人工挖孔抗撥樁在多層地下室抗浮中的應(yīng)用

李求昆

(福建華景建筑設(shè)計(jì)院有限公司　福建廈門(mén)　361004)

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人工挖孔抗撥樁在多層地下室抗浮中的應(yīng)用

李求昆

(福建華景建筑設(shè)計(jì)院有限公司福建廈門(mén)361004)

對(duì)廈門(mén)華爾頓1275(和昌中心)項(xiàng)目的多層地下室進(jìn)行人工挖孔抗撥樁的設(shè)計(jì)分析，選取地下室典型柱網(wǎng)進(jìn)行各類抗撥設(shè)計(jì)的分析與比較，詳細(xì)計(jì)算了人工挖孔樁的抗撥承載力。結(jié)果表明：采用樁身直徑d=1.1m，擴(kuò)底直徑D=2.4m，樁長(zhǎng)l=10.5m的人工挖孔樁可以達(dá)到單樁抗撥承載力Tk=2 200kN，能滿足地下室抗浮要求。分析進(jìn)一步表明，應(yīng)用人工挖孔抗撥樁相比錨桿等其它抗撥方案具有單樁抗撥力大、造價(jià)低、施工簡(jiǎn)便、工期短等優(yōu)點(diǎn)，可以減少項(xiàng)目的施工工期并獲得良好的經(jīng)濟(jì)效益。

多層地下室；人工挖孔樁；抗撥；裂縫控制

0　引言

人工挖孔樁技術(shù)是工程建設(shè)中的一種樁基礎(chǔ)形式，通常情況作為抗壓樁使用。福建閩南地區(qū)地下水位高，高層建筑中多層地下室的上浮力高于結(jié)構(gòu)自重會(huì)導(dǎo)致上浮，但大部分工程的地下室均采用錨桿進(jìn)行抗撥。根據(jù)現(xiàn)有工程實(shí)踐，將人工挖孔抗撥樁應(yīng)用于地下室的抗撥設(shè)計(jì)比較少。為此本文依據(jù)現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范，結(jié)合工程實(shí)例闡述人工挖孔樁在地下室抗浮設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，并進(jìn)行抗撥樁承載力計(jì)算和裂縫控制計(jì)算。

1　工程概述

1.1項(xiàng)目簡(jiǎn)介

華爾頓1275(和昌中心)位于福建省廈門(mén)市島內(nèi)東岸，毗鄰國(guó)際會(huì)展中心，基地西高東低。上部6幢106～146m超高層住宅和3幢46m小高層住宅，滿鋪地下室，工程總建筑面積309 075m2。東區(qū)地下室為4層配套商業(yè)服務(wù)用房，建筑面積63 310.8m2；西區(qū)地下室為5層地下車(chē)庫(kù)，建筑面積98 398.9m2。所在場(chǎng)地抗震設(shè)防烈度均為7度第二組，設(shè)計(jì)地震基本加速度為0.15g，水平地震影響系數(shù)最大值取0.145，場(chǎng)地類別Ⅱ類，50年一遇基本風(fēng)壓0.8kN/m2，地面粗糙度為A類。上部主樓均為鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)采用(復(fù)合)樁基；純地下室部分采用框架結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)采用梁式筏板，抗撥采用人工挖孔抗撥樁?？偲矫嬖攬D1。

圖1　和昌中心總平面圖

1.2工程地質(zhì)概況

根據(jù)《和昌中心巖土工程勘察報(bào)告》(工程編號(hào)：20120918)所提供的土層數(shù)據(jù)，綜合場(chǎng)地判別結(jié)果，本工程場(chǎng)地為不液化場(chǎng)地。土層分布由上到下分別為：素填土、粉質(zhì)粘土、殘積砂質(zhì)粘性土、全風(fēng)化花崗巖、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖、中風(fēng)化花崗巖。其中殘積砂質(zhì)粘性土埋深適宜，揭露層厚2.0～25.0m，物理力學(xué)性質(zhì)較好，作為純地下室梁式筏板的天然地基持力層，也適合人工挖孔樁的施工。場(chǎng)地地下水位較高，該工程設(shè)計(jì)抗浮水位為室外道路以下1m。

2　地下室抗浮設(shè)計(jì)

