上海市某地下車庫樁筏基礎設計

奚震勇楊 寧 張 濤 姜慧峰

（同濟大學建筑設計研究院（集團）有限公司，上海200092）

0 引 言

隨著中國經濟的高速發展，上海大都市城市化水平正在快速提高。但城市人口、資源、環境三大危機也日益嚴重，除了采取綜合性的治理、經濟措施外，合理開發和利用地下空間將是醫治“城市綜合癥”，實施城市可持續發展的重要途徑［1］。隨著建筑空間從廣度向深度不斷拓展，像上海市等地下水位較高的城市，地下水產生的浮力對地下結構的影響尤為突出。地下結構抗浮失效案例時有發生，應引以為戒［2-3］。本文以上海市某地下車庫為例，探討了采用抗拔樁解決地下結構抗浮設計關鍵技術問題的設計思路和方法，可供類似工程設計時參考。

1 工程背景

1.1 建筑概況

某地下車庫位于上海市浦東新區森蘭外高橋城市綜合體的中心廣場下。建筑性質與功能為廣場用地、地下車庫。地下車庫共有2層，本工程地下車庫用以彌補鄰近城市綜合體地下停車不足，同時也服務地區公共社會泊位的需求。地下2層由于需和鄰近城市綜合樓連通且需通行公交巴士，建筑層高取為6.0m，地下1層建筑層高為4.8 m。地上建筑首層相對標高±0.000 m相當于絕對標高為5.100 m，室內外高差為0.15 m，地下室頂板相對標高為-1.200 m。地面廣場效果圖見圖1。

圖1 地面廣場效果圖Fig.1 Squares renderings

地下車庫局部剖面圖見圖2。

圖2 地下車庫局部剖面圖Fig.2 Sectional view of underground garage

1.2 地下結構概況

地下室內部采用鋼筋混凝土框架結構體系，地下室四周采用鋼筋混凝土擋土墻。地下室頂蓋和地下1層樓蓋采用鋼筋混凝土梁板式結構，基礎采用樁筏基礎，地下車庫抗浮采用抗拔樁錨固抗浮法。地下室不設永久結構縫。主體結構設計使用年限為50年，結構安全等級為二級。

2 工程地質條件和水文條件

2.1 地質條件

本工程位于上海市浦東新區，靠近上海市外高橋保稅區，灌注樁計算參數見表1。

2.2 水文條件

本場地淺部土層中的地下水屬潛水類型，勘察期間實測取土孔中顯示的地下水穩定水位埋深在0.70～1.50 m之間，相應標高2.58～3.84 m。根據巖土工程勘察報告建議，本工程最高地下水位取埋深0.50 m，最低地下水位取埋深1.5 m。

表1 灌注樁計算參數表Table 1 Calculation parameters for casting pile

3 抗拔基樁設計

3.1 樁基選型

根據工程地質與水文地質條件、周邊環境條件、耐久性要求和當地成熟的成樁工藝確定抗拔樁樁型，上海地區抗拔樁可采用灌注樁或預制樁。由于預制樁為擠土樁，對鄰近城市綜合體可能產生不利影響，為安全起見，本工程樁型選用鉆孔灌注樁。

3.2 單樁承載力特征值計算

3.2.1 所需抗拔樁承載力估算

本工程以8.4 m跨柱網為主，經手算，柱網尺寸8.4 m×8.4 m范圍內，G=4200kN，S=8500kN，抗拔樁承載力特征值可根據式（1）［4］進行估算。

式中：G為恒載標準值；S為地下水對建筑物的浮托力標準值；K為地下結構抗浮安全系數，一般取1.05；R為基樁抗拔承載力特征值；n為抗拔樁數量。

算得當抗拔承載力特征值不小于1 125 kN時，柱網8.4 m×8.4 m范圍的抗拔樁數量為4根。

3.2.2 單樁抗拔力特征值計算

單樁抗拔承載力特征值取群樁基礎呈非整體破壞時和整體破壞時的單樁抗拔承載力特征值的較小值［5］。

（1）群樁呈非整體破壞時基樁的抗拔承載力特征值可根據式（2），樁呈整體破壞時基樁的抗拔承載力特征值可根據式（3）計算。

式中：Nk為按荷載效應標準組合計算的基樁拔力；Tuk為群樁呈非整體破壞時基樁的抗拔極限承載力標準值；Tgk為群樁呈整體破壞時基樁的抗拔極限承載力標準值；Gp為基樁自重，地下水位以下取浮重度；Ggp為群樁基礎所包圍體積的樁土總自重除以總樁數，地下水位以下取浮重度。

