建筑基础工程抗拔桩结构设计研究

宋绪传

摘 要：基础工程是建筑工程的关键工程，在建筑结构设计中起着很重要的作用。对在地下水位较浅的建筑和沿海建筑进行基础设计时，由于地下水文条件、地质勘探技术等条件的影响，抗拔桩设计值与地基实际承载能力相差较大，这很大程度影响了结构安全的可靠度，因此对地基基础的抗浮设计设计行探讨显得十分重要。

关键字：地下水位；抗拔桩；抗浮承载力；塑性变形；群桩效应

引言

随着地下工程数量的增加，地下结构基础康抗浮问题也日益受到国内外学者及工程设计人员的注意。受建造环境、工程水文地质条件、地质勘探技术水平、理论知识水平等条件的制约，目前抗拔桩的工程设计理论水平很难对工程实践进行指导，这在很大程度上制约着基础工程的发展。

1 抗拔桩承载机理分析

在对地下结构进行设计时，抗浮设计十分重要，有些建筑由于没有上部结构或上部结构自重较轻，无法抵抗地下水对基础的浮力时，地下结构就会发生破坏，导致基础局部或整体丧失承载能力。

1.1 抗拔桩的承载机理

1.1.1等截面抗拔桩

研究发现，在对等截面抗拔桩进行荷载-位移实验时，等截面抗拔桩在上拔荷载不大时，桩身的拉应力主要靠桩侧摩阻力、桩身自重及上部传来的竖向荷载平衡；随着荷载的增加，桩与桩侧土体发生位移，桩侧阻力进一步增大，当位移增大到一定数值，桩侧摩阻力增大到最大值，该值也即是桩的抗浮承载力临界值。随荷载进一步增大，桩身抗浮承载力逐渐减小，直至破坏。等截面抗拔桩破坏常见形式如图.1所示。其中，形式A（同桩长倒圆锥台形剪切破坏）不常见，软岩土质中的粗短灌注抗拔桩时常会发生这样的破坏；形式B（桩-土截面圆柱形剪切破坏）是比较常见的一种抗拔桩破坏形式；C（复合剪切破坏）主要出现在砂土地基中。

A B C

图.1抗拔桩剪切破坏形式

等截面抗拔桩的承载设计值计算可依据JGJ94-2008《建筑桩基技术规范》要求进行计算，规范规定：甲、乙级建筑桩基，基桩的抗拔承载力应根据现场抗拔承载力实验确定；对于丙级建筑桩基，群桩呈非整体破坏时，承载能力可按照式（1）计算；整体破坏时，基桩承载力抗拔极限值可按照式（2）计算

（1）

（2）

式中： -基桩抗拔承载力标准值

-抗拔系数

-桩身周长

-装侧表面土层抗压极限侧阻力标准值

-桩群外围周长

1.1.2扩底抗拔桩

扩底抗拔桩的受力原理跟等截面抗拔桩相似，扩底抗拔灌注桩主要适用于软土地基。扩底灌注桩的桩端较大，能较大程度提高桩的桩端摩阻力，从而改善桩的抗拔能力。扩底灌注抗拔桩的承载力计算 式可参考下式：

Pu =Ws +Wc +πdcL +πSr*d*γ（2L - H）Ku*tgφ

式中参数：Pu-扩底桩的极限抗拔承载力；

C-土的粘聚力；

L-扩体桩的上拔计算桩长；

Sr-圆柱侧面上被动土压力大小的形状系数，取值为1.2244；

d-扩底部分直径；

γ-临界深度内土的重度；

H-临界深度，取值范围为 1.5d～ 2. 5d；

Ku-竖直破坏面上土压力的标定上拔系数，可以从下式计算：

Ku =0.496（φ）0.18（2）

φ-土的内摩擦角；

Ws-圆柱体内滑动体土重；

Wc-桩有效自重

1.2影响抗拔桩的承载能力的因素

1.2.1水文地质条件

地下水位及其变幅是确定地基承载能力的最关键的一个数据，也是最容易出现失误的一个数据。在目前的基础设计中，地质勘探部门现场勘探时往往是根据当时的水位进行实测，然后给出最高稳定水位，而忽略丰水期水位等，给抗浮承载力的确定造成影响。在进行初步设计时，一定要先针对本工程的水位地质特点，讨论确定地下抗浮设防水位。

土层土质条件也是影响抗拔桩承载力设计值的一个重要因素，底下土层在沉积的过程中由于外界条件不一，沉积后的承载力也不一样，土壤内摩擦角也不相同，这就使得桩土之间的摩擦力也不相同，因此设计时应根据不同的土质条件确定抗拔承载力设计值。

1.2.2 桩土接触面积

从抗浮桩的受力分析知，桩土接触面积对抗浮桩的承载能力影响较大。在进行抗浮桩设计时，可根据当地土质条件，适当增加桩身长度、尺寸，以增加桩土接触面积，从而达到增大桩土摩阻力的效果，保证抗浮桩有足够的承载能力。

1.2.3群桩效应

群桩效应是指群桩在竖向荷载作用下，由于承台和土对桩群的影响导致的桩侧摩阻力和位移不同，桩群整体作用的位移不等于单桩位移之和的现象。群樁效应的影响大小可根据群桩效应系数来衡量，系数为1时，基本人为不存在群桩效应，系数不为1时，应考虑群桩效应对桩的抗拔承载力的影响。

在不同桩长的条件下，桩的抗拔承载力岁桩长的增加而增加，但桩长的差别对桩群的位移影响不大；桩数的增加会减小桩的竖向承载力，群桩效应系数也会随着桩数的增加而减小，相同荷载作用下，桩的位移也会增加，影响基础的安全；逐渐增大桩距会使桩群的承载力近似等于单桩抗拔承载力，群桩效应系数趋近于1。

2 抗拔桩配筋及裂缝控制

JGJ94-2008《建筑桩基技术规范》规定：桩基础设计时应验算桩基础在承载能力极限状态下的极限承载能力，在对抗拔桩基础进行配筋设计时，首先应明确抗拔桩基础的受力特点，抗拔桩基础在实际工作时，受水浮力、桩土摩擦力等，通常是出于受拉的状态，因此根据规范要求，可对桩基础进行等截面配筋和不等截面配筋。在桩身直径为300-2000mm时，正截面配筋率可在0.65～2%间进行取值，此时抗拔桩基础可按照轴心受拉构件进行考虑，保证配筋截面的抗力大于效应值。

JGJ94-2008《建筑桩基技术规范》规定：应验算桩基础在正常使用极限状态下的变形、耐久性，因此要对抗拔桩的裂缝进行必要的验算。通常针对裂缝的验算结果配筋往往大于抗拔桩基础的承载能力计算的配筋结果。同时，由于抗拔桩基础的设计要考虑抗拔桩工作环境的侵蚀，因此规范对抗拔桩基础的工作环境进行分类，并给出了对不同工作环境下的抗拔桩基础裂缝限值。如下表：

结语

基础工程是建筑工程项目最关键的部位之一，基础抗浮关系着整个建筑的安全问题，因此基础抗浮设计不容大意。但受经济技术水平的制约，很多时候结构工程师都是根据自己的工程经验进行结构计算，这对结构是不利的。本文针对抗拔桩基础的设计时的承载力计算、抗拔桩身配筋及裂缝控制进行了一些分析，并给出了一些建议。

参考文献

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