PHC管桩及灌注桩作为工程抗拔桩的设计要点

周子丞

(中建海峡建设发展有限公司 福建福州 350008)

PHC管桩及灌注桩作为工程抗拔桩的设计要点

周子丞

(中建海峡建设发展有限公司 福建福州 350008)

PHC管桩及灌注桩(包括冲钻孔灌注桩、人工挖孔桩)作为工程抗拔桩的应用广泛。本文简述了各种地下建筑物的抗浮措施，重点研究了上述桩型作为抗拔桩的受力机理、设计计算方法及适用范围。通过工程实例中的实验数据验证理论计算数值。

抗拔桩；PHC管桩；灌注桩；抗浮设计

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引 言

近年来，随着国内经济的迅猛增展，城市建设也得到了快速发展，高层及超高层建筑越来越普遍，基础埋置也越来越深。同时，作为车库等功能的广场式建筑的纯地下室部分、裙房或相对独立的地下建筑物(如下沉式广场、地下车库、地下铁道等)的开发和利用越来越广泛，由此，地下建筑的抗浮问题日益突出。

如何进行地下工程结构的抗浮设计目前已成为一个经常面临的问题。因地下水浮力作用或抗浮措施不当而造成地下工程的破坏，在国内已有不少的先例。在我国沿海地区曾出现过多起因地下水浮力而导致地下室破坏的事故。在这些事故中，有的地下室底板隆起，导致底板破坏；有的地下建筑物整体浮起，导致梁柱结点处开裂及底板破坏等等。

一般而言，地下室上浮的原因是结构自重及地下室侧壁摩擦力之和小于水浮力所引起。上浮处理方法有抽水、解压、加载及洗砂等方法配合运用，其中以洗砂作业程序最复杂，常在其它方法处理失效后才使用。处理后，上浮的地下室很少能回沉至原高程，残存的上浮量需借建筑收尾工程处理。由于地下室无法回沉至原高程，并且有些结构在上浮时受到损坏，基础底板下的空隙需另做灌浆填缝。

地下室上浮的意外事件可能发生在各种地层中，包括透水性极低的软粘土层或极稳定的卵石层中。低水位也不保证不会发生上浮，因地下水位可能因暴风雨、地表渗流或施工不慎等因素突然升高，地下水浮力一旦超过结构自重及侧壁摩擦力时则上浮随之发生，建筑物将产生变形等破坏。不能保证正常使用中的安全，必须采取有效的处理措施。地下建筑的抗浮问题成为影响结构工程设计和工程投资效益的难题之一，并引起结构工程师的重视和广泛关注。

在国内外，关于抗浮设计方面进行系统研究的文献资料并不多。结构工程师们通常对此类情况感到十分的困惑，主要原因之一是有关的设计规范规程中未提出明确的设计标准或设计依据，在具体应用时尚存在很多问题，引起很多的争议。

1 抗浮措施

1.1 主要内容

工程抗浮设计包括整体抗浮验算和局部抗浮验算。通过整体抗浮验算虽然可以保证地下建筑物不会整体上浮，但不一定能保证建筑物底板不开裂等变形现象，因此，还应对底板进行局部抗浮验算。在具体的设计中应根据工程特点、地质情况、场地条件和环境等因素(如基坑的支护形式、基坑深度、基坑底的土层条件等)，综合考虑，因地制宜，选择一个最佳有效的抗浮方案。

1.2 增加自重法

增加自重法包括顶板压载、基板加载及边墙加载等方法增加地下结构物自身重量(即恒载)，使其自身的重力始终大于地下水对建筑物所产生的浮力，确保建筑物不上浮。这种方法的优点是施工及设计较简单；缺点是当结构物需要抵抗浮力较大时，由于需大量增加混凝土或相关配重材料用量，故费用增加较多。

1.3 抗拔桩下拉法

抗拔桩是指抵抗建筑物向上位移的各种桩型的总称，抗拔桩不同于一般的基础桩，有其自身的独特性能，桩体承受拉力，拉力大小随地下水位变化而变化，与一般情况下承受竖向压力的桩在受力机理上不同。

2 PHC管桩作为抗拔桩的计算(公式中各字母含义不重复叙述)

2.1 概述

我国大部分地区都广泛使用先张法预应力高强混凝土管桩(PHC桩)，该桩型技术成熟且价格低廉，故在绝大多数采用此种桩型的工程中也同时直接用其作为抗拔桩。抗拔桩主要靠桩侧土的表面摩擦阻力抗拔，因此对抗拔桩的计算主要分为桩侧土摩擦阻力及桩身抗拔承载力、桩身连接构造节点抗拉承载力三个方面。

2.2 桩侧土摩擦阻力(单桩抗拔承载力)

桩侧土摩擦阻力的计算主要依据工程地质报告，选取该工程抗拔桩所在的多个典型孔位，参照地质报告中给出的管桩所穿越的各土层厚度以及各土层侧阻力，按规范或地勘报告中所给的土层抗拔系数进行修正计算得出，具体如下：

