抗浮桩刚度对抗浮工程的影响初探

洪 健

(悉地(苏州)勘察设计顾问有限公司,江苏 苏州 215000)

1 概述

水浮力是地下结构常见的工况,地下结构抗浮分析和设计也是地基基础工程的重要组成部分[1]。结构的抗浮措施包括降低地下水位,增加结构自重及压重,采用抗浮桩、抗浮锚杆等等。抗浮桩是比较常用的抗浮措施。

在抗浮结构体系中,桩及地基土、基础底板与上部结构三者之间形成的相互影响的关系,彼此作为对方的支座或荷载。例如基础底板,在重力作用下它是上部柱墙的支座,再把力传递给桩基及地基土;在水浮力及地基反力作用下,它又以柱墙作为支座,将水压力、地基反力及桩反力形成的荷载向上传递。随着角色的变化,底板的计算假定也各不相同,而桩基、桩间土的刚度将影响底板荷载分配和内力计算。此时,桩刚度作为一个重要参数,将影响抗浮体系的内力分布,进而影响抗浮体系的功能发挥。

对于抗浮桩的刚度取值,现有技术标准没有明确的算法。JGJ 94—2008建筑桩基技术规范附录C提供了以下公式(1)[2],用于计算发生单位竖向位移时桩顶轴力可作为受压桩的竖向刚度,这也被结构分析设计软件PKPM采用。其中ζN,C0等参数取值受桩类型及地基土质的影响,存在一定的取值波动。

(1)

结构分析设计软件盈建科考虑土桩抗拉、抗压刚度不同的非线性迭代计算方法进行分析和设计,当选择根据地质资料自动计算桩刚度时,软件采用“荷载除以位移”的方法用沉降试算法给出桩刚度(见式(2))。

Kp=Q/S

(2)

软件对于桩抗拔刚度按缺省抗拔承载力(kN/0.01 m)得到,即假定桩顶位移达到0.01 m后即抗拔失效。将抗拔刚度和抗拔承载力直接挂钩,便于操作,也有一定的道理,但影响抗浮桩刚度的因素包括地基土质、桩径、桩长等多种因素,简单用承载力表示不够全面。

总之,通过目前既有的计算方法很难得到特别准确的抗浮桩刚度数值。另外,相对于计算值,桩实际抗拔刚度可能存在一定的偏差幅度。目前工程实践中也没有明确要求对桩刚度进行检测,所以也影响到桩抗拔刚度的经验积累。参数取值的不准确势必会影响计算结果的偏差,这种偏差可能使设计结果更保守,也可能使设计结果更不安全。本文拟探求抗浮桩刚度的不同取值对抗浮分析结果的影响。

2 工程案例分析

某办公楼,地上4层框架结构,地下1层,地下室标高约-7.0 m。地基土质较好,满足抗压要求。结构整体抗浮不稳定,因此本项目采用筏板加抗浮桩,桩长10 m。

结构抗浮稳定包括整体稳定和局部稳定。整体稳定就是指作为整体,结构提供的抗浮力之和大于浮力之和,整体抗浮失稳的宏观表现即为结构整体上浮并伴随构件破坏等次生破坏。本工程由上部结构自重及压重产生的整体抗浮稳定系数为0.86,不满足抗浮要求。因此采用抗浮桩提供额外的抗浮力。经计算,增加抗浮桩后本工程整体稳定系数为1.18,满足抗浮要求。

整体稳定并不等于局部稳定。局部稳定即为在局部范围内(一块人为划分的隔离体)抗浮力大于浮力之和。局部范围隔离体可以是某范围的梁柱结构(如塔楼之间的纯地库),可以是某根柱及其相关的梁形成的网格,也可以是一块底板。随着局部隔离体划分的差别,局部抗浮失稳可以分为三种情形:1)隔离体结构整体抗浮力小于浮力,依靠隔离体以外的结构(如塔楼下的地库结构)提供外部抗浮力才不致整体上浮。此时,隔离体内结构传力路径发生反转,由自上至下变为自下至上。基底净反力(浮力扣除底板自重)作为荷载,其传力途径变成底板→墙柱→顶板梁→相邻塔楼,与原设计假定完全相反。纯地库部分变成类似空腹桁架体系,顶板梁可能出现较大的拉应力,此情形必须极力避免。本工程无明显结构体系分区,因此不存在这种情形。2)将框架柱及其导荷区域作为隔离体。柱荷载包括向上的浮力导荷和向下的抗浮力导荷,抗浮力大于浮力则柱产生向上托举的趋势。此时若相邻柱尚有抗浮稳定的安全余量,则两柱之间的梁板将负责传递两者的浮力差。这种情形可能造成梁板的额外内力,但如果梁板足够强,也可以维持抗浮稳定。这种情形与结构设计思路也不一致,也应该避免。本工程柱网不太均匀,存在局部纯地库柱,上部荷载抗浮力导荷以及下部水浮力导荷不太均匀,抗浮桩承受的反力需要通过计算确定。3)将柱网内的底板作为隔离体。地库底板的抗浮力是板体及面层自重往往会小于水浮力。由此产生向上的净荷载和板内力。虽然此种情形也可称为抗浮不稳定,但是可通过配筋和调整板厚来承担净浮力产生的内力,而不必考虑上部主体结构受到的浮力造成的内力重分布,对结构设计和工程造价来讲是可以接受的。这也是结构抗浮设计的常规做法。本工程对结构部分部位(如底板)采取加强措施。

