抗浮樁剛度對抗浮工程的影響初探

洪 健

(悉地(蘇州)勘察設(shè)計(jì)顧問有限公司,江蘇 蘇州 215000)

1 概述

水浮力是地下結(jié)構(gòu)常見的工況,地下結(jié)構(gòu)抗浮分析和設(shè)計(jì)也是地基基礎(chǔ)工程的重要組成部分[1]。結(jié)構(gòu)的抗浮措施包括降低地下水位,增加結(jié)構(gòu)自重及壓重,采用抗浮樁、抗浮錨桿等等。抗浮樁是比較常用的抗浮措施。

在抗浮結(jié)構(gòu)體系中,樁及地基土、基礎(chǔ)底板與上部結(jié)構(gòu)三者之間形成的相互影響的關(guān)系,彼此作為對方的支座或荷載。例如基礎(chǔ)底板,在重力作用下它是上部柱墻的支座,再把力傳遞給樁基及地基土;在水浮力及地基反力作用下,它又以柱墻作為支座,將水壓力、地基反力及樁反力形成的荷載向上傳遞。隨著角色的變化,底板的計(jì)算假定也各不相同,而樁基、樁間土的剛度將影響底板荷載分配和內(nèi)力計(jì)算。此時(shí),樁剛度作為一個重要參數(shù),將影響抗浮體系的內(nèi)力分布,進(jìn)而影響抗浮體系的功能發(fā)揮。

對于抗浮樁的剛度取值,現(xiàn)有技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)沒有明確的算法。JGJ 94—2008建筑樁基技術(shù)規(guī)范附錄C提供了以下公式(1)[2],用于計(jì)算發(fā)生單位豎向位移時(shí)樁頂軸力可作為受壓樁的豎向剛度,這也被結(jié)構(gòu)分析設(shè)計(jì)軟件PKPM采用。其中ζN,C0等參數(shù)取值受樁類型及地基土質(zhì)的影響,存在一定的取值波動。

(1)

結(jié)構(gòu)分析設(shè)計(jì)軟件盈建科考慮土樁抗拉、抗壓剛度不同的非線性迭代計(jì)算方法進(jìn)行分析和設(shè)計(jì),當(dāng)選擇根據(jù)地質(zhì)資料自動計(jì)算樁剛度時(shí),軟件采用“荷載除以位移”的方法用沉降試算法給出樁剛度(見式(2))。

Kp=Q/S

(2)

軟件對于樁抗拔剛度按缺省抗拔承載力(kN/0.01 m)得到,即假定樁頂位移達(dá)到0.01 m后即抗拔失效。將抗拔剛度和抗拔承載力直接掛鉤,便于操作,也有一定的道理,但影響抗浮樁剛度的因素包括地基土質(zhì)、樁徑、樁長等多種因素,簡單用承載力表示不夠全面。

總之,通過目前既有的計(jì)算方法很難得到特別準(zhǔn)確的抗浮樁剛度數(shù)值。另外,相對于計(jì)算值,樁實(shí)際抗拔剛度可能存在一定的偏差幅度。目前工程實(shí)踐中也沒有明確要求對樁剛度進(jìn)行檢測,所以也影響到樁抗拔剛度的經(jīng)驗(yàn)積累。參數(shù)取值的不準(zhǔn)確勢必會影響計(jì)算結(jié)果的偏差,這種偏差可能使設(shè)計(jì)結(jié)果更保守,也可能使設(shè)計(jì)結(jié)果更不安全。本文擬探求抗浮樁剛度的不同取值對抗浮分析結(jié)果的影響。

2 工程案例分析

某辦公樓,地上4層框架結(jié)構(gòu),地下1層,地下室標(biāo)高約-7.0 m。地基土質(zhì)較好,滿足抗壓要求。結(jié)構(gòu)整體抗浮不穩(wěn)定,因此本項(xiàng)目采用筏板加抗浮樁,樁長10 m。

結(jié)構(gòu)抗浮穩(wěn)定包括整體穩(wěn)定和局部穩(wěn)定。整體穩(wěn)定就是指作為整體,結(jié)構(gòu)提供的抗浮力之和大于浮力之和,整體抗浮失穩(wěn)的宏觀表現(xiàn)即為結(jié)構(gòu)整體上浮并伴隨構(gòu)件破壞等次生破壞。本工程由上部結(jié)構(gòu)自重及壓重產(chǎn)生的整體抗浮穩(wěn)定系數(shù)為0.86,不滿足抗浮要求。因此采用抗浮樁提供額外的抗浮力。經(jīng)計(jì)算,增加抗浮樁后本工程整體穩(wěn)定系數(shù)為1.18,滿足抗浮要求。

