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石上清泉的博客
正文
2017-11-17 15:15:32 | 分类:地基基础 | 标签:结构专业



1 引言

    从本质上说,桩是一种人工处理的地基。在上海等沿海城市,建筑物用桩主要是抗压桩。相比之下,抗拔桩的使用就少得多。因此,一般对抗拔桩的关注、了解也就比较少。通常建筑物所采用的抗拔桩主要有两种:一种是静载试桩时采用反力架形式,这时需要用锚桩(以下将静载试桩用锚桩简称为锚桩),它的受力状态就是抗拔;另一种是地下水位较高的区域,为了防止建筑物上浮,而采用抗浮桩。两者在使用上有差别,在设计计算过程中也就有差别,这是值得注意的。

引自:抗拔桩的设计


2 要点

    (1)《建筑地基基础设计规范》(GB 5O007-2002)[1]8.5.5/1指出:“单桩竖向承载力特征值应通过单桩竖向静载荷试验确定。”上海市《地基基础设计规范》(DGJ 08-11-1999)[2] 6.1.5指出:“单桩竖向抗压、抗拔极限承载力宜通过现场静载荷试验确定。”新颁布执行的《建筑桩基技术规范》JGJ 94-2008[4] 5.4.6/1指出:“对于设计等级为甲级和乙级建筑桩基,基桩的抗拔承载力应通过现场单桩上拔静载荷试验确定。”可见我国的地基基础规范规定:单桩抗拔承载力由静载试验确定。
    由此可知,试桩应当反映工程桩的特征,包括类型、几何特征(如桩的截面尺寸、有效长度)、材料特征(如混凝土强度等级、配筋)、土层特征、施工要求等,这样才能将试桩的结果用于工程桩。
    (2)《地基基础设计规范》(DGJ 08-11-1999)[2] 6.2.2指出:“单桩竖向承载力设计值应分别根据地基土对桩的支承能力和桩身结构强度进行计算,取其小值。”
    《地基基础设计规范》(DGJ 08-11-1999)[2] 6.2.7列出了单桩竖向抗拔承载力设计值的计算式,即:

R'd=UP(Σλi?sii)/γs+GP      (1)

    式(1)实质上反映的是地基土对抗拔桩的支承力,从根本上说,是反映土性特征的;其值的确定是抗拔桩承载力计算的第一步,但并不是说,由此确定了抗拔桩的承载力,其桩身设计的混凝土强度、桩身配筋就可以是随意的。
    《建筑桩基技术规范》JGJ 94-2008[4]5.4.5与5.4.6给出了类似的公式。
    (3)《建筑地基基础设计规范》(GB 50007-2002) [1]8.5.8指出“当桩基承受拔力时,应对桩基进行抗拔验算及桩身抗裂验算”。这里先来看由桩基抗拔验算确定的抗拔桩设计。
    依据《混凝土结构设计规范》(GB 50010-2002)[3] 7.4.1,桩身设计轴向拉力设计值表达式为:

N≤?yAs+?PyAP

    《建筑桩基技术规范》JGJ 94-2008[4]5.8.7给出了类似的公式。
    本文仅考虑非预应力桩,则:

N≤?yAs       (2)

    当桩的轴向拉力设计值按地基土对抗拔桩的支承力考虑时:R'd=N≤?yAs,即抗拔桩的配筋设计可以由R'd确定。
    (4)与此同时,应当依据《混凝土结构设计规范》3.3.4规定的构件裂缝控制等级及最大裂缝宽度限值,对抗拔桩作裂缝验算。验算按《混凝土结构设计规范》8.1.1、8.1.2与8.1.3进行。
    8.1.2规定:按荷载效应的标准组合并考虑长期作用影响的最大裂缝宽度(mm)可按下列公式计算:

ωmax=αerΨ(1.9c+0.08deqte) σsk/Es          (3)

    其中,σsk为“按荷载效应的标准组合计算的钢筋混凝土构件纵向受拉钢筋的应力”,其值按式8.1.3计算:

σsk=Nk/As          (4)

    这里,Nk应为“按荷载效应的标准组合计算的轴向力值”。
    《建筑桩基技术规范》JGJ 94-2008[3]5.8.8作了类似于《混凝土结构设计规范》8.1.1的表述。
    以上依据现行规范,对抗拔桩的设计计算作了简要阐述,并列出了主要计算式。

引自:抗拔桩的设计


 