据《先张法预应力混凝土管桩基础技术规程》[1]，单桩抗拔承载力特征值：

Rta+Gpk+Up∑λiqsiali

式中，Rta—单桩抗拔承载力特征值；Gpk—管桩自重；λi—各土层的抗拔系数；Up—管桩周长；qsia—各土层的侧阻力特征值；li—各土层厚度。

2.3 桩身抗拉承载力

管桩桩身抗拔承载力主要依靠桩身混凝土的抗拉力及桩身截面混凝土有效预压应力。依据地质报告中地下水的腐蚀性情况，以及工程的重要性程度，分为严格不出现裂缝及一般不出现裂缝两种情况。

当为严格不出现裂缝时，不考虑桩身混凝土的抗拉力，即桩身砼不参与抗拉受力，此时：

σpcA>Qct

式中，Qct—相应于荷载效应基本组合时单桩竖向抗拔承载力设计值；

σpc—桩身截面混凝土有效预压应力；

A—桩身横截面积。

当为一般不出现裂缝时，同时考虑桩身混凝土的抗拉力及桩身截面混凝土有效预压应力，此时：

(σpc+ft/2)A>Qct

式中，ft—桩身混凝土抗拉强度设计值。

2.4 桩身连接构造节点抗拉承载力

桩身连接构造节点的抗拉承载力又分为管桩焊接接头抗拉承载力、填芯混凝土与管桩粘结力以及填芯混凝土处受力钢筋抗拉承载力等三个方面的验算，具体如下：

管桩焊接接头抗拉承载力验算：

填芯混凝土与管桩粘结力验算：

fnUmLa>Qct

填芯混凝土处受力钢筋抗拉承载力验算：

fyAs>Qct

3 灌注桩作为抗拔桩的计算(公式中各字母含义不重复叙述)

3.1 概述

除PHC管桩外，灌注桩也是一种工程常用的桩基形式。灌注桩包括冲孔灌注桩、钻(旋挖)孔灌注桩及人工挖孔灌注桩。其工作机理也是靠桩侧土的表面摩擦阻力抗拔，因此与PHC管桩类似，其作为抗拔桩使用时的计算主要有桩侧土摩擦阻力及桩身抗拔承载力两个方面。

3.2 桩侧土摩擦阻力(单桩抗拔承载力)

据《建筑桩基技术规范》[2]，抗拔桩应同时验算群桩基础呈整体破坏和呈非整体破坏时基桩的抗拔承载力：

Nk≤Tgk/2+Ggp

Nk≤Tuk/2+Gp

式中，Nk—按荷载效应标准组合计算的基桩拔力；Tgk—群桩整体破坏时基桩的抗拔极限标准值；Tuk—群桩非整体破坏时基桩的抗拔极限标准值；Ggp—群桩所包围体积的桩土总自重除以总桩数；Gp—基桩自重。

上式中的自重计算如在地下水位以下，均取浮重度。

Tuk=∑λiqsikliui

式中，ui—桩身周长；qsik—各土层的极限侧阻力标准值；λi—各土层的抗拔系数；li—各土层厚度。

式中，ul—群桩外围周长；n—群桩的总桩数。

还需注意，对于等直径桩，ui=π·d；对于扩底桩(如人工挖孔灌注桩)，自桩底起算的长度li≤(4～10)d时，ui=π·D；li>(4～10)d时，ui=π·d；式中D为扩大头直径；d为桩身直径；li对于软土取低值，对于卵石、砾石取高值，取值按内摩擦角增大而增加。

除此以外，规范对抗拔系数λ给出了不同土类所对应的经验值范围，并且规定桩长l与桩径d之比小于20时，λ取小值。本人认为，不同桩型不同施工工艺在施工过程中对土的扰动程度不同，扰动较大的，计算时λ应取小值；扰动较小的，λ可取大值；应区别对待。

3.3 桩身抗拉承载力

灌注桩桩身抗拔承载力主要依靠桩身混凝土及钢筋的抗拉力。与PHC管桩不同，由于其桩身没有施加预应力，因此一般达不到严格要求不出现裂缝的一级裂缝控制等级，即规范规定的：

σck=σpc≤0

式中， σck—荷载效应标准组合下正截面法向应力； σpc—桩身有效预压应力。

而只能按一般要求不出现裂缝的二级裂缝控制等级，即由桩身混凝土抗拉：

σck-σpc≤ftk

式中，ftk—混凝土轴心抗拉强度标准值。

或允许出现裂缝的三级裂缝控制等级，即由桩身混凝土和钢筋共同抗拉，并不超出相应的最大裂缝宽度限值：

ωmax≤ωmin

式中，ωmax—按荷载效应标准组合计算最大裂缝宽度； ωmin—最大裂缝宽度限值。

4 抗拔桩工程实例

4.1 PHC管桩工程实例

由PHC管桩的抗拔承载力计算过程可知，PHC管桩的抗拔承载力多由桩身抗拉力控制，因此在工程应用中常用的A型及AB型PHC管桩中，AB型桩所能提供的抗拔承载力更高。选用桩型时应多做计算对比，满足工程所需即可，以免造成不必要的浪费。

