)規(guī)范》(JGJ 106-2014)第3.3.3～3.3.8 執(zhí)行。但是工程樁驗收檢測時，要特別注意檢測方案中關(guān)于施加的上拔荷載的取值。筆者分別對樁身混凝土等級為C30、C35、C40，樁身直徑1 200mm，按最接近規(guī)范的裂縫限值0.20mm 反算最大的抗拔承載力標(biāo)準(zhǔn)值最大值為N。

混凝土通過表1、表2 比較后發(fā)現(xiàn)以下規(guī)律：

表1 抗拔樁裂縫及配筋計算一覽表

表2 抗拔樁檢測最大上拔荷載與混凝土等級及經(jīng)濟(jì)指標(biāo)關(guān)系對比表

（1）當(dāng)樁身混凝土等級大于C35 時，樁身配置的鋼筋能承受的最大拉力小于抗拔承載力特征值T 的2 倍。在樁身混凝土等級為C30 時，樁身配置的鋼筋能承受的最大拉力均大于抗拔承載力特征值T 的2 倍。

（2）樁身混凝土等級相同時，選用數(shù)量更多的小直徑鋼筋時，鋼筋能承受的最大拉力值更小。

文獻(xiàn)[4]中5.1.2 條，工程樁驗收檢測時，施加的上拔荷載不得小于單樁豎向抗拔承載力特征值的2.0 倍或使樁頂產(chǎn)生的上拔量達(dá)到設(shè)計要求的限值。當(dāng)抗拔承載力受抗裂條件控制時，可按設(shè)計要求確定最大加載值。

（2）取檢測時的上拔荷載為1.5T 即2 745KN，得wmax=0.606mm 大于0.20mm，且2 745KN<3 535KN(鋼筋承受的最大拉力)，可行。

（3）取檢測時的上拔荷載為1.35T 即2 470KN，得wmax=0.483mm 略大于0.20mm，且2 470KN<3 535KN(鋼筋承受的最大拉力)，可行。

通過以上3 個方式的比較，綜合考慮經(jīng)濟(jì)性，本工程采用方式2。由于檢測時的上拔荷載屬于瞬時荷載，裂縫也屬于短期裂縫，卸載后裂縫會封閉，但對樁頂?shù)目沽研阅苡幸欢ǖ挠绊?，故在樁檢測完畢后，需對這些樁的樁頂范圍采取外防護(hù)加強措施，如外防水加強。

2.3.4 沉降

由于裙房上部荷載小，加上抗拔樁的支承作用，此區(qū)域的沉降將受到限制。而高層塔樓上部荷載大，采用天然基礎(chǔ)時沉降一般較大，這樣就導(dǎo)致高層塔樓與裙房之間的沉降差較大，設(shè)計上要謹(jǐn)慎處理。沉降差的處理方式常有設(shè)置沉降縫、沉降后澆帶和控制塔樓沉降。本工程采用的措施是設(shè)置沉降后澆帶。

3 結(jié)論

（1）抗拔樁設(shè)計在規(guī)范中包括基樁極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值、樁身承載力和裂縫，工程上大多數(shù)抗拔樁的配筋是有裂縫控制。

（2）抗拔樁檢測時的最大上拔荷載不能跟抗壓樁一樣簡單地按2.0T 加載，需綜合考慮樁身強度和裂縫因素。一般情況下按抗拔承載力特征值P 控制裂縫，抗拔承載力檢測常規(guī)情況下取1.35～1.5T 左右。

（3）若工程抗拔樁按檢測的2.0T 最大上拔荷載控制裂縫，此時需增加的樁配筋會增大太多，經(jīng)濟(jì)性不好。

（4）對于樁端地質(zhì)條件允許擴底的應(yīng)盡量擴底，經(jīng)濟(jì)性較好。