3 关键

    事实上,抗拔桩的设计焦点往往归结到它的配筋设计;而其配筋设计又往往与其裂缝控制有很大关系;抗拔桩的裂缝控制则与抗拔桩的应用形态有关。
    从《混凝土结构设计规范》关于钢筋混凝土构件裂缝验算的条文看,裂缝验算针对的是构件的正常使用极限状态。而锚桩和抗浮试桩所处的是承载力的极限状态;只是当它们兼作工程桩时,才会分别转化为抗压桩和抗浮工程桩。对它们作裂缝验算就应当顾及它们转化后的状态。从抗拔桩的裂缝控制看,可以依据其应用形态将之分为三种:
    (1)锚桩是为了验证地基土对桩的“极限”支承力,因此,它在裂缝验算时应当取Rk值。另一方面,它转化为工程桩时,是处于受压状态,是抗压桩;它在试桩时产生的裂缝是临时的,若不大,最终会闭合。因此裂缝的控制可以适当放宽。
    (2)对于抗浮工程桩只需要使正常使用极限状态下的裂缝宽度满足要求即可,即抗浮工程桩裂缝验算时应当取Ra值。
    (3)对于抗浮试桩,裂缝验算时应当取Rk值,这同锚桩是一样的。与锚桩不同的是,抗浮试桩最终若仍作为抗浮工程桩使用,则它的裂缝控制应当与抗浮工程桩相当。
    通常情况下,裂缝验算决定抗拔桩的配筋量。于是,抗浮试桩与抗浮工程桩的配筋可以不一致,而且它们的配筋出入可能相当大。依据这样的设计理念,可以使抗浮工程桩比抗浮试桩减少较多的钢筋。同时,抗浮试桩与抗浮桩应当分别作裂缝验算,它们的裂缝控制要求相当。
    此外,值得注意的是,抗拔验算时,应当取高地下水位作为外部条件。这与采用低地下水位作外部条件的沉降计算恰恰相反。

引自:抗拔桩的设计


4 算例

    从上述可知,抗拔桩设计的核心问题是配筋和裂缝控制。这里,以上海浦东陆家嘴某大厦的桩基为样板,设计了一套例题,看看抗拔桩的配筋设计与裂缝控制。
    该建筑地下3层,最大埋深超过19m;地上裙房3层,主楼40层。裙房和主楼之间不设缝;地下室的范围比主楼和裙房大得多,即含有纯地下室。主楼结构顶高超过180m,建筑装饰顶超过200m。
    建筑物下全部采用混凝土钻孔灌注桩。其中,主楼下采用D850桩,长38m。以地基土的支承力计算,单桩承载力特征值Ra=7200kN,设计值Rd=6500kN,极限值Rk=10400 kN。裙房下采用D600桩,长24m。以地基土的支承力计算,单桩抗压承载力特征值Ra=1600kN,设计值Rd=2000kN,极限值Rk=3200kN;单桩抗拔承载力特征值R'a=720kN,设计值R'd=900kN,极限值R'k=1440kN。裙房下的桩实际上处于抗浮状态。
    以下对该建筑所涉及的三种抗拔桩的配筋、裂缝验算作阐述。
    1)主楼下静载试验用的锚桩:D850
    静载试桩承载力极限值为Rk=10400kN,采用反力架方式,每根试桩配4根锚桩,单根锚桩所受拉力极限值为Nk=10400/4=2600kN。
    依式(1),计算地基土对锚桩的支承力,得到锚桩抗拔力的设计值为R'd=3100kN,其极限值为R'k=5000kN,远大于Nk=2600kN的值。
    依Nk值配筋,取24D22(HRB335),则由式(2)可得:

?yAs=300×24×380.1=2737kN>Nk

    再以文献[3]8.1.2和8.1.3计算裂缝宽度:
    此处:deq=22mm;因桩的混凝土取C35,故?tk=2.2N/mm2;αer=2.7;c=50mm ;Es =2×105N/mm2;рte=As /Ate=24×380.1/(8502×3.1416/4)=0.0161;Ψ=1.1-0.65?tk/(рte×σsk)=1.1-0.65×2.2/(0.0161×285.013)=0.788;σsk=Nk/As=2600×1000/(24×380.1)=285.013N/mm2
    依式(3),可得:

ωmax=αerΨ(1.9c+0.08deqte) σsk/Es=2.7×0.788×(1.9×50+0.08×22/0.0161)×285.013/200000=0.619mm

