管樁的設計計算

梁 興 泉

(山西省建筑設計研究院，山西 太原 030013)

管樁的設計計算

梁 興 泉

(山西省建筑設計研究院，山西 太原 030013)

結合某工程的實際情況與水文地質條件，分析了該工程高強預應力混凝土管樁的設計要求，并從建立整體計算模型、荷載組合工況選取、規范中各項參數指標的正確選用等方面，介紹了PHC樁的設計計算方法，確保了工程樁基的安全穩定性。

管樁，承載力，抗震等級，荷載

1 工程簡介

本工程為山西科技創新城建設管理局山西科技創新城核心區第一中學(初中校區)——圖文綜合樓,建筑位于科技創新城核心區Ⅰ-9地塊內，項目用地西側為西溫莊西路，北側為居住區，東側為第一中學(高中校區)，南側為化章街，圖文綜合樓部分為地上4層、地下1層。 教師辦公樓為地上2層。圖文綜合樓總高度為16.450 m，教師辦公樓總高度為8.450 m，室內外高差為0.45 m。主體采用現澆鋼筋混凝土框架結構,結構采用BRB減震設計?；A形式采用柱下高強預應力管樁承臺基礎加防水板。

2 設計條件

圖文綜合樓有地下室，教師辦公樓無地下室。樁采用高強預應力混凝土管樁，樁徑400。查預應力混凝土管樁圖集(10G409)。確定圖文綜合樓樁頂標高為772.000，樁長30 m，選用PHC 400 AB(95-30)。樁進入持力層深度hb=3.82 m。教師辦公樓樁頂標高為775.000，樁長22 m,選用PHC 400 AB(95-22)。樁進入持力層深度hb=2.7 m。

管樁應考慮樁端土塞效應的有利影響。

hb/d1≥5,λp=0.8,λpAp1=0.8×0.035=0.028。

由巖土工程勘察報告可查得場地內各土層的樁側阻力和樁端阻力極限值如表1所示。

表1 各土層的樁側阻力和樁端阻力 kPa

當承臺底面上下非液化土層厚度分別不小于1.5 m,1.0 m時，在現有條件下，各土層液化影響折減系數為：第③層為1/3，第④層為1/3，第⑥層為2/3，第⑦層為2/3，第⑧層為2/3；當承臺底面上下非液化土層厚度分別小于以上規定時,土層液化影響折減系數為0。

管樁應按JGJ 94—2008建筑樁基技術規范第8.3.8條：敞口預應力混凝土空心樁單樁豎向極限承載力標準值的計算公式(5.3.8-1)確定。

Quk=Qsk+Qpk=u∑qsikli+qpk(Aj+λpAp1)。

3 抗震等級和抗震設防類別的確定

根據建筑抗震設計規范附錄A.0.4太原市抗震設防烈度為8度，設計基本地震加速度0.2g,設計地震分組為第二組。

由實際情況可知：房屋總高度小于24m，結構為框架結構。查建筑抗震設計規范表6.1.2可得出本工程抗震等級為二級。

根據GB50223—2008建筑工程抗震設防分類標準第6.0.8條的規定：圖文綜合樓屬于教育建筑中的中學教學用房?？拐鹪O防類別應不低于重點設防類。教師辦公屬于標準設防類。

第3.0.3條規定：標準設防類，應按本地區抗震設防烈度確定其抗震措施和地震作用，而重點設防類，應按高于本地區抗震設防烈度1度的要求加強其抗震措施，同時應按本地區抗震設防烈度確定其地震作用。

因此圖文綜合樓抗震設防烈度按9度加強抗震措施，按8度考慮地震作用；教師辦公樓抗震設防烈度按8度確定抗震措施和地震作用。查建筑抗震設計規范表6.1.2，最終可知抗震等級：圖文綜合樓為一級，教師辦公樓為二級。

4 樁承載力驗算

4.1 圖文綜合樓

±0.000絕對高程：777.500，地下室4.2m，100厚做法，1.2m高承臺。

樁頂絕對高程：777.500-4.2-0.1-1.2=772.000,樁長L=30 m。

樁底絕對高程：772.000-30=742.000。

1)按非抗震驗算考慮,承載力不乘以1.25，液化不折減。取最不利ZK63號孔考慮,根據巖土工程勘察報告可算得：

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。

根據《建筑樁基技術規范》第5.2.2條：

Ra=Ru/K=2 528.07/2=1 264 kN。

單樁抗壓承載力特征值可提到1 200 kN。

2)由GB 50011—2010建筑抗震設計規范第4.4.3條：按抗震驗算考慮分兩種情況取其不利。

第一種情況：地震影響系數最大值按正常取，即0.16承載力要乘以1.25,進行液化折減。由于非液化土層不滿足《抗規》4.4.3-2的要求，液化折減系數全部取零，即液化土層不提供承載力。

