上海市某地下车库桩筏基础设计

奚震勇杨 宁 张 涛 姜慧峰

（同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司，上海200092）

0 引 言

随着中国经济的高速发展，上海大都市城市化水平正在快速提高。但城市人口、资源、环境三大危机也日益严重，除了采取综合性的治理、经济措施外，合理开发和利用地下空间将是医治“城市综合症”，实施城市可持续发展的重要途径［1］。随着建筑空间从广度向深度不断拓展，像上海市等地下水位较高的城市，地下水产生的浮力对地下结构的影响尤为突出。地下结构抗浮失效案例时有发生，应引以为戒［2-3］。本文以上海市某地下车库为例，探讨了采用抗拔桩解决地下结构抗浮设计关键技术问题的设计思路和方法，可供类似工程设计时参考。

1 工程背景

1.1 建筑概况

某地下车库位于上海市浦东新区森兰外高桥城市综合体的中心广场下。建筑性质与功能为广场用地、地下车库。地下车库共有2层，本工程地下车库用以弥补邻近城市综合体地下停车不足，同时也服务地区公共社会泊位的需求。地下2层由于需和邻近城市综合楼连通且需通行公交巴士，建筑层高取为6.0m，地下1层建筑层高为4.8 m。地上建筑首层相对标高±0.000 m相当于绝对标高为5.100 m，室内外高差为0.15 m，地下室顶板相对标高为-1.200 m。地面广场效果图见图1。

图1 地面广场效果图Fig.1 Squares renderings

地下车库局部剖面图见图2。

图2 地下车库局部剖面图Fig.2 Sectional view of underground garage

1.2 地下结构概况

地下室内部采用钢筋混凝土框架结构体系，地下室四周采用钢筋混凝土挡土墙。地下室顶盖和地下1层楼盖采用钢筋混凝土梁板式结构，基础采用桩筏基础，地下车库抗浮采用抗拔桩锚固抗浮法。地下室不设永久结构缝。主体结构设计使用年限为50年，结构安全等级为二级。

2 工程地质条件和水文条件

2.1 地质条件

本工程位于上海市浦东新区，靠近上海市外高桥保税区，灌注桩计算参数见表1。

2.2 水文条件

本场地浅部土层中的地下水属潜水类型，勘察期间实测取土孔中显示的地下水稳定水位埋深在0.70～1.50 m之间，相应标高2.58～3.84 m。根据岩土工程勘察报告建议，本工程最高地下水位取埋深0.50 m，最低地下水位取埋深1.5 m。

表1 灌注桩计算参数表Table 1 Calculation parameters for casting pile

3 抗拔基桩设计

3.1 桩基选型

根据工程地质与水文地质条件、周边环境条件、耐久性要求和当地成熟的成桩工艺确定抗拔桩桩型，上海地区抗拔桩可采用灌注桩或预制桩。由于预制桩为挤土桩，对邻近城市综合体可能产生不利影响，为安全起见，本工程桩型选用钻孔灌注桩。

3.2 单桩承载力特征值计算

3.2.1 所需抗拔桩承载力估算

本工程以8.4 m跨柱网为主，经手算，柱网尺寸8.4 m×8.4 m范围内，G=4200kN，S=8500kN，抗拔桩承载力特征值可根据式（1）［4］进行估算。

式中：G为恒载标准值；S为地下水对建筑物的浮托力标准值；K为地下结构抗浮安全系数，一般取1.05；R为基桩抗拔承载力特征值；n为抗拔桩数量。

算得当抗拔承载力特征值不小于1 125 kN时，柱网8.4 m×8.4 m范围的抗拔桩数量为4根。

3.2.2 单桩抗拔力特征值计算

单桩抗拔承载力特征值取群桩基础呈非整体破坏时和整体破坏时的单桩抗拔承载力特征值的较小值［5］。

（1）群桩呈非整体破坏时基桩的抗拔承载力特征值可根据式（2），桩呈整体破坏时基桩的抗拔承载力特征值可根据式（3）计算。

式中：Nk为按荷载效应标准组合计算的基桩拔力；Tuk为群桩呈非整体破坏时基桩的抗拔极限承载力标准值；Tgk为群桩呈整体破坏时基桩的抗拔极限承载力标准值；Gp为基桩自重，地下水位以下取浮重度；Ggp为群桩基础所包围体积的桩土总自重除以总桩数，地下水位以下取浮重度。

