抗拔樁設計成本控制因素探討

朱正宜

（廣州地鐵設計研究院股份有限公司，廣東 廣州 510030）

1 抗拔樁常規設計方法

地鐵結構抗浮設計時，一般情況先計算該設計部位浮力以及結構自重、覆土自身的抗浮力，若自身質量不足以抵抗浮力，再考慮利用兩側圍護結構的重力及摩阻力。當結構寬度大、底板埋深大、覆土淺，前述抗浮力仍不足時，則需要考慮設置抗拔樁等其他抗浮措施。

《建筑工程抗浮技術標準》（JGJ 476—2019）關于抗浮計算要求如公式（1）所示。

式中：為建筑結構自重、附加物自重、抗浮結構及構件抗力設計值總和（kN），該文為便于區分，后續按=（建筑結構自重）+（覆土自重）+（圍護結構自重）+（圍護結構抗浮力）+（抗拔樁抗拔力）；N為浮力設計值（kN）；K為抗浮穩定安全系數，見表1。

表1 建筑工程抗浮穩定安全系數Kw

該工程抗浮等級為甲級，抗浮安全系數施工期按1.05考慮，使用期按1.1考慮。

由于常規抗浮樁設置于框架柱或底縱梁下，抗浮樁間距一般超過3倍樁徑。為簡化研究，本次不考慮群樁效應。

地鐵抗浮計算通常采用斷面計算，即選取典型橫斷面計算單位長度內浮力值、抗浮力值。當抗浮安全系數不滿足要求時，則增設抗浮樁。

式中：T為群樁的總抗拔承載力（kN）；為計算范圍抗拔樁數量（根）；Q為單根抗拔樁極限承載力特征值（kN）；G為單樁容重（kN）；Q為單根抗拔樁極限承載力標準值（kN）；為樁身直徑（m）；λ為抗拔系數；q為樁側表面第層土黏結強度標準值（kPa）；l為第層土內的樁長（m）。

樁身裂縫宜采用抗拔樁極限承載力特征值控制，裂縫寬度應符合下列規定，如公式（2）所示。

式中：為按荷載效應標準組合計算的最大裂縫寬度，mm；為最大裂縫寬度限值，該工程按0.2mm考慮。樁身的裂縫控制等級及最大裂縫寬度限值見表2。

表2 樁身的裂縫控制等級及最大裂縫寬度限值

2 某車站抗拔樁設計

南昌某地下三層車站，車站結構總寬度25.9m，總高度20.2m，頂板覆土約2.93m。基坑深度23.33m，采用1m厚地下連續墻，疊合墻形式。結構橫斷面如圖1所示。

圖1 結構橫斷面布置圖（單位：m）

場地范圍自上而下依次為①1雜填土、③1粉質黏土、③5礫砂、③6圓礫、③6j礫砂、⑤1-1強風化泥質粉砂巖、⑤1-2中風化泥質粉砂巖、⑤1-3微風化泥質粉砂巖。抗浮計算取地下水位至地面處，地墻摩阻力僅考慮坑底以下擾動較小部分。抗拔樁土層設計參數見表3。

表3 抗拔樁設計巖土參數

取縱向柱跨7m作為單元進行抗浮驗算，抗浮水位取至地面。其驗算過程：1）浮力設計值N=25.9×20.2×10×7=36622.6kN。2）結構自重1=93.99×25×7+13.8×0.8×1.2×25×2=17110.65kN（注：橫斷面面積93.99m，柱截面0.8m×1.2m，柱總高13.8m）。3）覆土浮容重2=25.9×2.93×（18-10）×7=4249.67kN。4）圍護結構自重3=27×1×（25-10）×2×7=5670kN。

由于++<N，因此須考慮圍護結構摩阻力參與抗浮。圍護結構抗浮力，僅考慮坑底以下擾動較小部分地墻摩阻力。因此，=1834.924×7×2=12844.468kN。由于K=/N=1.089，小于抗浮安全系數1.1，考慮設置抗拔樁。抗拔樁承載能力須滿足N×K-（+++）=6080.07kN。

由于設置抗拔樁后對結構受力改變較大，須建立模型計算樁頂荷載。采用SAP2000平面模型，按抗浮工況計算樁頂荷載結果。根據計算結果，若縱向跨度7m內只設置2根抗拔樁，則每根抗拔樁樁頂承受上拔力為498.26×7=3487.82kN。可見11m樁長不能滿足要求。經試算，樁長取11.5m，單樁抗拔極限承載力設計值為3519kN，安全系數1.28，滿足抗浮要求。若縱向跨度7m內設置4根抗拔樁，則每根抗拔樁樁頂承受上拔力為498.26×7/2=1743.835kN。經試算，樁長取6m，單樁抗拔極限承載力設計值為1761kN，安全系數1.28，滿足抗浮要求。

