单建式 地下建筑 钻孔灌注 桩的合理设计

单建式 地下建筑 钻孔灌注 桩的合理设计

胡义刚

中交第二航务工程勘察设计院有限公司 湖北武汉 430060

摘 要 针对单建式地下建筑结构设计时抗浮的设计问题，结合现行结构设计规范，分析了钻孔灌注桩的合理设计。钻孔灌注桩用于地下建筑抗拔桩时，其合理设计要点主要包括：抗浮设计水位在不同地域的合理选取；根据勘察报告提供的岩土参数确定地基土对桩的支承力以及由桩身强度（截面、配筋）确定桩基承载力；钻孔灌注桩桩设计常以裂缝宽度为主要控制因素确定桩身配筋；可采取桩端后压浆技术提高桩端桩基抗压承载力并减小沉渣厚度。本文以某交通枢纽单建式地下车库工程为例，阐述了钻孔灌注桩的承载力、配筋、裂缝验算过程及后压浆技术的应用。

关键词 钻孔灌注桩；抗浮设计水位；工程桩分别配筋

1 前言

随着城市建设的发展和城市中心土地的日益稀缺，地下空间的利用已成为一种趋势。地下建筑结构设计中很重要且很容易忽视的问题是抗浮设计，对于单建式地下车库而言，因结构自重及其上覆荷重较小，抗浮成为此类建筑结构设计的主要问题。钻孔灌注桩（常见桩径≥ 800mm）具有单桩承载力高，适用范围广等特点，因而抗浮设计时常选用钻孔灌注桩作为抗浮措施（抗拔桩）。抗浮设计水位的合理选取是地下建筑抗浮设计的关键一步。抗浮设计水位选取合理与否直接关系到工程的经济性和安全性，实际工程中抗浮设计水位需结合对应工程的地勘报告建议值及地区经验规定综合确定，避免因选取抗浮设计水位过高而导致抗拔桩过多、过长、桩身配筋过大或者抗浮水位过低而导致地下结构在施工过程中或竣工后的上浮事故。同时，抗拔桩应兼做抗压，主要是因为地下水位在建筑设计使用年限内并不是恒定不变的，需同时按照低水位进行桩基的结构设计。

2 抗浮设计水位的合理选取

工程实际设计中，抗浮设计水位需结合对应工程的地勘报告建议值及地区经验规定综合确定。地勘报告中会给出抗浮设计水位的建议值，但一般仅做参考，具体取值需由设计人确定。对于年降水量较多的我国中部及南部地区，抗浮设计水位常取至室外完成面或自然地面标高。很多地方性标准中也明确提出根据建成后室外地坪标高确定具体的抗浮设计水位，本文作者通过参与设计的工程了解到湖北、湖南、江苏等省有如上明确要求。对一般建筑物地下室抗浮设计时，取建筑室外周边地坪标高为抗浮设计水位。当建筑物地下室长度很长（如超过100米），且沿四周地坪完成面标高高差较大时（如超过3米），如仍取四周地坪最低处标高作为抗浮设计水位，易造成地下结构上浮或结构构件的失效、破坏，偏于不安全；如取四周地坪最高处标高作为抗浮设计水位，易造成地下结构抗拔桩过多、结构构件截面配筋均很大，偏于不经济。对于此类坡地建筑，抗浮设计水位应结合地下室周边及其范围内的水头分布，分段、分块选取抗浮设计水位。具体操作如下：将地下室沿两方向较为均匀的划分区段，各区段内取室外地坪标高作为抗浮设计水位，用平面作图法，将两方向各区段水头相连，可近似取为一段斜线。因为地下水会沿着水头低方向渗流，所以各区块内的抗浮设计水位时可取两方向中的较小值，具体可参照如图1所示操作。

图1 坡地建筑地下室设计水头示意图

3 抗拔桩设计要点

根据上述原则确定抗浮设计水位后，结合地下结构布置可确定满足整体抗浮所需抗浮力，由此确定抗拔桩承载力及其数量。

《建筑桩基技术规范》（JGJ-2008）5.4.6-1规定：“对于设计等级为甲级和乙级的建筑桩基，基桩的抗拔极限承载力应通过现场单桩上拔静载荷试验确定。

《建筑地基基础设计规范》（GB5007-2011）8.5.9规定“单桩抗拔承载力特征值应通过单桩竖向抗拔载荷试验确定，并应加载至破坏。”综上可知，现行规范规定：单桩抗拔承载力特征值由抗拔静载荷试验确定。

