管桩的设计计算

梁 兴 泉

(山西省建筑设计研究院，山西 太原 030013)

管桩的设计计算

梁 兴 泉

(山西省建筑设计研究院，山西 太原 030013)

结合某工程的实际情况与水文地质条件，分析了该工程高强预应力混凝土管桩的设计要求，并从建立整体计算模型、荷载组合工况选取、规范中各项参数指标的正确选用等方面，介绍了PHC桩的设计计算方法，确保了工程桩基的安全稳定性。

管桩，承载力，抗震等级，荷载

1 工程简介

本工程为山西科技创新城建设管理局山西科技创新城核心区第一中学(初中校区)——图文综合楼,建筑位于科技创新城核心区Ⅰ-9地块内，项目用地西侧为西温庄西路，北侧为居住区，东侧为第一中学(高中校区)，南侧为化章街，图文综合楼部分为地上4层、地下1层。 教师办公楼为地上2层。图文综合楼总高度为16.450 m，教师办公楼总高度为8.450 m，室内外高差为0.45 m。主体采用现浇钢筋混凝土框架结构,结构采用BRB减震设计。基础形式采用柱下高强预应力管桩承台基础加防水板。

2 设计条件

图文综合楼有地下室，教师办公楼无地下室。桩采用高强预应力混凝土管桩，桩径400。查预应力混凝土管桩图集(10G409)。确定图文综合楼桩顶标高为772.000，桩长30 m，选用PHC 400 AB(95-30)。桩进入持力层深度hb=3.82 m。教师办公楼桩顶标高为775.000，桩长22 m,选用PHC 400 AB(95-22)。桩进入持力层深度hb=2.7 m。

管桩应考虑桩端土塞效应的有利影响。

hb/d1≥5,λp=0.8,λpAp1=0.8×0.035=0.028。

由岩土工程勘察报告可查得场地内各土层的桩侧阻力和桩端阻力极限值如表1所示。

表1 各土层的桩侧阻力和桩端阻力 kPa

当承台底面上下非液化土层厚度分别不小于1.5 m,1.0 m时，在现有条件下，各土层液化影响折减系数为：第③层为1/3，第④层为1/3，第⑥层为2/3，第⑦层为2/3，第⑧层为2/3；当承台底面上下非液化土层厚度分别小于以上规定时,土层液化影响折减系数为0。

管桩应按JGJ 94—2008建筑桩基技术规范第8.3.8条：敞口预应力混凝土空心桩单桩竖向极限承载力标准值的计算公式(5.3.8-1)确定。

Quk=Qsk+Qpk=u∑qsikli+qpk(Aj+λpAp1)。

3 抗震等级和抗震设防类别的确定

根据建筑抗震设计规范附录A.0.4太原市抗震设防烈度为8度，设计基本地震加速度0.2g,设计地震分组为第二组。

由实际情况可知：房屋总高度小于24m，结构为框架结构。查建筑抗震设计规范表6.1.2可得出本工程抗震等级为二级。

根据GB50223—2008建筑工程抗震设防分类标准第6.0.8条的规定：图文综合楼属于教育建筑中的中学教学用房。抗震设防类别应不低于重点设防类。教师办公属于标准设防类。

第3.0.3条规定：标准设防类，应按本地区抗震设防烈度确定其抗震措施和地震作用，而重点设防类，应按高于本地区抗震设防烈度1度的要求加强其抗震措施，同时应按本地区抗震设防烈度确定其地震作用。

因此图文综合楼抗震设防烈度按9度加强抗震措施，按8度考虑地震作用；教师办公楼抗震设防烈度按8度确定抗震措施和地震作用。查建筑抗震设计规范表6.1.2，最终可知抗震等级：图文综合楼为一级，教师办公楼为二级。

4 桩承载力验算

4.1 图文综合楼

±0.000绝对高程：777.500，地下室4.2m，100厚做法，1.2m高承台。

桩顶绝对高程：777.500-4.2-0.1-1.2=772.000,桩长L=30 m。

桩底绝对高程：772.000-30=742.000。

1)按非抗震验算考虑,承载力不乘以1.25，液化不折减。取最不利ZK63号孔考虑,根据岩土工程勘察报告可算得：

Quk=Qsk+Qpk=u∑qsikli+qpk(Aj+λpAp1)=

1.256×(36×1.28+32×3.7+52×1.5+56×2.8+47×

2.5+54×1.4+72×3.0+66×2.8+68×5.4+72×1.8+68×

3.82)+2 800×(0.09+0.028)=1.256×1 749.74+

2 800×0.118=2 197.67+330.4=2 528.07kN。

根据《建筑桩基技术规范》第5.2.2条：

Ra=Ru/K=2 528.07/2=1 264 kN。

单桩抗压承载力特征值可提到1 200 kN。

2)由GB 50011—2010建筑抗震设计规范第4.4.3条：按抗震验算考虑分两种情况取其不利。

第一种情况：地震影响系数最大值按正常取，即0.16承载力要乘以1.25,进行液化折减。由于非液化土层不满足《抗规》4.4.3-2的要求，液化折减系数全部取零，即液化土层不提供承载力。

