人工挖孔抗拨桩在多层地下室抗浮中的应用

李求昆

(福建华景建筑设计院有限公司　福建厦门　361004)



人工挖孔抗拨桩在多层地下室抗浮中的应用

李求昆

(福建华景建筑设计院有限公司福建厦门361004)

对厦门华尔顿1275(和昌中心)项目的多层地下室进行人工挖孔抗拨桩的设计分析，选取地下室典型柱网进行各类抗拨设计的分析与比较，详细计算了人工挖孔桩的抗拨承载力。结果表明：采用桩身直径d=1.1m，扩底直径D=2.4m，桩长l=10.5m的人工挖孔桩可以达到单桩抗拨承载力Tk=2 200kN，能满足地下室抗浮要求。分析进一步表明，应用人工挖孔抗拨桩相比锚杆等其它抗拨方案具有单桩抗拨力大、造价低、施工简便、工期短等优点，可以减少项目的施工工期并获得良好的经济效益。

多层地下室；人工挖孔桩；抗拨；裂缝控制

0　引言

人工挖孔桩技术是工程建设中的一种桩基础形式，通常情况作为抗压桩使用。福建闽南地区地下水位高，高层建筑中多层地下室的上浮力高于结构自重会导致上浮，但大部分工程的地下室均采用锚杆进行抗拨。根据现有工程实践，将人工挖孔抗拨桩应用于地下室的抗拨设计比较少。为此本文依据现行设计规范，结合工程实例阐述人工挖孔桩在地下室抗浮设计中的应用，并进行抗拨桩承载力计算和裂缝控制计算。

1　工程概述

1.1项目简介

华尔顿1275(和昌中心)位于福建省厦门市岛内东岸，毗邻国际会展中心，基地西高东低。上部6幢106～146m超高层住宅和3幢46m小高层住宅，满铺地下室，工程总建筑面积309 075m2。东区地下室为4层配套商业服务用房，建筑面积63 310.8m2；西区地下室为5层地下车库，建筑面积98 398.9m2。所在场地抗震设防烈度均为7度第二组，设计地震基本加速度为0.15g，水平地震影响系数最大值取0.145，场地类别Ⅱ类，50年一遇基本风压0.8kN/m2，地面粗糙度为A类。上部主楼均为钢筋混凝土剪力墙结构，基础采用(复合)桩基；纯地下室部分采用框架结构，基础采用梁式筏板，抗拨采用人工挖孔抗拨桩。总平面详图1。

图1　和昌中心总平面图

1.2工程地质概况

根据《和昌中心岩土工程勘察报告》(工程编号：20120918)所提供的土层数据，综合场地判别结果，本工程场地为不液化场地。土层分布由上到下分别为：素填土、粉质粘土、残积砂质粘性土、全风化花岗岩、强风化花岗岩、中风化花岗岩。其中残积砂质粘性土埋深适宜，揭露层厚2.0～25.0m，物理力学性质较好，作为纯地下室梁式筏板的天然地基持力层，也适合人工挖孔桩的施工。场地地下水位较高，该工程设计抗浮水位为室外道路以下1m。

2　地下室抗浮设计

纯地下室西区为5层、东区为4层，上部结构荷载均匀，柱网布置规则，典型柱距为8.4m×8.4m。根据勘察成果，综合经济、合理、实用等考虑，采用梁板式筏板基础，残积砂质粘性土为持力层，可以满足抗压、地基稳定性的要求。而抗拨采用柱下单桩的形式，抗拨桩主要是利用桩体自重和桩侧阻力起抗浮作用，其抗浮能力和桩型、桩径、桩长及周围地质条件有关，常用桩型为冲孔灌注桩、沉管灌注桩、人工挖孔桩和PHC管桩。

冲孔灌注桩虽然穿透能力强，但施工速度慢、工期长且造价高(1 200元/m3)，桩身长、成桩质量相对较难控制。沉管灌注桩虽然施工速度快，但同样存在造价高的缺点(1 500元/m3)。PHC管桩优点是施工速度快、较经济(230元/m)，但单桩抗拨承载力很低，桩数量多时桩机移动容易导致已施工的管桩倾斜、断桩。

而人工挖孔抗拨桩在闽南地区应用较少，但根据本工程的地质情况，采用人工挖孔抗拨桩具有施工可行、工期短、抗拨力高、造价低、可靠性强的特点。经计算得出本地下室典型单柱水浮力标准值Nw,k=7 000kN，典型单柱恒载及自重标准值Gk=5 500kN，则单桩的抗拨承载力Tk≥1.05×Nw,k-Gk=1 850kN(《建筑地基基础设计规范》GB50007-2011第5.4.3条)[1]。人工挖孔抗拨桩的单桩承载力特征值较大，本工程采用桩身直径d=1.1m，扩底直径D=2.4m，桩长l=10.5m的人工挖孔桩单桩抗拨承载力Tk=2 200kN(详见第5条的计算)，可满足抗拨要求，大部分均为单桩布置在柱下，局部布置平面详图2。