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。

第二種情況：地震影響系數最大值按10%考慮，即0.16×10%=0.016。承載力要乘以1.25，且應扣除液化土層的全部摩阻力及樁承臺下2 m深度范圍內非液化土的樁周摩阻力。由于樁承臺下2 m深度范圍內全部為液化土，樁周摩阻力不計。因此計算結果與第一種情況相同。

3)試樁計算:試樁時不考慮液化折減，并考慮樁頂以上還留有一部分空樁提供的側阻。30 m樁長樁頂標高以上留4 m的空樁，空樁頂為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。

考慮4m的空樁影響情況下，試樁極限值可提到2 700kN。

4.2 教師辦公樓

±0.000絕對高程：777.500，室內外高差0.6m，凍土深度0.8m，300的空間，0.8m高承臺。

樁頂絕對高程：777.500-0.6-0.8-0.3-0.8=775.000。

樁長L=22 m。

樁底絕對高程：775.000-22=753.000。

1)按非抗震驗算考慮。承載力不乘以1.25,取最不利ZK46號孔：液化不折減。

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

單樁抗壓承載力特征值可提到800 kN。

2)按抗震驗算考慮分兩種情況取其不利。

第一種情況：地震影響系數最大值按正常取，即0.16。承載力要乘以1.25,進行液化折減。由于非液化土層滿足《抗規》4.4.3-2的要求，各液化土層分別取各自相應的液化折減系數,進行液化折減。

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。

第二種情況：地震影響系數最大值按10%考慮，即0.16×10%=0.016。

承載力要乘以1.25，且應扣除液化土層的全部摩阻力及樁承臺下2 m深度范圍內非液化土的樁周摩阻力。

②層土：775.00-773.40=1.6 m(不考慮樁周摩阻力)。

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試樁計算。20 m樁長樁頂標高以上留1 m的空樁，空樁頂為775+1=776。

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

考慮1m的空樁影響情況下，試樁極限值可提到1 700kN。

5 荷載組合工況的選取

1)根據建筑地基基礎設計規范3.0.5-1條：按單樁承載力確定樁數時，傳至承臺底面上的作用效應應按正常使用極限狀態下作用的標準組合。標準組合應考慮常規和地震作用兩種情況，由此分別算出的兩種樁數的結果取其最大值作為最終的設計樁數：

常規情況下荷載組合考慮：1∶1恒+活，一種標準組合。地震作用下應考慮：1(恒+0.5活)+1地X+0.38豎地,1(恒+0.5活)-1地X+0.38豎地,1(恒+0.5活)+1地Y+0.38豎地,1(恒+0.5活)-1地Y+0.38豎地,四種標準組合。

2)根據建筑地基基礎設計規范3.0.5-4條：確定承臺內力和配筋時，上部結構傳來的作用效應和相應的基底反力應按承載能力極限狀態下作用的基本組合，采用相應的分項系數。基本組合設計值也應考慮常規(可有風荷載參與)的計算和承臺截面抗震驗算兩種情況，并取其包絡值作為最終的設計依據：

常規情況下荷載組合考慮：1.35恒+0.7×1.4活；1.2恒+1.4活,兩種基本組合；常規和風作用的組合情況下應考慮：1.2恒+1.4活+0.6×1.4風X；1.2恒+1.4活-0.6×1.4風X；1.2恒+1.4活+0.6×1.4風Y；1.2恒+1.4活-0.6×1.4風Y,四種基本組合(活載為第一可變荷載)。

承臺截面抗震驗算時應考慮：1.2(恒+0.5活)+1.3地X+0.5豎地；1.2(恒+0.5活)-1.3地X+0.5豎地；1.2(恒+0.5活)+1.3地Y+0.5豎地；1.2(恒+0.5活)-1.3地Y+0.5豎地,四種基本組合。抗震驗算時，組合的效應設計值應乘以承載力抗震調整系數。

6 結語

設計管樁,要了解它的適用性，在可行的基礎上，要深刻理解所涉及的規范、規程和圖集中的含義，弄清楚管樁在各種工況下的受力情況，根據分析的結果來分別進行計算并且滿足圖集中的各項構造要求。

[1] GB 50068—2001，建筑結構可靠度設計統一標準[S].

[2] GB 50009—2012，建筑結構荷載規范[S].

[3] GB 50010—2010，混凝土結構設計規范[S].

[4] GB 50223—2008，建筑工程抗震設防分類標準[S].

[5] GB 50011—2010，建筑抗震設計規范(2016年版)[S].

[6] JGJ 94—2008，建筑樁基技術規范[S].

[7] GB 50007—2011，建筑地基基礎設計規范[S].

[8] 混凝土結構施工圖平面整體表示方法制圖規則和構造詳圖(16G101-1～3,13G101-11,10G409)[Z].

[9] 建設部工程質量安全監督與行業發展司,中國建筑標準設計研究所.2003全國民用建筑工程設計技術措施結構[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

梁興泉(1981- )，男，工程師

TU473.13

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