采用直径为600 mm、桩长为36 m的灌注桩，根据计算，当抗拔群桩桩距不大于2.6倍基桩直径时，单桩抗拔承载力特征值由式（3）控制；当抗拔群桩桩距大于2.6倍基桩直径时，单桩抗拔承载力特征值由式（2）控制。本工程群桩间距不小于3.5 d，单桩抗拔承载力特征值由式（2）控制，基桩的抗拔承载力特征值为1 200 kN。

4 桩筏基础设计

4.1 筏板选型

平板式筏板具有传力路径简单直接、施工简单便利、工期短、综合造价低等优点，与梁板式基础相比，平板式筏板基础的综合经济效应较明显［6］。本工程采用平板式筏板。

4.2 简化模型的数值计算分析

4.2.1 简化柱网尺寸

由于本地下车库柱网尺寸较多，从3.9 m到12.0 m共有14种尺寸，为方便研究，采用7×7跨，单跨跨距8.4 m的等间距柱网。

4.2.2 设计工况

（1）地下结构桩基整体受力分为两个阶段：施工阶段和使用阶段。施工阶段地下水位于基坑底面下0.5 m处，使用阶段最高地下水位位于场地地面以下0.5 m处。基桩受力历程为：受压→零受力→受拉。

（2）从地下结构开始施工到整个使用周期内，以柱荷载和水浮力为变量进行组合，可能遇到的设计工况［7］包括：工况1使用阶段水浮力最大，柱压力最大；工况2使用阶段水浮力最大，柱压力最小；工况3使用阶段水浮力最小，柱压力最大；工况4使用阶段水浮力最小，柱压力最小；工况5施工阶段无水浮力，柱压力最大。可以预见，设计工况1和工况5是筏板受力的控制设计工况。

4.2.3 布桩方案

在桩数不变的条件下，为了分析不同布桩方案对桩筏基础受力规律的影响，采用4种不同的布桩方案，见图3。

图3 布桩方案示意图Fig.3 Pile-laying schemes

4.2.4 计算软件

桩筏基础计算软件采用北京盈建科软件股份有限公司YJK-F软件。计算方法采用桩筏筏板弹性地基梁法［8］。

4.2.5 主要计算参数

几何信息：柱截面尺寸为700 mm×700 mm；桩基进入筏板深度为50 mm，即筏板底部混凝土保护层厚度为50 mm。材料信息：混凝土强度等级为C35级，受力钢筋牌号HRB400。力学参数：参考邻近城市综合体的抗拔试桩报告，抗拔基桩竖向刚度为3.125×105kN∕m；抗压基桩竖向刚度为4.75×105kN∕m。地下水压力信息、基桩承载力信息等见上述说明。

4.2.6 计算结果分析

（1）筏板厚度的确定。根据YJK-F软件的计算结果，除柱下基桩以外，设计工况①时，筏板承受抗拔桩拔力最大值为1 600 kN，设计工况⑤时，筏板承受抗压桩压力最大值为1 400 kN，经过筏板抗冲切承载力计算，筏板厚度取为600 mm。

（2）柱墩型式和尺寸的确定。根据YJK-F软件的计算结果，600 mm厚筏板柱下抗冲切承载力不足，柱下筏板需要局部加厚。柱下筏板局部加厚的方法有向下加厚（以下简称下柱墩）和向上加厚（以下简称上柱墩），下柱墩和上柱墩形式示意图见图4。

图4 柱墩型式示意图Fig.4 Column pier diagram

设计工况1为筏板抗冲切承载力的控制设计工况，设计工况1和不同布桩方案的筏板柱墩尺寸见表2。

表2 筏板柱墩尺寸计算Table 2 Column pier dimension

表2分析说明：①布桩方案2、3，在设计工况1时，筏板冲切荷载为柱下压力+抗拔桩拉力，由于抗拔桩的存在，增大了柱下冲切荷载；②布桩方案1、4柱下无基桩，冲切荷载即为柱下压力。

《混凝土结构设计规范》（GB 50010—2010）［9］未给出集中拉力作用下的板抗冲切承载力公式，为安全起见，采用集中压力作用下的板抗冲切承载力公式。

（3）基桩受力均匀性分析。基桩均匀性可由基桩均匀系数体现出来，基桩均匀系数是指基桩的平均受力与基桩的最大受力之比值（绝对值之比）。布桩方案2、3，在不同设计工况时基桩受力均匀性分析见表3。