Quk=Qsk+Qpk=u∑qsikli+qpk(Aj+λpAp1)=

1.256×(52×1.5+66×2.8+68×5.4+72×1.8+68×

3.82)+2 800×(0.09+0.028)=1.256×1 019.36+2 800×

0.118=1 280.31+330.4=1 610.71kN。

Ra=Ru/K=1 610.71/2=805 kN。

805×1.25=1 006 kN。

第二种情况：地震影响系数最大值按10%考虑，即0.16×10%=0.016。承载力要乘以1.25，且应扣除液化土层的全部摩阻力及桩承台下2 m深度范围内非液化土的桩周摩阻力。由于桩承台下2 m深度范围内全部为液化土，桩周摩阻力不计。因此计算结果与第一种情况相同。

3)试桩计算:试桩时不考虑液化折减，并考虑桩顶以上还留有一部分空桩提供的侧阻。30 m桩长桩顶标高以上留4 m的空桩，空桩顶为772+4=776。

Quk=Qsk+Qpk=u∑qsikli+qpk(Aj+λpAp1)=

1.256×(50×3.08+36×2.2+32×3.7+52×1.5+56×

2.8+47×2.5+54×1.4+72×3.0+66×2.8+68×5.4+72×

1.8+68×3.82)+2 800×(0.09+0.028) =1.256×

1 936.86+2 800×0.118=2 432.7+330.4=2 763.1kN。

考虑4m的空桩影响情况下，试桩极限值可提到2 700kN。

4.2 教师办公楼

±0.000绝对高程：777.500，室内外高差0.6m，冻土深度0.8m，300的空间，0.8m高承台。

桩顶绝对高程：777.500-0.6-0.8-0.3-0.8=775.000。

桩长L=22 m。

桩底绝对高程：775.000-22=753.000。

1)按非抗震验算考虑。承载力不乘以1.25,取最不利ZK46号孔：液化不折减。

②层土：775.00-773.40=1.6 m；③层土：773.40-771.60=1.8 m；④层土：771.60-766.80=4.8 m；⑤层土：766.80-764.50=2.3 m；⑥层土：764.50-762.60=1.9 m；⑦层土：762.60-758.90-1.0=2.7 m；⑦1层土：761.80-760.80=1.0 m；⑧层土：758.90-755.70=3.2 m；⑨层土：755.70-753.00=2.7 m。

Quk=Qsk+Qpk=u∑qsikli+qpk(Aj+λpAp1)=

1.256×(50×1.6+36×1.8×1+32×4.8×1+52×

2.3+56×1.9×1+47×2.7×1+54×1.0+72×3.2×

1+66×2.7)+2 700×(0.09+0.028)=1.256×1 113.9+

2 700×0.118=1 399.05+318.6=1 717.65kN。

Ra=Ru/2=1 717.65/2=858 kN。

单桩抗压承载力特征值可提到800 kN。

2)按抗震验算考虑分两种情况取其不利。

第一种情况：地震影响系数最大值按正常取，即0.16。承载力要乘以1.25,进行液化折减。由于非液化土层满足《抗规》4.4.3-2的要求，各液化土层分别取各自相应的液化折减系数,进行液化折减。

Quk=Qsk+Qpk=u∑qsikli+qpk(Aj+λpAp1)=

1.256×(50×1.6+36×1.8×1/3+32×4.8×1/3+52×2.3+

56×1.9×2/3+47×2.7×2/3+54×1.0+72×3.2×2/3+

66×2.7)+2 700×(0.09+0.028)=1.256×813.73+

2 700×0.118=1 022.04+318.6=1 340.64kN。

Ra=Ru/2=1 340.64/2=670 kN。

670×1.25=837 kN。

第二种情况：地震影响系数最大值按10%考虑，即0.16×10%=0.016。

承载力要乘以1.25，且应扣除液化土层的全部摩阻力及桩承台下2 m深度范围内非液化土的桩周摩阻力。

②层土：775.00-773.40=1.6 m(不考虑桩周摩阻力)。

Quk=Qsk+Qpk=u∑qsikli+qpk(Aj+λpAp1)=

1.256×(0+36×1.8×0+32×4.8×0+52×2.3+56×1.9×

0+47×2.7×0+54×1.0+72×3.2×0+66×2.7)+2 700×

(0.09+0.028)=1.256×351.8+2 700×0.118=

441.86+318.6=760.46kN。

Ra=Ru/2=760.46/2=380 kN。

380×1.25=475 kN。

3)22 m试桩计算。20 m桩长桩顶标高以上留1 m的空桩，空桩顶为775+1=776。

②层土：776.00-773.40=2.6 m；③层土：773.40-771.60=1.8 m；④层土：771.60-766.80=4.8 m；⑤层土：766.80-764.50=2.3 m；⑥层土：764.50-762.60=1.9 m；⑦层土：762.60-758.90-1.0=2.7 m；⑦1层土：761.80-760.80=1.0 m；⑧层土：758.90-755.70=3.2 m；⑨层土：755.70-753.00=2.7 m。

