灌注桩抗拔设计探讨

灌注桩抗拔设计探讨

方振雄

广东省建筑设计研究院广东广州510010

摘要：随着国民经济的发展，促使城市建设的进展，地下空间的开发和利用越来越多，地下结构的抗浮问题日益突出。根据现行设计规范，简述了灌注桩的抗拔设计要点，分析了地基土对抗拔桩的支承力和按桩身材料确定桩身承载力，抗拔桩的配筋和裂缝计算；以工程实例计算分析了抗拔桩的抗拔承载力，明确抗拔桩设计的核心问题是配筋和裂缝控制；对抗拔桩的抗浮设计作了有益启示。

关键词：抗拔承载力配筋裂缝

1.引言

在当今飞速发展的社会，大批功能齐全、造型新颖的建筑陆续涌现，特别是大型高层建筑，更是日新月异。由于建筑物基础及自身功能需要，一般均建有地下室，这些使得建筑物基础承受竖向压力的同时也要承受拉力。特别是南方沿海地区，经常遭遇暴雨天气，地下室及地下构筑物承受的水浮力成为主要作用力，桩体承受较大的上拔力，故普通的桩显然不能满足设计要求，因而产生了承受竖向抗拔力的桩，也就是抗拔桩。

2.桩的设计

（1）抗拔桩的传力机理，对于一般工程桩来说抗拔力主要由桩侧摩阻力提供。当竖向力施加于桩顶时，上部桩身首先受到拉伸产生相对于土体的向上位移趋势，于是桩周土体在桩侧界面上产生一个向下的摩阻力，荷载沿桩向下传递的过程就是不断克服这种摩阻力并通过它向土中扩散的过程，上部的位移总是大于下部，因此上部的摩阻总是先于下部发挥出来。当桩侧总摩阻力达到极限时，桩便发生急剧的、不停滞的上拔而破坏。

（2）《建筑地基基础设计规范》（GB50007一2011）第8.5.6/1指出：单桩竖向承载力特征值应通过单桩竖向静载荷试验确定。《建筑桩基技术规范》（JGJ94-2008）第5.4.6/1指出：对于设计等级为甲级和乙级建筑桩基，基桩的抗拔承载力应通过现场单桩上拔静载荷试验确定。可见，我国的基础规范规定：单桩抗拔承载力由静载试验确定。

由此可知，试桩应当反映工程桩的特征，包括类型、几何特征（如桩的截面尺寸、有效长度）、材料特征（如混凝土强度等级、配筋）、土层特征、施工要求等，这样才能将试桩的结果用于工程桩。

（3）《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2011）第8.5.9条指出：当桩基承受拔力时，应对桩基进行抗拔验算。《建筑桩基技术规范》（JGJ94-2008）第5.8.8/3指出：对于允许出现裂缝的三级裂缝控制等级的基桩，按荷载效应标准组合计算的最大裂缝宽度应符合下列规定，.

这里先分析由桩基抗拔验算确定的抗拔桩设计。依据《桩基规范》（JGJ94-2008），第5.4.6/2

1）群桩呈非整体破坏时，基桩的抗拔极限承载力标准值可按下式计算：

?（5.4.6-1）

2）群桩呈整体破坏时，基桩的抗拔极限承载力标准值可按下式计算：

（5.4.6-2）

从以上公式可以看出，实质上反映的是地基土对抗拔桩的支承力，其值的确定是抗拔桩承载力计算的第一步。再由《桩基规范》（JGJ94-2008），第5.8.7条，桩身设计轴向拉力设计值表达式为：确定桩身配筋；与此同时，应当依据《混凝土结构设计规范》第3.4.5条规定的构件裂缝控制等级及最大裂缝宽度限值，对抗拔桩作裂缝验算；验算按《混凝土结构设计规范》第7.1.1条，第7.1.2条与第7.1.4条进行。

第7.1.2条规定：按荷载效应的标准组合并考虑长期作用影响的最大裂缝宽度可按下列公式计算：

其中，σsk为按荷载效应的标准组合计算的钢筋混凝土构件纵向受拉钢筋的应力，其值按式7.1.3计算：σsk=Nk/As

这里Nk应为按荷载效应的标准组合计算的轴向力值”。

以上依据现行规范，对抗拔桩的设计计算作了简要阐述，并列出了主要计算公式。

3.桩的配筋

由于抗拔桩受到拉力，而混凝土就是承受少量拉力会出现裂缝的材料，故桩的配筋设计与其裂缝控制有很大关系；抗拔桩的裂缝控制则与抗拔桩的应用形态有关。

从《混凝土结构设计规范》关于钢筋混凝土构件裂缝验算的条文看，裂缝验算针对的是构件的正常使用极限状态。而锚桩和抗浮试桩所处的是承载力的极限状态；只是当它们兼作工程桩时，才会分别转化为抗压桩和抗浮工程桩。对它们作裂缝验算就应当顾及它们转化后的状态。从抗拔桩的裂缝控制看，可以依据其应用形态分为三种：