純地下室西區(qū)為5層、東區(qū)為4層，上部結(jié)構(gòu)荷載均勻，柱網(wǎng)布置規(guī)則，典型柱距為8.4m×8.4m。根據(jù)勘察成果，綜合經(jīng)濟(jì)、合理、實(shí)用等考慮，采用梁板式筏板基礎(chǔ)，殘積砂質(zhì)粘性土為持力層，可以滿足抗壓、地基穩(wěn)定性的要求。而抗撥采用柱下單樁的形式，抗撥樁主要是利用樁體自重和樁側(cè)阻力起抗浮作用，其抗浮能力和樁型、樁徑、樁長(zhǎng)及周?chē)刭|(zhì)條件有關(guān)，常用樁型為沖孔灌注樁、沉管灌注樁、人工挖孔樁和PHC管樁。

沖孔灌注樁雖然穿透能力強(qiáng)，但施工速度慢、工期長(zhǎng)且造價(jià)高(1 200元/m3)，樁身長(zhǎng)、成樁質(zhì)量相對(duì)較難控制。沉管灌注樁雖然施工速度快，但同樣存在造價(jià)高的缺點(diǎn)(1 500元/m3)。PHC管樁優(yōu)點(diǎn)是施工速度快、較經(jīng)濟(jì)(230元/m)，但單樁抗撥承載力很低，樁數(shù)量多時(shí)樁機(jī)移動(dòng)容易導(dǎo)致已施工的管樁傾斜、斷樁。

而人工挖孔抗撥樁在閩南地區(qū)應(yīng)用較少，但根據(jù)本工程的地質(zhì)情況，采用人工挖孔抗撥樁具有施工可行、工期短、抗撥力高、造價(jià)低、可靠性強(qiáng)的特點(diǎn)。經(jīng)計(jì)算得出本地下室典型單柱水浮力標(biāo)準(zhǔn)值Nw,k=7 000kN，典型單柱恒載及自重標(biāo)準(zhǔn)值Gk=5 500kN，則單樁的抗撥承載力Tk≥1.05×Nw,k-Gk=1 850kN(《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50007-2011第5.4.3條)[1]。人工挖孔抗撥樁的單樁承載力特征值較大，本工程采用樁身直徑d=1.1m，擴(kuò)底直徑D=2.4m，樁長(zhǎng)l=10.5m的人工挖孔樁單樁抗撥承載力Tk=2 200kN(詳見(jiàn)第5條的計(jì)算)，可滿足抗撥要求，大部分均為單樁布置在柱下，局部布置平面詳圖2。

比較抗浮錨桿，通過(guò)詳細(xì)計(jì)算得出土層錨桿錨固體直徑d1=110mm，l=25m的單根錨桿抗撥承載力特征值Rt=220kN，僅為人工挖孔樁單樁抗撥承載力的十分之一。所以本工程選用人工挖孔灌注樁作為抗撥樁，很好地解決本工程地下室抗浮問(wèn)題，且工期及造價(jià)優(yōu)勢(shì)特別明顯。人工挖孔抗撥樁與抗浮錨桿的經(jīng)濟(jì)性比較詳表1。

表1　經(jīng)濟(jì)性比較

3　單樁抗撥承載力計(jì)算

3.1基樁的抗撥承載力

圖2　抗撥樁平面布置

當(dāng)土層提供的抗撥力起控制作用時(shí)，抗撥單樁受上撥荷載時(shí)，通過(guò)樁身將荷載傳遞到樁側(cè)士。同時(shí)樁身拉應(yīng)力產(chǎn)生于樁頂，隨著上撥荷載的增加，樁頂位移也會(huì)相應(yīng)地增加，樁身拉應(yīng)力逐步向下部擴(kuò)展。當(dāng)樁頂部位的樁與土相對(duì)位移達(dá)到一定值時(shí)，認(rèn)為該界面的側(cè)摩阻力已經(jīng)全部發(fā)揮，此時(shí)樁頂抗撥總阻力將逐步下降，直至破壞，其破壞機(jī)理接近于純摩擦樁[2]。

根據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》第5.4.5條，呈非整體破壞時(shí)基樁的抗撥承載力：Tuk/2+Gp，其中Tuk為呈非整體破壞時(shí)基樁的抗撥極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值，Gp為樁、土柱體自重[3]。

根據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》第5.4.6條，呈非整體破壞時(shí)基樁的抗撥極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值：Tuk=Σλiqsikuili，其中ui樁身周長(zhǎng)，擴(kuò)底樁u=πD(li≤(4～10d))；qsik為樁側(cè)表面第i層土的抗壓極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值；λi為抗撥系數(shù)[2]。