比较抗浮锚杆，通过详细计算得出土层锚杆锚固体直径d1=110mm，l=25m的单根锚杆抗拨承载力特征值Rt=220kN，仅为人工挖孔桩单桩抗拨承载力的十分之一。所以本工程选用人工挖孔灌注桩作为抗拨桩，很好地解决本工程地下室抗浮问题，且工期及造价优势特别明显。人工挖孔抗拨桩与抗浮锚杆的经济性比较详表1。

表1　经济性比较

3　单桩抗拨承载力计算

3.1基桩的抗拨承载力

图2　抗拨桩平面布置

当土层提供的抗拨力起控制作用时，抗拨单桩受上拨荷载时，通过桩身将荷载传递到桩侧士。同时桩身拉应力产生于桩顶，随着上拨荷载的增加，桩顶位移也会相应地增加，桩身拉应力逐步向下部扩展。当桩顶部位的桩与土相对位移达到一定值时，认为该界面的侧摩阻力已经全部发挥，此时桩顶抗拨总阻力将逐步下降，直至破坏，其破坏机理接近于纯摩擦桩[2]。

根据《建筑桩基技术规范》第5.4.5条，呈非整体破坏时基桩的抗拨承载力：Tuk/2+Gp，其中Tuk为呈非整体破坏时基桩的抗拨极限承载力标准值，Gp为桩、土柱体自重[3]。

根据《建筑桩基技术规范》第5.4.6条，呈非整体破坏时基桩的抗拨极限承载力标准值：Tuk=Σλiqsikuili，其中ui桩身周长，扩底桩u=πD(li≤(4～10d))；qsik为桩侧表面第i层土的抗压极限侧阻力标准值；λi为抗拨系数[2]。

桩身直径d=1.1m，扩底直径D=2.4m，桩长l=10.5m，桩端截面面积Ap=π×2.42/4=4.524m2，桩、土柱体自重Gp=10×4.524×10.5=475.0kN，扩底桩桩身周长u=π×2.4=7.540m；抗拨极限承载力标准值Tuk=0.75×60×7.540×10.5=3562.7kN。

基桩的抗拨承载力Tuk/2+Gp=3 562.7/2+475.0=2 256kN。

取ZJ-A抗拨承载力2 200kN。

3.2抗拨桩的裂缝控制计算

当土层提供的抗拨力不起控制作用，由桩身强度起控制作用时，随着桩身拉应力的不断增加，桩身混凝土应变不断加大，桩身将逐步出现裂缝直至裂缝“出齐”，即裂缝的分布处于相对稳定状态。当桩身最大裂缝宽度达到规范限值，则认为达到该桩抗拨承载力极限。在裂缝处，混凝土应力为零，拉应力均有钢筋承担；在裂缝间距中部，拉应力有钢筋和混凝土共同承担，但混凝土拉应力小于其抗拉强度ftk[3]。

根据《建筑桩基技术规范》第3.5.3条，二a类环境中，位于稳定地下水位以下的基桩，其最大裂缝宽度限值0.3mm[3]。

根据《混凝土结构设计规范》第7.1.2条及其条文说明：平均裂缝间距lcr=β(1.9c+0.08d/ρte)，其中对轴心受拉构件β=1.1，d为钢筋直径，ρte为有效受拉混凝土截面面积计算的纵向受拉钢筋配筋率；此时桩身混凝土应变εc=wm/lcr，其中wm为平均裂缝宽度[5]。

桩身混凝土强度等级C35，纵筋23Φ25(HRB400)，As=11 291mm2；桩身截面积Aps=π×1.12/4=0.9503m2，ρte=11 291/(0.9503×106)=0.01188，平均裂缝间距lcr=1.1×(1.9×50+0.08×25/0.01188)=290mm，取lcr=300mm，此时桩身混凝土线应变εc=0.3/300=1.0×10-3；

以εc=1.0×10-3控制(裂缝处)：

F拉=σsAs=2.0×105×1.0×10-3×11 291×10-3=2 258kN。

以ftk控制(裂缝间距中部)：

F拉=ftkAc+σsAs=2 200×0.9503+2.0×105×[2.20/(3.15×104)]×11 291×10-3=2 248kN。

3.3抗拨桩的桩身轴心受拉承载力

N=fyAs=360×11 291=4 032kN,

计算满足要求(最终以抗拨试验为准)。

4　抗拨桩设计的问题与处理

抗拨桩设计比一般承压桩设计考虑的问题较多，设计中应注意以下问题：

(1)在抗拨力荷载计算中，抗浮水位的合理选择对整个工程造价影响较大，抗浮水位的取值应依据建筑物的使用年限结合地勘报告进行取值。

(2)在进行单桩抗拨力计算时，应依据结构跨度进行初步试算，来确定抗拨桩的大致数量及初步的单桩抗拨承载力。

(3)桩体的配筋是依据抗拨桩桩顶拉力设计值进行抗拉配筋的，依据桩体受力分布原理，可采用不均匀配筋法，即抗拨桩下段由于其拉力相对较小，可适当降低配筋量，从而降低造价。