表3 基桩受力均匀性比较Table 3 Comparison of uniformity of piles

布桩方案1、4时，各基桩和柱间距相同，各基桩受力一致。布桩方案2、3时，基桩均匀系数小于1，反映出各基桩受力不一致。布桩方案2、3的基桩均匀系数较接近。

（4）各方案筏板弯矩比较分析和配筋量分析。不同设计工况，不同布桩方案的筏板弯矩比较见表4。

表4 各方案筏板弯矩比较Table 4 Comparison of bending moment of raft

①设计工况1时，柱下筏板弯矩由小到大的布桩方案为：方案4＜方案2＜方案3＜方案1；跨中筏板弯矩绝对值由小到大的布桩方案为：方案4＜方案2＜方案3＜方案1。反映出设计工况1时，基桩越接近筏板中心点，筏板下水浮力传递给基桩支座的路径越短，柱下筏板弯矩越小、跨中筏板弯矩绝对值越小。②设计工况5时，柱下筏板弯矩由小到大的布桩方案为：方案2＜方案3＜方案1＜方案4；跨中筏板弯矩绝对值由小到大的布桩方案为：方案1＜方案2＜方案4＜方案3。反映出设计工况5时，基桩越接近柱下，桩顶压力传递给柱支座的路径越短，柱下筏板弯矩越小、跨中筏板弯矩绝对值越小。③筏板配筋设计时，需根据不同设计工况的最不利弯矩进行包络设计，从表4可知，布桩方案4可使筏板配筋量最小，而布桩方案1的筏板配筋量最大，布桩方案2和3的筏板配筋量在布桩方案1和4之间。

4.3 工程应用

4.3.1 抗拔桩设计

（1）本工程抗拔桩采用钻孔灌注桩，抗拔桩配筋由裂缝宽度限值控制，最大裂缝宽度限值取0.3 mm［5］。

（2）抗拔桩身范围土层为非硬黏土，抗拔桩的破坏形态为沿桩-土侧壁临界剪破［10］，桩顶部拉力最大，桩身拉力随桩长方向向下逐渐减小。为此，基桩纵向钢筋沿桩长分两批截断，基桩配筋分3段设计。

4.3.2 桩筏基础设计

（1）抗拔桩数量的确定是桩筏基础设计的第一要素。本工程初步设计阶段采用布桩方案1，总桩数为850根，施工图设计阶段采用以布桩方案3为主的布桩方案，总桩数下降为787根，节约了7.5%的工程桩。原因是本工程轴网尺寸多达14种，布桩方案1在柱下形成一个个“孤岛”，各自为战，未能充分发挥基桩承载力；而布桩方案3布桩灵活性强，可较充分地发挥基桩承载力。施工图桩位平面布置图（局部）见图5。

图5 桩位平面（局部）示意图（单位：mm）Fig.5 Pile-laying schemes（Unit：mm）

（2）当筏板在柱下抗冲切承载力不足时，可采用上柱墩或下柱墩形式局部加厚筏板。由于上柱墩经济性和施工便利性优于下柱墩，本工程柱下筏板局部加厚采用上柱墩形式［11］。当设置上柱墩仍不能满足抗冲切承载力需求时，可设置下柱墩或采用柱下筏板配筋方式加强。参考无梁楼盖托板设计，将上柱墩视为框架柱的托板，托板边长取跨度的1∕5，通过加大上柱墩的边长，可以减小筏板的配筋量。

（3）筏板配筋设计。筏板配筋设计应取不同设计工况的最不利弯矩进行包络设计，并满足最小配筋率的构造要求。

5 结 语

（1）单桩抗拔承载力特征值应取群桩基础呈非整体破坏时和群桩基础呈整体破坏时的较小值。

（2）现行设计规范未给出集中拉力作用下的板抗冲切承载力公式，为安全起见，可采用集中压力作用下的板抗冲切承载力公式。

（3）筏板在柱下抗冲切承载力不足时，柱下筏板局部加厚宜优先采用上柱墩形式。当设置上柱墩仍不满足抗冲切承载力需求时，可设置下柱墩或采用柱下筏板配筋方式加强。

（4）布桩方案2、3，柱下基桩与板中基桩的受力不均匀，不均匀性与筏板厚度成正比，筏板厚度不能过薄。

（5）布桩方案应优先采用方案4；当柱网尺寸种类较多时，可采用方案3或方案3和方案4的混合布桩方案。方案2与方案3受力性能相近，布桩灵活性逊于方案3。方案1更适合抗压工况，抗拔工况不适宜。