抗拔试桩和抗拔工程桩具有如下共同之处：相同施工单位和施工工艺，相同的有效长度、截面尺寸，相同的混凝土强度等级等；不同于抗压桩，抗拔试桩和抗拔工程桩的桩身配筋可以不一样，一般情况下配筋会相差较多，下一节会论述其原因。

《建筑桩基技术规范》（JGJ-2008）5.4.6-1及5.4.5-2列出了单桩竖向抗拔承载力表达式为：

（1）

（2）

可由式5.4.6-1根据勘察报告提供的岩土参数确定地基土对桩的支承力，此外还需由桩身强度（截面、配筋）按下述公式确定抗拔桩的承载力

《建筑桩基技术规范》（JGJ-2008）5.8.7列出了抗拔桩正截面受拉承载力设计值表达式为：

（3）

《建筑桩基技术规范》（JGJ-2008）5.8.8为抗拔桩的裂缝控制验算，可概括为按裂缝控制等级，进行裂缝控制计算；对于一般工程，裂缝控制等级为三级，按荷载效应标准组合计算的最大裂缝宽度应符合：

（4）

裂缝验算按《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010）7.1.2进行，7.1.2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司计算：

（5）

其中 σ_s=N_k /A_s，N_k为按荷载效应标准组合计算的轴向力值。

以上列出了涉及抗拔桩设计的主要计算公式。

4 抗拔桩设计关键

工程实际设计中，桩身配筋是抗拔桩设计的关键，而桩身配筋通常由桩身裂缝控制来决定；抗拔桩根据作用不同，分为抗拔工程桩和抗拔试桩，两者应用形态是不同的，这决定了两种抗拔桩的裂缝控制等级不同。

《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010）7.1.1-2“三级裂缝控制等级时，钢筋混凝土构件的最大裂缝宽度可按荷载准永久组合并考虑长期作用影响的效应计算”，由此可知，抗拔工程桩所处的是正常使用极限状态。对于抗拔试桩，《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2011）8.5.9规定“单桩抗拔承载力特征值应通过单桩竖向抗拔荷载试验确定，并应加载至破坏”，由此可知，抗拔试桩所处的是承载能力极限状态。对于抗拔工程桩，桩身配筋验算取R_a作为裂缝控制验算取值，使抗拔工程桩桩身满足规范在正常使用极限状态下的裂缝宽度要求；对于抗拔试桩，桩身配筋验算取R_k作为裂缝控制验算取值，使抗拔试桩桩身满足规范在承载能力极限状态下的裂缝宽度要求才行。

从以上的论述中可知，工程实际设计中，以裂缝控制验算确定抗拔桩的实际配筋，所以抗拔工程桩和抗拔试桩桩身配筋相差很大。为保证工程设计满足安全、经济、合理、适用的原则，实际操作中，在同一裂缝控制等级下，将抗拔工程桩和抗拔试桩分别做裂缝验算，由此确定抗拔工程桩和抗拔试桩的实际桩身配筋。

5 工程实例

工程简介：本工程为某市高铁客运枢纽配套单层单建式地下车库，采用钻孔灌注桩基础（一柱一桩），桩径1米，地下车库标准柱网尺寸为8.4m×8.4m，结合该地下车库建筑和结构作法，1）、抗压状态下（取最小水浮力，按最不利工况水头取为0），所需单桩抗压承载力特征值为4400kN，对应所需桩长为32米，桩端持力层为第⑦中砂层、⑧层含砂姜黏土层，为提高桩基承载力并减小桩端沉渣，采取桩端后注浆工艺；2）、抗拔状态下（取最大水浮力，抗浮设计水位按建筑室外地坪完成面标高24.300选取），单桩抗拔承载力特征值为1100kN，对应所需桩长为25米，桩端持力层为第⑥层为含砂姜黏土层。综上确定本工程桩长选定为32米。以下结合本工程实际地勘报告就抗拔工程桩、抗拔试桩的桩身配筋、裂缝验算及后压浆技术做下阐述。

(1)抗拔工程桩

由上述条件知，单桩抗拔承载力特征值R_a =1100 kN，抗拔承载力设计值R_d =1375 kN，抗拔承载力极限值R_k =2200 kN。工程桩桩身配筋设为2020（HRB400），桩身混凝土强度等级为C35，《桩规》5.8.7式f_yA_s=360x20x314.2=2262.2 kN ＞ R_d

由抗拔桩单桩抗拔承载力特征值R_a =1100 kN，按《混规》7.1.2-1，d_eq = 20 mm，f_tk =2.2 N/mm²，ɑ_cr =2.7

c =50 mm ,E_s=2.0×10⁵ N/mm² ,ρ_te =A_s / A_te =20×314.2/(3.14×1000²/4) =0.008 < 0.01 , 故取 ρ_te =0.01；