(4)整体稳定性验算中，应对群桩效应问题进行验算，以确保群桩整体抗浮力大于总浮力。

(5)桩的裂缝计算应考虑该地区地下水常年变化幅度和桩的埋置深度，一般浅层含水层地下水位变化幅度较大，因此抗拨桩在工作期间所受的拨力随地下水位的波动变化较大。在长期的水位波动作用下，桩体容易产生裂缝，从而引起钢筋的锈蚀，造成抗拨钢筋拉力不足，在建筑物使用年限内失效，此类桩的裂缝应按照《混凝土结构设计规范》(GB50010-2011)中所要求的0.2控制；但是桩体常年在地下水中，此类桩的裂缝可按照《建筑桩基设计规范》(JGJ94-2008)中所要求的0.3控制，进行正常使用极限状态的验算。

(6)抗拨桩桩身强度的计算往往是设计时比较容易遗漏的计算内容。在正常使用极限状态下，为避免钢筋锈蚀而影响其耐久性，基桩上拨荷载不得大于按裂缝控制时桩身所能承受的荷载，但在承载力极限状态下，基桩上拨荷载不得大于桩身强度和地基土所能提供的基桩抗拨极限承载力。

5　抗拨桩施工与承载力检测

本工程抗拨桩总桩数531根，其中东区地下室336根，西区地下室195根。施工时应采取必要的安全措施以保证施工人员的安全。施工单位应提出开挖顺序、施工组织方案后方可施工，开孔前应复核桩位定位放样的准确性。成孔挖土与护壁灌注需交替进行，应保证护壁混凝土的密实性。当成孔至设计标高，清孔经自检，并由监理人员验孔合格后，即放入钢筋笼。施工时要严格确保钢筋笼的垂直度并按要求设置垫片，以保证设计要求的保护层厚度。浇灌桩身混凝土前，孔底不应有积水和残渣，且应清理好护壁上的淤泥。浇灌混凝土必须使用串筒，应使混凝土的自由下落高度控制在2m以内，灌注时应采用插入式振动器分层振实，分层高度约1m。

对桩采用声波透射法检测桩身完整性，检测结果显示桩身完整性符合规范要求。抽取1%且不少于3根测定桩的抗拨承载力，根据《建筑基桩检测技术规范》(JGJ106-2014)第5.4.4条，从U-δ及δ-Lgt可看出该试桩在最大荷载作用下未达到极限承载状态，故该桩的单桩竖向抗拨极限承载力取最大试验荷载值4 400kN(图3)，达到设计要求，结合现场变形观察未发现上移现象。

U-δ曲线

δ-Lgt曲线图3　抗拨桩试验曲线

6　结论

(1)通过工程实例分析了地下室应用人工挖孔抗拨桩与其它抗拨方案的区别，分析得知地下室抗浮采用人工挖孔抗拨桩具有安全、经济、工期短等优点。

(2)桩身应分别按承载力极限状态和正常使用极限状态进行设计，对于桩体常年在地下水中，不受地下水位波动的影响，此类桩的裂缝应按照《建筑桩基设计规范》(JGJ94-2008)中所要求的0.3控制，既可满足桩身耐久性要求，又可大幅度节省造价。

[1]GB5007-2011 建筑地基基础设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2011．

[2]田微.建筑物抗拔桩力学计算的实例分析[J].山西建筑，2014，40(6):96-97.

[3]JGJ94-2008 建筑桩基技术规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2008．

[4]杨京华.浅议抗拨桩配筋设计及裂缝控制[J].基础工程设计，2012,02-0105-03.

[5]GB50010-2010 混凝土结构设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2010．

The application of manual hole digging uplift pile in multistory basement anti-floating design

LI Qiukun

(Fujian Huajing Building Design Institute Co.LTD,Xiamen 361004)

To design and analyze the manual hole digging piles of multistory basement in the project Walton1275 (Hechang center) in Xiamen，uplift bearing capacity is calculated after the comparison of various pull-out designs in typical column grid.The result shows that the uplift bearing capacity of single pile reaches 2200kN and meets the anti-floating requirements when pile diameter d=1.1m，belled diameter D=2.4 and pile length l=10.5m.It further suggests that manual hole digging pile is superior to anchor or other anti-pulling projects for greater resistance capacity，lower cost，and simpler construction.It reduces construction time and maximizes the economic benefit，as well as provides references to the anti-floating design of similar multistory basements.

Multistory basement；Manual hole digging pile；Anti-pulling；Crack controlling

李求昆(1979.12-)，男，工程师。

E-mail:30931954@qq.com

2016-03-15

TU4

A

1004-6135(2016)05-0064-04