采用直徑為600 mm、樁長為36 m的灌注樁，根據計算，當抗拔群樁樁距不大于2.6倍基樁直徑時，單樁抗拔承載力特征值由式（3）控制；當抗拔群樁樁距大于2.6倍基樁直徑時，單樁抗拔承載力特征值由式（2）控制。本工程群樁間距不小于3.5 d，單樁抗拔承載力特征值由式（2）控制，基樁的抗拔承載力特征值為1 200 kN。

4 樁筏基礎設計

4.1 筏板選型

平板式筏板具有傳力路徑簡單直接、施工簡單便利、工期短、綜合造價低等優點，與梁板式基礎相比，平板式筏板基礎的綜合經濟效應較明顯［6］。本工程采用平板式筏板。

4.2 簡化模型的數值計算分析

4.2.1 簡化柱網尺寸

由于本地下車庫柱網尺寸較多，從3.9 m到12.0 m共有14種尺寸，為方便研究，采用7×7跨，單跨跨距8.4 m的等間距柱網。

4.2.2 設計工況

（1）地下結構樁基整體受力分為兩個階段：施工階段和使用階段。施工階段地下水位于基坑底面下0.5 m處，使用階段最高地下水位位于場地地面以下0.5 m處。基樁受力歷程為：受壓→零受力→受拉。

（2）從地下結構開始施工到整個使用周期內，以柱荷載和水浮力為變量進行組合，可能遇到的設計工況［7］包括：工況1使用階段水浮力最大，柱壓力最大；工況2使用階段水浮力最大，柱壓力最小；工況3使用階段水浮力最小，柱壓力最大；工況4使用階段水浮力最小，柱壓力最小；工況5施工階段無水浮力，柱壓力最大。可以預見，設計工況1和工況5是筏板受力的控制設計工況。

4.2.3 布樁方案

在樁數不變的條件下，為了分析不同布樁方案對樁筏基礎受力規律的影響，采用4種不同的布樁方案，見圖3。

圖3 布樁方案示意圖Fig.3 Pile-laying schemes

4.2.4 計算軟件

樁筏基礎計算軟件采用北京盈建科軟件股份有限公司YJK-F軟件。計算方法采用樁筏筏板彈性地基梁法［8］。

4.2.5 主要計算參數

幾何信息：柱截面尺寸為700 mm×700 mm；樁基進入筏板深度為50 mm，即筏板底部混凝土保護層厚度為50 mm。材料信息：混凝土強度等級為C35級，受力鋼筋牌號HRB400。力學參數：參考鄰近城市綜合體的抗拔試樁報告，抗拔基樁豎向剛度為3.125×105kN∕m；抗壓基樁豎向剛度為4.75×105kN∕m。地下水壓力信息、基樁承載力信息等見上述說明。

4.2.6 計算結果分析

（1）筏板厚度的確定。根據YJK-F軟件的計算結果，除柱下基樁以外，設計工況①時，筏板承受抗拔樁拔力最大值為1 600 kN，設計工況⑤時，筏板承受抗壓樁壓力最大值為1 400 kN，經過筏板抗沖切承載力計算，筏板厚度取為600 mm。

（2）柱墩型式和尺寸的確定。根據YJK-F軟件的計算結果，600 mm厚筏板柱下抗沖切承載力不足，柱下筏板需要局部加厚。柱下筏板局部加厚的方法有向下加厚（以下簡稱下柱墩）和向上加厚（以下簡稱上柱墩），下柱墩和上柱墩形式示意圖見圖4。

圖4 柱墩型式示意圖Fig.4 Column pier diagram

設計工況1為筏板抗沖切承載力的控制設計工況，設計工況1和不同布樁方案的筏板柱墩尺寸見表2。

表2 筏板柱墩尺寸計算Table 2 Column pier dimension

表2分析說明：①布樁方案2、3，在設計工況1時，筏板沖切荷載為柱下壓力+抗拔樁拉力，由于抗拔樁的存在，增大了柱下沖切荷載；②布樁方案1、4柱下無基樁，沖切荷載即為柱下壓力。

《混凝土結構設計規范》（GB 50010—2010）［9］未給出集中拉力作用下的板抗沖切承載力公式，為安全起見，采用集中壓力作用下的板抗沖切承載力公式。

（3）基樁受力均勻性分析。基樁均勻性可由基樁均勻系數體現出來，基樁均勻系數是指基樁的平均受力與基樁的最大受力之比值（絕對值之比）。布樁方案2、3，在不同設計工況時基樁受力均勻性分析見表3。