下文對抗拔樁設計參數對鋼筋抗拉強度發揮及抗拔樁成本的影響進行探討，以此明確方案的經濟性。

3 抗拔樁設計參數對成本的影響

抗拔樁基本情況如下：1）總抗力3500kN左右，樁長、樁徑和樁數變化。2）受力鋼筋HRB400，保護層厚度70mm。3）材料單價HRB400級螺紋鋼5240元/t，C35混凝土535元/m。由于上部空樁長度17.57m，因此一并考慮空樁對成本的影響。

3.1 樁徑對抗拔樁成本的影響

將樁長保持在11.5m，總承載力和裂縫盡可能接近控制值。將不同樁徑及不同鋼筋直徑情況進行對比，見表4。

表4 樁長不變，樁徑、樁數變化對比表

從表4可以看出：①總抗拔力固定，樁長和鋼筋直徑相同，隨樁徑的增加，鋼筋強度發揮度雖有提高，但是并不明顯，鋼筋的用量差別不大，混凝土的用量變化較大，抗拔樁的成本由混凝土量決定；②樁長和鋼筋直徑相同，樁徑越大，抗拔樁比表面積越小，單方抗拔力越小，混凝土的用量越多，抗拔樁總成本越大。樁徑越大，空樁在成本中占比越大。因此可以看出，抗拔樁盡量考慮樁徑較小的方式。樁長相同的情況下，樁徑越大單樁承載力越大，在總承載力需求一定的情況下，單樁調節幅度大，容易產生較大偏差。

3.2 樁長對抗拔樁成本的影響

樁徑保持不變，總承載力和裂縫盡可能接近控制值。將不同樁長及不同主筋直徑情況進行對比，見表5。

從表5可以看出：總抗拔力固定，樁徑相同的情況下，隨著樁長增加，鋼筋強度雖然提高了，但是并不明顯，鋼筋的用量差別較大，混凝土的用量變化不大，抗拔樁的成本由鋼筋用量決定。

表5 樁徑不變，樁長、樁數變化對比表

3.3 鋼筋直徑對抗拔樁成本的影響

樁徑、樁長不變，總承載力和裂縫盡可能接近控制值。僅調整主筋直徑，對比不同鋼筋直徑情況。通常都會選取3種樁徑下總造價最低的樁長、樁數方案，并對比不同主筋直徑對造價的影響，見表6。從表6可以看出，同一樁長樁徑情況下，鋼筋直徑小，有利于提高鋼筋強度，總鋼筋的用量差別不大。但實際配置時要注意鋼筋間距須滿足最小間距要求。通過縱向對比，可以看出樁徑較小的0.6m方案總成本相對較低，設計中宜優先考慮較小直徑抗拔樁方案。受力鋼筋直徑亦采用細密布置原則。由于抗拔樁設置于底縱梁下，將改變底縱梁受力模式，因此樁數選擇要結合結構形式及抗浮工況下底板受力情況綜合確定。

表6 樁徑不變，樁長、樁數變化對比表

4 方案選定

根據車站結構形式，車站為雙柱三跨車站，中間設置兩道縱梁。抗拔樁理想位置是柱底，其次為縱梁下方。同時考慮抗拔樁間距須大于3倍樁徑，因此該車站抗拔樁的平面主要有以下2個方案。

4.1 每跨兩樁方案

抗拔樁布置在框架柱與底縱梁交叉點位置，縱向間距7m，一個計算斷面內布置2根抗拔樁，樁徑可采用0.6m、0.8m、1m、1.2m，滿足樁間距大于3倍樁徑。

4.1 每跨四樁方案

抗拔樁布置在框架柱與底縱梁交叉點位置及底縱梁中部，縱向間距3.5m，一個計算斷面內布置4根抗拔樁，樁徑可采用0.6m、0.8m，滿足樁間距大于3倍樁徑。根據前述方案布置，對以下方案進行對比，可以看出樁徑0.6m，每跨布置4根抗拔樁時總成本最低，見表7。因此本站宜選擇φ600樁徑，9.8m樁長，每跨布置4根的方案。

表7 結合平面布置方案對比表

5 結語

對具體案例的研究，影響抗拔樁設計方案及造價的因素很多，具體設計時要注意以下4個方面：1）樁徑越小，比表面積越大，單方抗拔力越大，混凝土用量越少，總成本相對較低，抗拔樁布置時盡量選擇細密的布置方式。2）樁長越長，鋼筋抗拉強度越低，單方鋼筋用量越大，總費用越高；樁徑相同的情況下，隨樁長的增加，鋼筋強度發揮度雖有提高，但是并不明顯，鋼筋的用量差別較大，混凝土的用量變化不大，抗拔樁的成本由鋼筋用量決定。但空樁對成本造成一定的影響，設計時應注意。3）同一樁長樁徑情況下，鋼筋直徑小有利于提高鋼筋強度，總鋼筋的用量差別不大。但實際配置時要注意鋼筋間距須滿足最小間距要求。4）抗拔樁對結構受力有一定影響，設計時要結合車站結構形式，合理選擇樁的位置與數量。