σ_sk=N_k /A_s=1100×1000 /（20×314.2）=175.048 N/mm²

ψ= 1.1-0.65f_tk/ρ_teσ_sk = 1.1-0.65×2.2/（0.01×175.048）=0.283，

则按上节中裂缝宽度计算公式相应裂缝宽度为：

ω_max = 2.7×0.283×（1.9×50+0.08×20/0.01）×175.048/200000=0.163mm < 0.20mm，满足要求。

(2)抗拔试桩

抗拔试桩单桩抗拔承载力极限值R_k =2200 kN。抗拔试桩桩身配筋设为2825（HRB400），桩身混凝土强度等级为C35，《桩规》5.8.7式f_yA_s=360×28×490.9=4948.2 kN ＞ R_k；取R_k =2200 kN，按过程（1）计算得裂缝宽度为ω_max =0.254mm；取抗拔试桩桩身配筋设为3225（HRB400）按过程（1）计算得裂缝宽度为ω_max =0.205mm。

考虑到抗拔桩的试桩其主要目的是确定地基土对桩的支承力，且抗拔载荷是一个短暂的过程，裂缝宽度为ω_max =0.254mm超出0.20mm并不算多，实际工程中也是可以接受的。

(3)桩端后压浆工艺的应用

考虑在低水位时，桩基为受压状态。由地勘报告中所给灌注桩参数，当有效桩长为32米，且桩端进入第⑦中砂层、⑧层含砂姜黏土层内约9米时，计算得单桩抗压承载力特征值为3700 kN。鉴于该值与所需承载力4400 kN相差约20 %，本工程采用桩端后压浆工艺提高抗压承载力。本工程按下列要求进行桩端后压浆施工：后注浆采用强度等级为42.5普通硅酸盐水泥；在制作钢筋笼的同时制作压浆管,压浆管焊在钢筋笼加劲箍上，压浆管直径不小于25mm，且壁厚不小于3mm；注浆流量不大于75L/min；水泥浆水灰比为0.6,桩端注浆终止注浆压力为4.0MPa，压浆量(水泥重量)每桩不小于2.0吨；注浆作业宜于成桩2d后开始；不宜迟于成桩30d后。注浆完成20d后，进行桩基承载力检验。

本工程采用后压浆工艺后，采用静载荷检验工程桩竖向承载力，桩基验收报告中数据显示当加载至9000 kN时，桩顶总沉降为10 mm；采用钻芯法检测桩底沉渣厚度亦很小，沉渣厚度均在为3mm以内；由此可知后压浆在本工程中的应用效果较好，达到了设计预期：提高桩基承载力并减小沉渣厚度。

4. 工程桩、试桩配筋

因本工程工期紧张，根据倒排工期，试桩不能等到基坑开挖后再做相应检测，考虑在自然地面处做试桩的检测。当在自然地面处进行抗拔载荷试验时，应消除自然地面至设计桩顶标高范围内桩基侧阻（设置消阻器）。试桩大样，消阻器做法，工程桩、试桩配筋详见图2~图5。

（5）分析结论

抗拔工程桩桩身配筋为2020（HRB400），其配筋率为0.8%；抗拔工程桩桩身配筋为2825（HRB400），其配筋率为1.75%；由此可知，抗拔工程桩和抗拔试桩配筋可以不同，配筋面积可以相差很多。实际工程中抗拔工程桩和抗拔试桩应分别配筋（两者配筋可以相差很多），以满足经济、适用的要求。当在自然地面处做试桩的检测时，可采取设置消阻器扣除自然地面至桩顶设计标高的侧阻。

6 结语

本文针对单层单建式地下车库结构设计时钻孔灌注桩的合理设计问题，经过计算分析及实际检验，可得出如下结论：

1. 合理选取抗浮设计水位是保证单建式地下建筑结构设计安全、经济的前提；

2. 根据抗拔工程桩和抗拔试桩不同的应用形态，明确指出根据裂缝控制要求，抗拔工程桩按R_a，抗拔试桩按R_k计算裂缝宽度，确定桩身配筋，抗拔工程桩和抗拔试桩应分别配筋，且两者配筋可以相差较大；

3. 为提高桩基竖向抗压承载力并减小桩底沉渣厚度，可结合桩端、桩侧土层情况，采取桩端后注浆或者桩端、桩侧复式后注浆。

参考文献

1. 陆培俊. 抗拔桩的设计[J]．结构工程师，2009.

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