工程中的抗拔桩设计探讨

马娴

0 引言

随着城市的不断发展，土地资源越来越稀缺，人们更加注重地下空间的开发利用，地下2 层、3 层结构屡见不鲜，随之而来的是结构抗浮问题。工程上常用的抗浮措施有：压重法、抗浮板法、排水限压法、隔水控压法与泄水降压法、锚杆法和锚桩法（设置抗拔桩）。在抗浮力与浮力相差不大时首选压重法。而在二者差别较大时，与其他几种措施相比，抗拔桩基础具有安全性高、工期短、成本较低、适用性强等特点，因而抗拔桩是解决抗浮问题的常用措施。本文主要通过工程实例设计介绍抗拔桩设计的重难点。

1 抗拔桩的理论研究

我国桩基础发展历史悠久，很久以前已经开始将木桩基础应用于房屋建设中。而在汉朝的桥梁工程中，木桩基础已经非常普遍。随着钢筋、混凝土等材料的兴起，20 世纪60 年代，钢筋混凝土桩基本取代了木桩，并在工程中迅速发展。

抗拔桩是通过桩身与土体之间摩擦阻力传递荷载至桩体周围土体，当摩擦阻力达到极限值而突破后，桩体即破坏并失去作用。抗拔桩在受到上拔荷载而破坏的状态有剪切破坏、倒锥形破坏、复合剪切面破坏、桩体拉断。剪切破坏常出现在桩身与土之间的摩擦阻力小于上拔力时；倒锥形破坏容易出现在土质较软的岩层；复合剪切面破坏在桩身较长、较硬质的粘土灌注桩中较易出现；桩体拉断只有在桩身配筋不足等自身因素下出现。

抗拔桩的抗拔力由桩体自身重量、桩身侧面与土体摩擦阻力、桩底部负压所形成的真空吸力组成。由于真空吸力在学术界尚未有明确的研究分析，故设计中只考虑前面两项。而关于抗拔桩极限承载机理的研究并不多，工程上的做法是参考抗压桩的侧摩阻力计算方法，并在此基础上考虑一个抗拔系数。但抗拔系数的选取其实是基于工程试验结果并参照有关规范综合考虑后给出的值，并不能充分考虑荷载特性、桩型、桩的施工工艺、桩周土质等。

2 工程实例

2.1 工程概况

工程位于广西南宁市青秀区，是一栋地上10 层，地下1层的办公楼。其中塔楼范围内地下室层高6.0m，纯地下室层高为4.8m，地上建筑高度48.0m。总建筑面积16 516m，其中地上建筑面积10 451m。塔楼范围内地下室的功能为设备用房，纯地下室区域为停车库，无人防功能。地下室顶板覆土300mm。整个场地较为平整，高差只有0.30m。

本工程安全等级二级，设计使用年限50 年，结构耐久年限50 年。设计地震分组第一组，建筑场地类别Ⅱ类。上部采用框架剪力墙结构，其中框架抗震等级四级，剪力墙抗震等级三级。地下室顶板厚度250mm，底板厚度400mm。

2.2 地质情况

根据勘察报告显示，本工程场地自上而下土层土分布如下：素填土①，黏土②；粉砂③；全风化粉质泥岩④；全风化粉砂岩④1，强风化粉质泥岩⑤,强风化粉砂岩⑤1，煤，中风化粉质泥岩⑥，中风化粉砂岩⑥1。本工程基坑开挖后露出持力层④、④1、⑤、⑤1，故主楼下采用天然筏板基础；纯地下室外墙处抗浮满足计算故采用柱下独立基础，其余采用钻孔抗拔灌注桩，桩端以中风化粉砂岩⑥1 作为持力层，并要求桩端全断面进入较完整中风化粉砂岩⑥1 深度不小于1.5d（d 为桩身直径）。本工程选取的桩形为钻孔灌注桩，桩的极限端阻力标准值qpk=3 500kpa；qsik=170kpa。④1 层取qsik=100kpa；⑤层取qsik=140kpa；⑤1 层取qsik=150kpa。⑥层取qsik=160kpa。

2.3 抗拔桩设计

抗拔桩设计的思路一般是先根据场地勘察报告提供的土质参数，估算单桩抗拔极限承载力标准值，其次是验算桩身承载力，然后根据场地勘察报告提供的环境类别、水和土的腐蚀性等确定桩身的裂缝控制等级，并依此复核桩身配筋。而裂缝控制等级分为三级，其中一级为严格要求不出现裂缝，二级为一般要求不出现裂缝，三级为控制桩身裂缝宽度。工程上常见的为三级裂缝控制等级。

本工程底板底绝对标高为87.90，地勘报告建议的抗浮设计水位为93.00，水头达5.1m。经计算，地下室顶板覆土自重、地下室顶板及底板的梁板柱自重不足以抵抗地下水向上的水浮力，且抗浮力与浮力相差较大，而顶板不具有增加覆土重量的条件，故本工程采用抗拔桩基础。