    此值与文献[3]3.3.4规定的0.2mm相比,显然偏大。
    将桩的配筋改为28D25(HRB335),再算裂缝宽度,可得ωmax=0.357mm。
    若再将桩的配筋改为26D28(HRB335),可算得ωmax=0.301mm。此值与0.2mm相比,虽然还有差别,但由于锚桩最终是作为受压工程桩使用,应当是可以接受的。
    于是主楼下静载试验用锚桩的配筋26D28(HRB335)就这样确定了。
    2)裙房下的抗浮工程桩:D600
    依式(1),计算地基土对抗浮桩的支承力,得到抗浮桩单桩抗拔承载力特征值R'a=720kN,设计值R'd=900kN,极限值R'k=1440kN。
    配筋设为20D18(HRB335),由式(2)可得:

?yAs=300×20×254.5=1527kN>R'd

    再由抗浮桩单桩抗拔承载力特征值R'a=720kN,依文献[3]8.1.2和8.1.3,计算裂缝宽度,可得ωmax=0.180mm<[0.2mm],满足文献[3]3.3.4规定。因此裙房下抗浮工程桩D600的配筋确定为20D18(HRB335)。
    3)抗浮工程试桩:D600
    由上例可知,地基土对抗浮试桩的支承力极限值为R'k=1440kN。假设配筋为20D25(HRB335),则:

?yAs=300×20×490.9=2945.4kN>R'k

    由抗浮试桩单桩抗拔承载力极限值R'k=1440kN,依文献[3]8.1.2和8.1.3,计算裂缝宽度,可得ωmax=0.248mm>[0.2mm],不满足文献[3]3.3.4 规定。将配筋改为28D25(HRB335),可以算出ωmax=0.189mm<[0.2mm],满足文献[3]3.3.4规定。
    前一个结果虽然超出文献[3]3.3.4规定,但是超出不多,考虑到抗拔试桩是一个短暂的过程,最终还是作为工程桩回到使用阶段的抗浮状态。所以,可以认为:后一结果显然更为理想,但是前一结果也是可以接受的。
    4)比较2)与3)的配筋结果
    抗浮工程桩D600的配筋为20D18(HRB335),其配筋率为1.8%。抗浮试桩D600的配筋为20D25(HRB335)时,其配筋率为3.47% ;配筋为20D28(HRB335)时,其配筋率为4.36%。可见,抗浮工程桩与抗浮试桩的配筋可以相差很大。

引自:抗拔桩的设计


5 澄清误解

    在抗拔桩的设计中,存在一些认识误区。若明白了上述内容,便可不难对下述几种误解予以澄清。此处,对之不作详尽的说明了。
    (1)从抗拔桩承载力的计算式(指文献[2]6.2.7所列公式)看,承载力大小与配筋无关。
    (2)抗浮工程桩配筋应当与抗浮试桩配筋相同。
    (3)与(2)对应的:“抗浮工程桩裂缝验算与抗浮试桩裂缝验算相同,故作一个验算就可以了”。
    (4)认为下述看法是不对的:Ra,Rd,Rk 是与抗拔桩承载力相应的特征值、设计值、极限承载力标准值;“抗浮试桩裂缝验算时,Nk值取Rk值;抗浮工程桩裂缝验算时,Nk值取Ra值”。

引自:抗拔桩的设计


 

6 结语

    本文依据现行设计规范,阐明了抗拔桩的设计要点,区分了几种常见类型抗拔桩的不同设计要求,确定抗拔桩设计的核心问题是配筋和裂缝控制。澄清了抗拔桩设计中的误解。从而,为抗拔桩设计与计算的安全准确、经济合理指明了路径,对抗拔桩的设计作了有益的启示。
    诚然,《混结构设计规范》中关于裂缝计算的一套公式,是“半经验半理论”的产物。据此,有人以为,不必认真对待抗拔桩的裂缝验算。但人们总是在一定的条件下,以当时科学技术水平所制订的条文,来规范人的行为,抗拔桩的裂缝验算也不例外。
    关于抗拔桩的设计,还有一些内容,也值得探讨,本文没有涉及,当另文阐明,可大致罗列如下:
    (1)抗拔桩的分段配筋。
    (2)预应力抗拔桩的设计。
    (3)季节性冻土上,轻型建筑短桩基础抗冻拔稳定性问题。
    (4)膨胀土上,轻型建筑短桩基础抗拔稳定性问题。

引自:抗拔桩的设计


 

参考文献

    [1] 中华人民共和国建设部.GB 50007-2002建筑地基基础设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2002.
    [2] 上海现代建筑设计(集团)有限公司.DGJ 08-11-1999地基基础设计规范[S].上海,1999.
    [3] 中华人民共和国建设部.GB 50010-2002混凝土结构设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2002.
    [4] 中国建筑科学研究院.JGJ 94-2O08建筑桩基技术规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2008.

引自:抗拔桩的设计


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