2.1 柱下桩刚度调整

本文将柱下均布置抗浮桩,不计桩抗压承载力及抗压刚度,以分析各点的拔力。根据《建筑桩基技术规范》推荐公式计算桩抗拔刚度约为100 000 kN/m[3]。鉴于桩刚度参数取值的偏差以及实际刚度与计算刚度之间的偏差,本论文在计算值的基础上作一定的调整,分别按照100 000 kN/m(刚度一)、60 000 kN/m(刚度二)、150 000 kN/m(刚度三)分别建模分析(见表1)。本文采用盈建科结构设计软件进行抗浮分析[4]。

表1 桩抗拔刚度三种取值

本论文选取较有代表性的桩位作分析对比(见图1),桩位点包括反力较大的柱下桩和反力较小的柱下桩。典型柱下桩反力计算结果如表2所示。

表2 柱下桩拔力 kN

根据计算结果桩基结果大致呈以下规律:

1)桩反力随水浮力计算面积的增大而增大,随上部荷载的增大而减小。软件模型计算结果与计算概念假定相符。

2)随着桩刚度取值的增大,桩拔力在不同柱下(即不同桩间)发生重分布。桩刚度取值越大,桩拔力分化则更明显,即拔力大的桩拔力越来越大,拔力小的桩拔力越来越小。

3)受力较小的桩之间拔力的变化不会影响极限状态,可不必过多关注。而相对于基准桩刚度一,桩刚度三模型的部分桩拔力上浮超过10%,这不应被忽略。

以上结果表明,若计算桩刚度与实际不符,按计算结果设计的桩将存在抗拔破坏的风险。而桩抗拔破坏后失效将会影响相邻桩的拔力和受力状态,造成连锁多米诺骨牌效应。同时桩拔力将造成的桩上浮以及桩身开裂,最终导致桩身耐久性变差,桩钢筋腐蚀,以及桩身完全失效。这种破坏并非快速而明显的过程,它可能在起初毫无征兆,当达到一定年限,强度或耐久性衰减到一定的程度,或遭遇突发高水位时,桩则会出现突发的破坏。

2.2 柱间底板下桩刚度调整

抗浮桩一般布置在墙柱等承重竖向构件下方。但是当柱间跨度较大时,柱间底板在水浮力下将会出现较大的内力。此时若在板跨中布设一定的抗浮桩,则相当于在板跨中设置中间支座,减小板跨从而显著降低板内力。从另一个角度,也可将桩拔力作为板跨中的反向荷载,与水浮力相抵消,从而减少底板的内力和变形。两种假定不同但结果相同。桩反力的大小取决于桩身上拔的变形,即桩所在位置底板的竖向变形。这与板的竖向刚度有关,也与桩的抗拔刚度有关。因此,本论文在模型中另外增加了一些板下抗浮桩。这种桩支座同样不是刚性支座,同样受诸多因素的影响,需要提供一个计算桩刚度作为抗浮分析的参数。本文仍按照表1中参数分析。本论文选取较有代表性的桩位作分析对比,桩位包括反力较大的柱下桩、反力较小的柱下桩、板下桩及其相邻的柱下桩。计算结果见表3。

表3 桩拔力 kN

计算结果呈以下规律:

1)板下桩反力与所处筏板区域的水浮力基本一致,其周边的柱下桩反力相应减小。

2)板下桩受力条件更不利,由于没有上部结构柱提供抗浮力,桩反力更大。

3)桩刚度取值越大,桩受力不均匀程度就越明显。

与柱下桩相比,板下桩受桩刚度影响更大,若其受力波动较大,则将可能造成板下抗浮桩先于其他桩破坏,相应地浮力将在板间桩和柱下桩之间重新分布,柱下桩反力的增大甚至破坏,将会影响上部结构的稳定。因此,本论文建议,底板下的抗浮桩宜仅用于板内力及配筋计算,不参与结构整体抗浮计算,即验算柱墙下抗浮桩时,模型中不布置板内抗浮桩。这样可以保证在极端状态下,即使板下桩失效,板出现局部破坏,结构整体抗浮也满足要求。