表3 基樁受力均勻性比較Table 3 Comparison of uniformity of piles

布樁方案1、4時，各基樁和柱間距相同，各基樁受力一致。布樁方案2、3時，基樁均勻系數小于1，反映出各基樁受力不一致。布樁方案2、3的基樁均勻系數較接近。

（4）各方案筏板彎矩比較分析和配筋量分析。不同設計工況，不同布樁方案的筏板彎矩比較見表4。

表4 各方案筏板彎矩比較Table 4 Comparison of bending moment of raft

①設計工況1時，柱下筏板彎矩由小到大的布樁方案為：方案4＜方案2＜方案3＜方案1；跨中筏板彎矩絕對值由小到大的布樁方案為：方案4＜方案2＜方案3＜方案1。反映出設計工況1時，基樁越接近筏板中心點，筏板下水浮力傳遞給基樁支座的路徑越短，柱下筏板彎矩越小、跨中筏板彎矩絕對值越小。②設計工況5時，柱下筏板彎矩由小到大的布樁方案為：方案2＜方案3＜方案1＜方案4；跨中筏板彎矩絕對值由小到大的布樁方案為：方案1＜方案2＜方案4＜方案3。反映出設計工況5時，基樁越接近柱下，樁頂壓力傳遞給柱支座的路徑越短，柱下筏板彎矩越小、跨中筏板彎矩絕對值越小。③筏板配筋設計時，需根據不同設計工況的最不利彎矩進行包絡設計，從表4可知，布樁方案4可使筏板配筋量最小，而布樁方案1的筏板配筋量最大，布樁方案2和3的筏板配筋量在布樁方案1和4之間。

4.3 工程應用

4.3.1 抗拔樁設計

（1）本工程抗拔樁采用鉆孔灌注樁，抗拔樁配筋由裂縫寬度限值控制，最大裂縫寬度限值取0.3 mm［5］。

（2）抗拔樁身范圍土層為非硬黏土，抗拔樁的破壞形態為沿樁-土側壁臨界剪破［10］，樁頂部拉力最大，樁身拉力隨樁長方向向下逐漸減小。為此，基樁縱向鋼筋沿樁長分兩批截斷，基樁配筋分3段設計。

4.3.2 樁筏基礎設計

（1）抗拔樁數量的確定是樁筏基礎設計的第一要素。本工程初步設計階段采用布樁方案1，總樁數為850根，施工圖設計階段采用以布樁方案3為主的布樁方案，總樁數下降為787根，節約了7.5%的工程樁。原因是本工程軸網尺寸多達14種，布樁方案1在柱下形成一個個“孤島”，各自為戰，未能充分發揮基樁承載力；而布樁方案3布樁靈活性強，可較充分地發揮基樁承載力。施工圖樁位平面布置圖（局部）見圖5。

圖5 樁位平面（局部）示意圖（單位：mm）Fig.5 Pile-laying schemes（Unit：mm）

（2）當筏板在柱下抗沖切承載力不足時，可采用上柱墩或下柱墩形式局部加厚筏板。由于上柱墩經濟性和施工便利性優于下柱墩，本工程柱下筏板局部加厚采用上柱墩形式［11］。當設置上柱墩仍不能滿足抗沖切承載力需求時，可設置下柱墩或采用柱下筏板配筋方式加強。參考無梁樓蓋托板設計，將上柱墩視為框架柱的托板，托板邊長取跨度的1∕5，通過加大上柱墩的邊長，可以減小筏板的配筋量。

（3）筏板配筋設計。筏板配筋設計應取不同設計工況的最不利彎矩進行包絡設計，并滿足最小配筋率的構造要求。

5 結 語

（1）單樁抗拔承載力特征值應取群樁基礎呈非整體破壞時和群樁基礎呈整體破壞時的較小值。

（2）現行設計規范未給出集中拉力作用下的板抗沖切承載力公式，為安全起見，可采用集中壓力作用下的板抗沖切承載力公式。

（3）筏板在柱下抗沖切承載力不足時，柱下筏板局部加厚宜優先采用上柱墩形式。當設置上柱墩仍不滿足抗沖切承載力需求時，可設置下柱墩或采用柱下筏板配筋方式加強。

（4）布樁方案2、3，柱下基樁與板中基樁的受力不均勻，不均勻性與筏板厚度成正比，筏板厚度不能過薄。

（5）布樁方案應優先采用方案4；當柱網尺寸種類較多時，可采用方案3或方案3和方案4的混合布樁方案。方案2與方案3受力性能相近，布樁靈活性遜于方案3。方案1更適合抗壓工況，抗拔工況不適宜。