樁身直徑d=1.1m，擴(kuò)底直徑D=2.4m，樁長(zhǎng)l=10.5m，樁端截面面積Ap=π×2.42/4=4.524m2，樁、土柱體自重Gp=10×4.524×10.5=475.0kN，擴(kuò)底樁樁身周長(zhǎng)u=π×2.4=7.540m；抗撥極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值Tuk=0.75×60×7.540×10.5=3562.7kN。

基樁的抗撥承載力Tuk/2+Gp=3 562.7/2+475.0=2 256kN。

取ZJ-A抗撥承載力2 200kN。

3.2抗撥樁的裂縫控制計(jì)算

當(dāng)土層提供的抗撥力不起控制作用，由樁身強(qiáng)度起控制作用時(shí)，隨著樁身拉應(yīng)力的不斷增加，樁身混凝土應(yīng)變不斷加大，樁身將逐步出現(xiàn)裂縫直至裂縫“出齊”，即裂縫的分布處于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)樁身最大裂縫寬度達(dá)到規(guī)范限值，則認(rèn)為達(dá)到該樁抗撥承載力極限。在裂縫處，混凝土應(yīng)力為零，拉應(yīng)力均有鋼筋承擔(dān)；在裂縫間距中部，拉應(yīng)力有鋼筋和混凝土共同承擔(dān)，但混凝土拉應(yīng)力小于其抗拉強(qiáng)度f(wàn)tk[3]。

根據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》第3.5.3條，二a類環(huán)境中，位于穩(wěn)定地下水位以下的基樁，其最大裂縫寬度限值0.3mm[3]。

根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》第7.1.2條及其條文說(shuō)明：平均裂縫間距l(xiāng)cr=β(1.9c+0.08d/ρte)，其中對(duì)軸心受拉構(gòu)件β=1.1，d為鋼筋直徑，ρte為有效受拉混凝土截面面積計(jì)算的縱向受拉鋼筋配筋率；此時(shí)樁身混凝土應(yīng)變?chǔ)與=wm/lcr，其中wm為平均裂縫寬度[5]。

樁身混凝土強(qiáng)度等級(jí)C35，縱筋23Φ25(HRB400)，As=11 291mm2；樁身截面積Aps=π×1.12/4=0.9503m2，ρte=11 291/(0.9503×106)=0.01188，平均裂縫間距l(xiāng)cr=1.1×(1.9×50+0.08×25/0.01188)=290mm，取lcr=300mm，此時(shí)樁身混凝土線應(yīng)變?chǔ)與=0.3/300=1.0×10-3；

以εc=1.0×10-3控制(裂縫處)：

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

以ftk控制(裂縫間距中部)：

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

3.3抗撥樁的樁身軸心受拉承載力

N=fyAs=360×11 291=4 032kN,

計(jì)算滿足要求(最終以抗撥試驗(yàn)為準(zhǔn))。

4　抗撥樁設(shè)計(jì)的問(wèn)題與處理

抗撥樁設(shè)計(jì)比一般承壓樁設(shè)計(jì)考慮的問(wèn)題較多，設(shè)計(jì)中應(yīng)注意以下問(wèn)題：

(1)在抗撥力荷載計(jì)算中，抗浮水位的合理選擇對(duì)整個(gè)工程造價(jià)影響較大，抗浮水位的取值應(yīng)依據(jù)建筑物的使用年限結(jié)合地勘報(bào)告進(jìn)行取值。

(2)在進(jìn)行單樁抗撥力計(jì)算時(shí)，應(yīng)依據(jù)結(jié)構(gòu)跨度進(jìn)行初步試算，來(lái)確定抗撥樁的大致數(shù)量及初步的單樁抗撥承載力。

(3)樁體的配筋是依據(jù)抗撥樁樁頂拉力設(shè)計(jì)值進(jìn)行抗拉配筋的，依據(jù)樁體受力分布原理，可采用不均勻配筋法，即抗撥樁下段由于其拉力相對(duì)較小，可適當(dāng)降低配筋量，從而降低造價(jià)。

(4)整體穩(wěn)定性驗(yàn)算中，應(yīng)對(duì)群樁效應(yīng)問(wèn)題進(jìn)行驗(yàn)算，以確保群樁整體抗浮力大于總浮力。