2.3 对底板内力的影响

由于桩、土、底板及上部结构共同参与工作。底板作为隔离体,既以桩和上部结构作为支座,承担着水浮力提供的向上荷载,又通过其自身刚度协调上部结构及桩土变形的作用,参与整体受力,从而实现桩间拔力的分配平衡。桩刚度的变化势必会造成支承条件的变化,从而影响底板内力及变形。计算程序根据板下桩和柱墙下桩的刚度及其受荷范围分配拔力。这是基于弹性地基板以及理想的桩刚度假定条件下的理论值,这种算法在模型建构以及方程求解方面很精确。但是这种算法与桩刚度计算方法的不准确性以及桩实际刚度的离散性不吻合,也就无法得到与实际情况相吻合的内力及变形结果。

本论文选取较有代表性的板位作分析对比,包括板跨中、板支座、板下桩位(见图2),各板位内力包络计算结果见表4。

表4 底板弯矩 (kN·m)/m

计算结果大致呈以下规律:

1)底板呈现整体弯曲的特征,负弯矩(板顶)较大,正弯矩(板底)较小,与倒楼盖模型有区别。

2)随着桩刚度的增大,底板的正向弯矩(板顶弯矩)减小,底板的负向弯矩(板底弯矩)增大。即底板的内力幅度加大。这体现出桩支座刚度效应,支座刚度越大,板受力越接近倒楼盖假定。

3)板下桩影响板的内力及配筋,对板起到有效的支承作用。图3及图4为X向板顶计算配筋量云图,由于板配筋和内里直接相关,这也直观地体现出弯矩的实际分布情况。

板内力的最直接影响就是板配筋量,板配筋量直接关系到板的安全性和耐久性。而在目前造价控制严格的大环境下,配筋主要甚至完全依靠计算结果。因此,出于安全考虑,本论文建议将计算所得抗拔刚度向上及向下各调整一定的幅度,形成三个模型,对板配筋作包络设计。

3 结论和建议

综上所述,结构设计分析软件的计算结果能从概念上模拟桩反力及基础底板的内力,是一种可行的分析及设计手段。当桩采用不同的刚度取值时,计算结果将会出现波动,有些波动将会使计算结果的安全性降低,甚至低于规范要求。需要强调的是,桩刚度取值对计算结果的影响不是单向的,随着桩刚度取值的加大,桩反力以及底板内力配筋结果,有些位置计算值相应增大,有些位置计算结果相应减小,甚至有安全隐患。并非桩刚度取值越大(或越小)计算结果就越偏于安全。而日常设计分析中往往采用单一桩刚度的计算结果,这无疑将会造成局部计算结果的失真。

目前结构设计基于有限元结构分析软件的分析计算结果。在追求工程经济性的市场环境下,常常将满足计算结果要求作为控制设计的主要准则甚至唯一准则。这种设计成果将很难应对工程中的不确定工况。若计算分析结果不够准确,将极有可能导致设计不满足结构实际受力要求,轻则出现地库底板开裂渗水,重则抗浮桩失效破坏,主体结构梁柱破损,甚至结构整体失稳上浮。施工过程中出于质量控制及追求安全的考虑,对某单个方面因素(如桩刚度)的加强,也有可能对相邻桩或底板产生不利影响。因此,实际工程中,根据多种可能情况,对桩刚度采用多种取值,并根据各种计算结果进行包络处理是有必要的。

用于降低底板跨度的板下抗浮桩,上部结构几乎不提供刚度支承,桩刚度影响造成的反力波动更大,更容易出现计算结果的偏差。建议底板下的抗浮桩仅用于板内力及配筋计算,不参与结构整体抗浮计算,以避免板下桩不确定因素造成的整体抗浮风险。

地基基础以及相关的上部结构形成相互影响的体系,其中的刚度取值、内力分布、变形协调等存在互为因果的联系。目前对于这些联系,各理论之间还没有实现完全一致。本论文建议多种计算理论以及分析软件之间相互对照,同一软件下取多种刚度参数作包络设计。

目前对于桩抗拔刚度还没有特别成熟的计算方法,《建筑桩基技术规范》的公式仅可作为参考,不同参数取值对桩刚度计算结果影响很大。计算软件对于桩抗拔刚度也没有太明确的计算方法。基桩检测也没有明确要求对桩刚度进行检测,因此桩抗拔刚度也没有太多的经验积累。以上现状影响了抗浮设计的精确计算。而桩的刚度值对抗浮计算精确性有很大影响,建议相关部门及科研单位尽早提出桩刚度的计算及检验方法。

实际受力状态与分析结果不符造成的最严重问题就是桩拔力过大导致抗拔失效。影响拔力分析结果的另一个因素即抗浮水位的取值也至关重要。场地高低起伏可能造成不同位置的地下水位有所差别,突发性强降水可能造成地下水位急剧升高,甚至出现水盆效应。在高低起伏的场地,地面高差以及抗浮水位出现几十厘米的波动并不少见,这种波动对于大柱网地下室的抗浮桩来讲也是十分可观的,应予以足够的重视。应结合工程经验及现场实际情况,充分考虑施工及使用期间抗浮水位提高的可能性。