本工程地基基础设计等级乙级，抗浮工程设计等级乙级，桩基设计等级乙级。抗浮稳定安全系数取1.05，单柱下的抗拔桩需提供的抗拔承载力标准值最大值为N=1830KN。

2.3.1 单桩抗拔极限承载力标准值

文献[3]规定，如无当地经验时，群桩基础及设计等级为丙级建筑桩基，群桩呈非整体破坏时，基桩的抗拔极限承载力标准值按下式计算：

以典型孔点ZK3 号勘探孔为例，桩身直径d 取1.2m，桩长L=14m，λ=0.5，

则T=π×1.2×0.5×(100×3+140×2.5+150×2.5+160×4.2+170×1.8)=3 775KN，

G=(π×1.2×14×15)/4=237KN,则N=3 775/2+237=2 124KN>1 830KN

根据研究发现，扩底抗拔桩达到极限承载力时所需的位移更大，但与扩底直径大小无关；而且扩底抗拔桩比等直径抗拔桩的极限承载力有明显提高，表现得更有后劲，但造价上并未有太多增加，经济性较好。另外不同扩底直径的扩底嵌岩抗拔桩的破坏模式是桩身钢筋混凝土发生受拉破坏，而这种破坏形态研究比较成熟，对于设计师来说也是更为可控的情形，配置一定的桩身钢筋即可。

故本工程的抗拔桩最终选为桩身直径d=1.2m，扩底后直径D=1.5m，扩大头高度取0.6m。

2.3.2 考虑裂缝控制要求进行配筋设计

取桩的混凝土等级为C40，f=360N/mm，按照

根据《混凝土结构设计规范》(GB50010-2010)按如下公式(4)～ (7)计算最大裂缝宽度。取桩的混凝土等级为C40，f=2.39MPa,A=2.7；C=50mm，

计算得wmax=0.452mm>0.20mm，不满足正常使用极限状态下裂缝的控制要求。

2.3.3 抗拔桩检测

抗拔桩的桩身完整性检测及单桩数学承载力检测的方法和检测数量按《建筑基桩检测技术规范》(JGJ 106-2014)第3.3.3～3.3.8 执行。但是工程桩验收检测时，要特别注意检测方案中关于施加的上拔荷载的取值。笔者分别对桩身混凝土等级为C30、C35、C40，桩身直径1 200mm，按最接近规范的裂缝限值0.20mm 反算最大的抗拔承载力标准值最大值为N。

混凝土通过表1、表2 比较后发现以下规律：

表1 抗拔桩裂缝及配筋计算一览表

表2 抗拔桩检测最大上拔荷载与混凝土等级及经济指标关系对比表

（1）当桩身混凝土等级大于C35 时，桩身配置的钢筋能承受的最大拉力小于抗拔承载力特征值T 的2 倍。在桩身混凝土等级为C30 时，桩身配置的钢筋能承受的最大拉力均大于抗拔承载力特征值T 的2 倍。

（2）桩身混凝土等级相同时，选用数量更多的小直径钢筋时，钢筋能承受的最大拉力值更小。

文献[4]中5.1.2 条，工程桩验收检测时，施加的上拔荷载不得小于单桩竖向抗拔承载力特征值的2.0 倍或使桩顶产生的上拔量达到设计要求的限值。当抗拔承载力受抗裂条件控制时，可按设计要求确定最大加载值。

（2）取检测时的上拔荷载为1.5T 即2 745KN，得wmax=0.606mm 大于0.20mm，且2 745KN<3 535KN(钢筋承受的最大拉力)，可行。

（3）取检测时的上拔荷载为1.35T 即2 470KN，得wmax=0.483mm 略大于0.20mm，且2 470KN<3 535KN(钢筋承受的最大拉力)，可行。

通过以上3 个方式的比较，综合考虑经济性，本工程采用方式2。由于检测时的上拔荷载属于瞬时荷载，裂缝也属于短期裂缝，卸载后裂缝会封闭，但对桩顶的抗裂性能有一定的影响，故在桩检测完毕后，需对这些桩的桩顶范围采取外防护加强措施，如外防水加强。

2.3.4 沉降

由于裙房上部荷载小，加上抗拔桩的支承作用，此区域的沉降将受到限制。而高层塔楼上部荷载大，采用天然基础时沉降一般较大，这样就导致高层塔楼与裙房之间的沉降差较大，设计上要谨慎处理。沉降差的处理方式常有设置沉降缝、沉降后浇带和控制塔楼沉降。本工程采用的措施是设置沉降后浇带。

3 结论

（1）抗拔桩设计在规范中包括基桩极限承载力标准值、桩身承载力和裂缝，工程上大多数抗拔桩的配筋是有裂缝控制。

（2）抗拔桩检测时的最大上拔荷载不能跟抗压桩一样简单地按2.0T 加载，需综合考虑桩身强度和裂缝因素。一般情况下按抗拔承载力特征值P 控制裂缝，抗拔承载力检测常规情况下取1.35～1.5T 左右。

（3）若工程抗拔桩按检测的2.0T 最大上拔荷载控制裂缝，此时需增加的桩配筋会增大太多，经济性不好。

（4）对于桩端地质条件允许扩底的应尽量扩底，经济性较好。