如本人设计的福州市新药创制中心工程，该工程地下1层，地上裙房4层，主楼26层，总建筑面积约13.7万m2，结构类型为主楼框架-核心筒结构，裙房框架结构，采用PHC管桩基础，桩长约40m。裙房围合而成的中庭无上部结构，福州地区地下水位较高，按地质报告所提供的抗浮设计水位计算，中庭部分的结构自重不能满足抗浮要求，故设置抗拔桩。初步设计时抗拔桩拟选用A型PHC管桩，但在施工图设计过程中经准确计算后，由桩侧土摩阻力计算出的单桩抗拔承载力特征值为1190kN，PHC500-125-A型桩按一般不出现裂缝的桩身抗拉承载力为876kN，PHC500-125-AB型桩按一般不出现裂缝的桩身抗拉承载力为1073kN，为达到经济节约的目的，由桩身抗拉承载力控制选择PHC500-125-AB型桩，单桩抗拔承载力特征值最终确定为790kN。

图1 PHC500-125-AB型桩 U-δ曲线图

图2 PHC500-125-A型桩 U-δ曲线图

(图1)为该工程抗拔桩检测试验报告中的U-δ曲线图，从图中可以看出检测结果与计算基本吻合。

又如本人设计的福州东岐江山首府项目，该工程为地下1层，地上26层，总建筑面积约14.1万 m2，主楼结构类型为剪力墙结构，采用PHC管桩基础，桩长约50m。因上部各单体为塔楼，塔楼与塔楼间存在纯地下室的部分，按地质报告所提供的抗浮设计水位计算，纯地下室部分的结构自重不能满足抗浮要求，需设置抗拔桩。经计算，单桩抗拔承载力特征值为552kN，故选择PHC500-125-A型桩，桩身抗拉承载力为876kN与之匹配即可，单桩抗拔承载力特征值最终确定为560kN，同样取得了很好的经济效果(图2)为该工程抗拔桩检测试验报告中的U-δ曲线图，从图中可以看出检测结果与计算也是相符的。

4.2 灌注桩工程实例

由灌注桩的抗拔承载力计算过程可知，其桩身一般按裂缝宽度为0.2mm的三级裂缝控制等级进行计算。由于可控制现场施工的桩身混凝土强度等级及钢筋配置，因此可在合理的情况下尽量使桩身抗拉承载力与桩侧土摩阻力计算出的单桩抗拔承载力相匹配，以达到既满足结构安全又经济节约的目的。

图3 Φ800钻孔灌注桩 U-δ曲线图

如本人设计的赣州嘉福·金融中心(一期)项目，该工程地下1层，地上塔楼32层，总建筑面积约20.6万m2，塔楼结构类型为剪力墙结构，采用Φ800钻孔灌注桩基础，桩长约17m，纯地下室部分需设置抗拔桩。由桩侧土摩阻力计算出的单桩抗拔承载力特征值为1042kN，桩身采用C40混凝土，内配13根20等级为HRB400主筋的钢筋笼，可以满足要求，单桩抗拔承载力特征值最终确定为1000kN。(图3)为该工程抗拔桩检测试验报告中的U-δ曲线图，可以看出检测结果与计算基本相符。

5 结论

由上可知，我国现行规范中所提供的抗拔桩抗拔承载力计算公式是一个半理论半经验的公式，计算所得数据也对工程地质报告所提供的土层参数有较大的依赖性，如果地质条件较为复杂，则有可能出现计算所得数据与现场实际出入较大的情况，因此本文所述的方法只能适用于地质条件简单、土层变化不大的情况，其余状况下该方法只能用于设计参考，单桩抗拔承载力的最终确定应通过现场基桩抗拔试验确定。

[1]DBJ 13-86-2007，先张法预应力混凝土管桩基础技术规程[S].

[2]JGJ 94-2008，建筑桩基技术规范[S].

The main design points of PHC pipe pile and cast-in-situ pile which are use as uplift pile

ZHOUZicheng

(CSCEC Strait Construction and Development Co.,Ltd,Fuzhou 350008)

PHC pipe pile and cast-in-situ pile are widely use for uplift pile.This paper introduces the anti-floating measures in design of basement,especially focused on force mechanism, calculation methods and application scope.It also has tried to point out the differences between the real projects and theoretical arithmetic.

Uplift pile;PHC pipe pile;Bored pile;Anti floating measures

周子丞(1982.4- ),男,工程师。

2015-04-07

TU4

A

1004-6135(2015)05-0074-04