(5)樁的裂縫計(jì)算應(yīng)考慮該地區(qū)地下水常年變化幅度和樁的埋置深度，一般淺層含水層地下水位變化幅度較大，因此抗撥樁在工作期間所受的撥力隨地下水位的波動(dòng)變化較大。在長(zhǎng)期的水位波動(dòng)作用下，樁體容易產(chǎn)生裂縫，從而引起鋼筋的銹蝕，造成抗撥鋼筋拉力不足，在建筑物使用年限內(nèi)失效，此類樁的裂縫應(yīng)按照《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50010-2011)中所要求的0.2控制；但是樁體常年在地下水中，此類樁的裂縫可按照《建筑樁基設(shè)計(jì)規(guī)范》(JGJ94-2008)中所要求的0.3控制，進(jìn)行正常使用極限狀態(tài)的驗(yàn)算。

(6)抗撥樁樁身強(qiáng)度的計(jì)算往往是設(shè)計(jì)時(shí)比較容易遺漏的計(jì)算內(nèi)容。在正常使用極限狀態(tài)下，為避免鋼筋銹蝕而影響其耐久性，基樁上撥荷載不得大于按裂縫控制時(shí)樁身所能承受的荷載，但在承載力極限狀態(tài)下，基樁上撥荷載不得大于樁身強(qiáng)度和地基土所能提供的基樁抗撥極限承載力。

5　抗撥樁施工與承載力檢測(cè)

本工程抗撥樁總樁數(shù)531根，其中東區(qū)地下室336根，西區(qū)地下室195根。施工時(shí)應(yīng)采取必要的安全措施以保證施工人員的安全。施工單位應(yīng)提出開(kāi)挖順序、施工組織方案后方可施工，開(kāi)孔前應(yīng)復(fù)核樁位定位放樣的準(zhǔn)確性。成孔挖土與護(hù)壁灌注需交替進(jìn)行，應(yīng)保證護(hù)壁混凝土的密實(shí)性。當(dāng)成孔至設(shè)計(jì)標(biāo)高，清孔經(jīng)自檢，并由監(jiān)理人員驗(yàn)孔合格后，即放入鋼筋籠。施工時(shí)要嚴(yán)格確保鋼筋籠的垂直度并按要求設(shè)置墊片，以保證設(shè)計(jì)要求的保護(hù)層厚度。澆灌樁身混凝土前，孔底不應(yīng)有積水和殘?jiān)?，且?yīng)清理好護(hù)壁上的淤泥。澆灌混凝土必須使用串筒，應(yīng)使混凝土的自由下落高度控制在2m以內(nèi)，灌注時(shí)應(yīng)采用插入式振動(dòng)器分層振實(shí)，分層高度約1m。

對(duì)樁采用聲波透射法檢測(cè)樁身完整性，檢測(cè)結(jié)果顯示樁身完整性符合規(guī)范要求。抽取1%且不少于3根測(cè)定樁的抗撥承載力，根據(jù)《建筑基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》(JGJ106-2014)第5.4.4條，從U-δ及δ-Lgt可看出該試樁在最大荷載作用下未達(dá)到極限承載狀態(tài)，故該樁的單樁豎向抗撥極限承載力取最大試驗(yàn)荷載值4 400kN(圖3)，達(dá)到設(shè)計(jì)要求，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)變形觀察未發(fā)現(xiàn)上移現(xiàn)象。

U-δ曲線

δ-Lgt曲線圖3　抗撥樁試驗(yàn)曲線

6　結(jié)論

(1)通過(guò)工程實(shí)例分析了地下室應(yīng)用人工挖孔抗撥樁與其它抗撥方案的區(qū)別，分析得知地下室抗浮采用人工挖孔抗撥樁具有安全、經(jīng)濟(jì)、工期短等優(yōu)點(diǎn)。

(2)樁身應(yīng)分別按承載力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)于樁體常年在地下水中，不受地下水位波動(dòng)的影響，此類樁的裂縫應(yīng)按照《建筑樁基設(shè)計(jì)規(guī)范》(JGJ94-2008)中所要求的0.3控制，既可滿足樁身耐久性要求，又可大幅度節(jié)省造價(jià)。

[1]GB5007-2011 建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2011．

[2]田微.建筑物抗拔樁力學(xué)計(jì)算的實(shí)例分析[J].山西建筑，2014，40(6):96-97.

[3]JGJ94-2008 建筑樁基技術(shù)規(guī)范[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2008．

[4]楊京華.淺議抗撥樁配筋設(shè)計(jì)及裂縫控制[J].基礎(chǔ)工程設(shè)計(jì)，2012,02-0105-03.

[5]GB50010-2010 混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)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，工程師。

E-mail:30931954@qq.com

2016-03-15

TU4

A

1004-6135(2016)05-0064-04