Quk=Qsk+Qpk=u∑qsikli+qpk(Aj+λpAp1)=

1.256×(50×2.6+36×1.8×1+32×4.8×1+52×2.3+56×

1.9×1+47×2.7×1+54×1.0+72×3.2×1+66×2.7)+

2 700×(0.09+0.028)=1.256×1 163.9+2 700×

0.118=1 461.86+318.6=1 780.46kN。

考虑1m的空桩影响情况下，试桩极限值可提到1 700kN。

5 荷载组合工况的选取

1)根据建筑地基基础设计规范3.0.5-1条：按单桩承载力确定桩数时，传至承台底面上的作用效应应按正常使用极限状态下作用的标准组合。标准组合应考虑常规和地震作用两种情况，由此分别算出的两种桩数的结果取其最大值作为最终的设计桩数：

常规情况下荷载组合考虑：1∶1恒+活，一种标准组合。地震作用下应考虑：1(恒+0.5活)+1地X+0.38竖地,1(恒+0.5活)-1地X+0.38竖地,1(恒+0.5活)+1地Y+0.38竖地,1(恒+0.5活)-1地Y+0.38竖地,四种标准组合。

2)根据建筑地基基础设计规范3.0.5-4条：确定承台内力和配筋时，上部结构传来的作用效应和相应的基底反力应按承载能力极限状态下作用的基本组合，采用相应的分项系数。基本组合设计值也应考虑常规(可有风荷载参与)的计算和承台截面抗震验算两种情况，并取其包络值作为最终的设计依据：

常规情况下荷载组合考虑：1.35恒+0.7×1.4活；1.2恒+1.4活,两种基本组合；常规和风作用的组合情况下应考虑：1.2恒+1.4活+0.6×1.4风X；1.2恒+1.4活-0.6×1.4风X；1.2恒+1.4活+0.6×1.4风Y；1.2恒+1.4活-0.6×1.4风Y,四种基本组合(活载为第一可变荷载)。

承台截面抗震验算时应考虑：1.2(恒+0.5活)+1.3地X+0.5竖地；1.2(恒+0.5活)-1.3地X+0.5竖地；1.2(恒+0.5活)+1.3地Y+0.5竖地；1.2(恒+0.5活)-1.3地Y+0.5竖地,四种基本组合。抗震验算时，组合的效应设计值应乘以承载力抗震调整系数。

6 结语

设计管桩,要了解它的适用性，在可行的基础上，要深刻理解所涉及的规范、规程和图集中的含义，弄清楚管桩在各种工况下的受力情况，根据分析的结果来分别进行计算并且满足图集中的各项构造要求。

[1] GB 50068—2001，建筑结构可靠度设计统一标准[S].

[2] GB 50009—2012，建筑结构荷载规范[S].

[3] GB 50010—2010，混凝土结构设计规范[S].

[4] GB 50223—2008，建筑工程抗震设防分类标准[S].

[5] GB 50011—2010，建筑抗震设计规范(2016年版)[S].

[6] JGJ 94—2008，建筑桩基技术规范[S].

[7] GB 50007—2011，建筑地基基础设计规范[S].

[8] 混凝土结构施工图平面整体表示方法制图规则和构造详图(16G101-1～3,13G101-11,10G409)[Z].

[9] 建设部工程质量安全监督与行业发展司,中国建筑标准设计研究所.2003全国民用建筑工程设计技术措施结构[Z].

On design and calculation for pipe piles

Liang Xingquan

(ShanxiArchitecturalDesignInstitute,Taiyuan030013,China)

Combining with some project and its hydro-geological conditions, the paper analyzes the design requirements for the high-strength prestressed concrete pipe piles of the project, and introduces the design calculation methods for PHC pile from the establishment of the overall calculation model, loading combination, selection for construction circumstance, and selection for parameter and indexes, so as to ensure the safety and stability of the engineering pile foundation.

pipe pile, loading capacity, seismic grade, loading capacity

1009-6825(2017)03-0064-03

2016-11-18

梁兴泉(1981- )，男，工程师

TU473.13

A