（1）锚桩是为了验证地基土对桩的“极限”支承力；因此，它在裂缝验算时应当取Rk值。另一方面，它转化为工程桩时，是处于受压状态，是抗压桩；它在试桩时产生的裂缝是临时的，若不大，最终会闭合。因此裂缝的控制可以适当放宽。

（2）对于抗浮工程桩只需要使正常使用极限状态下的裂缝宽度满足要求即可，即抗浮工程桩裂缝验算时应当取Ra值。

（3）对于抗浮试桩，裂缝验算时应当取Rk值，这同锚桩是一样的。与锚桩不同的是，抗浮试桩最终若仍作为抗浮工程桩使用，则它的裂缝控制应当与抗浮工程桩相当。

通常情况下，裂缝验算决定抗拔桩的配筋量。抗拔验算时，应当取高地下水位作为外部条件。

4.计算实例

从上述可知，抗拔桩设计的核心问题是配筋与裂缝控制。这里以佛山市高明区某大楼的冲孔灌注桩基为计算实例，区分桩的受力配筋设计与裂缝控制下的配筋设计。

该建筑地下室2层，最大埋深超过10米；地上主楼15层；地下室的范围比主楼大得多，即含有2屋纯地下室。主楼结构顶高约为60米，建筑装饰顶超过70米。

建筑物下全部采用混凝土冲孔灌注桩，混凝土强度等级为C30。纯地下室采用D1000桩，长约15米，以地基土的支承力计算，单桩抗压承载力特征值Ra=3500kN，设计值Rd=4700kN，极限值Rk=7000kN；单桩抗拔承载力特征值Ra=1000kN，设计值Rd=1350kN，极限值Rk=2000kN。纯地下室的桩实际上处于抗浮状态。

以下对该大楼地下室所涉及的三种抗拔桩的配筋、裂缝验算作阐述。

1）纯地下室的抗浮工程桩，根据《桩基规范》，计算地基土对桩径为1.0米的抗浮桩的支承力，得到抗浮桩单桩抗拔承载力特征值Ra=1000kN，设计值Rd=1350kN，极限值Rk＝2000kN。配筋设为16条18（HRB400），由《桩基规范》第5.8.7条可得fyAs=360×16×254.5=1466kN>Rd。再由抗浮桩单桩抗拔承载力特征值Ra=1000kN，根据《混凝土结构设计规范》计算裂缝宽度，可得=O.432mm>[0.3mm］，不满足《桩基规范》第3.5.3条注2规定。因此将地下室的抗拔桩配筋确定为16条20（HRB400），经计算，得=O.290mm<[0.3mm］，满足规范规定。

２）抗浮工程试桩，由上例可知，地基土对桩径为1.0米的抗浮试桩的支承力极限值为Rk=2000kN。假设配筋为16条20（HRB400），则：fkAs=400×16×314=2009.60kN>Rk，

因此，由以上计算得知，桩的受力计算配筋为16条18，配筋率为0.517%，由裂缝控制的配筋为16条20，配筋率为0.64%；可见，抗拔桩的配筋是由桩身裂缝控制的。

5.结语

以上依据现行设计规范，简述了抗拔桩的设计要点，指出几种常见类型抗拔桩的不同设计要求，分析了抗拔桩设计的核心问题是配筋和裂缝控制，即抗拔桩的配筋量不是由桩身承载力计算式决定的，配筋量的大小由桩身裂缝控制，同时配筋量也须满足抗浮工程试桩的要求。从而，为抗拔桩设计与计算的安全准确、经济合理指明了方向，对抗拔桩的设计作了有益的启示。

诚然，《混结构设计规范》中关于裂缝计算的一套公式，是“半经验半理论”的产物。据此，有人认为不必认真对待抗拔桩的裂缝验算。但人们总是在一定的条件下，以当时科学技术水平所制订的条文来规范人的行为，抗拔桩的裂缝验算也不例外。

参考文献

1.中华人民共和国建设部.GB50007-2011《建筑地基基础设计规范》

2.中华人民共和国建设部.GB50010-2010《混凝土结构设计规范》（2015年版）

3.中国建筑科学研究院.JGJ94-2008《建筑桩基技术规范》

作者简介：方振雄（1982-），工程师，男，一级注册结构工程师，注册岩土工程师。