整體穩(wěn)定并不等于局部穩(wěn)定。局部穩(wěn)定即為在局部范圍內(nèi)(一塊人為劃分的隔離體)抗浮力大于浮力之和。局部范圍隔離體可以是某范圍的梁柱結(jié)構(gòu)(如塔樓之間的純地庫),可以是某根柱及其相關(guān)的梁形成的網(wǎng)格,也可以是一塊底板。隨著局部隔離體劃分的差別,局部抗浮失穩(wěn)可以分為三種情形:1)隔離體結(jié)構(gòu)整體抗浮力小于浮力,依靠隔離體以外的結(jié)構(gòu)(如塔樓下的地庫結(jié)構(gòu))提供外部抗浮力才不致整體上浮。此時(shí),隔離體內(nèi)結(jié)構(gòu)傳力路徑發(fā)生反轉(zhuǎn),由自上至下變?yōu)樽韵轮辽稀；變舴戳?浮力扣除底板自重)作為荷載,其傳力途徑變成底板→墻柱→頂板梁→相鄰塔樓,與原設(shè)計(jì)假定完全相反。純地庫部分變成類似空腹桁架體系,頂板梁可能出現(xiàn)較大的拉應(yīng)力,此情形必須極力避免。本工程無明顯結(jié)構(gòu)體系分區(qū),因此不存在這種情形。2)將框架柱及其導(dǎo)荷區(qū)域作為隔離體。柱荷載包括向上的浮力導(dǎo)荷和向下的抗浮力導(dǎo)荷,抗浮力大于浮力則柱產(chǎn)生向上托舉的趨勢。此時(shí)若相鄰柱尚有抗浮穩(wěn)定的安全余量,則兩柱之間的梁板將負(fù)責(zé)傳遞兩者的浮力差。這種情形可能造成梁板的額外內(nèi)力,但如果梁板足夠強(qiáng),也可以維持抗浮穩(wěn)定。這種情形與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路也不一致,也應(yīng)該避免。本工程柱網(wǎng)不太均勻,存在局部純地庫柱,上部荷載抗浮力導(dǎo)荷以及下部水浮力導(dǎo)荷不太均勻,抗浮樁承受的反力需要通過計(jì)算確定。3)將柱網(wǎng)內(nèi)的底板作為隔離體。地庫底板的抗浮力是板體及面層自重往往會小于水浮力。由此產(chǎn)生向上的凈荷載和板內(nèi)力。雖然此種情形也可稱為抗浮不穩(wěn)定,但是可通過配筋和調(diào)整板厚來承擔(dān)凈浮力產(chǎn)生的內(nèi)力,而不必考慮上部主體結(jié)構(gòu)受到的浮力造成的內(nèi)力重分布,對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工程造價(jià)來講是可以接受的。這也是結(jié)構(gòu)抗浮設(shè)計(jì)的常規(guī)做法。本工程對結(jié)構(gòu)部分部位(如底板)采取加強(qiáng)措施。

2.1 柱下樁剛度調(diào)整

本文將柱下均布置抗浮樁,不計(jì)樁抗壓承載力及抗壓剛度,以分析各點(diǎn)的拔力。根據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》推薦公式計(jì)算樁抗拔剛度約為100 000 kN/m[3]。鑒于樁剛度參數(shù)取值的偏差以及實(shí)際剛度與計(jì)算剛度之間的偏差,本論文在計(jì)算值的基礎(chǔ)上作一定的調(diào)整,分別按照100 000 kN/m(剛度一)、60 000 kN/m(剛度二)、150 000 kN/m(剛度三)分別建模分析(見表1)。本文采用盈建科結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行抗浮分析[4]。

表1 樁抗拔剛度三種取值

本論文選取較有代表性的樁位作分析對比(見圖1),樁位點(diǎn)包括反力較大的柱下樁和反力較小的柱下樁。典型柱下樁反力計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 柱下樁拔力 kN

根據(jù)計(jì)算結(jié)果樁基結(jié)果大致呈以下規(guī)律:

1)樁反力隨水浮力計(jì)算面積的增大而增大,隨上部荷載的增大而減小。軟件模型計(jì)算結(jié)果與計(jì)算概念假定相符。

2)隨著樁剛度取值的增大,樁拔力在不同柱下(即不同樁間)發(fā)生重分布。樁剛度取值越大,樁拔力分化則更明顯,即拔力大的樁拔力越來越大,拔力小的樁拔力越來越小。

3)受力較小的樁之間拔力的變化不會影響極限狀態(tài),可不必過多關(guān)注。而相對于基準(zhǔn)樁剛度一,樁剛度三模型的部分樁拔力上浮超過10%,這不應(yīng)被忽略。

以上結(jié)果表明,若計(jì)算樁剛度與實(shí)際不符,按計(jì)算結(jié)果設(shè)計(jì)的樁將存在抗拔破壞的風(fēng)險(xiǎn)。而樁抗拔破壞后失效將會影響相鄰樁的拔力和受力狀態(tài),造成連鎖多米諾骨牌效應(yīng)。同時(shí)樁拔力將造成的樁上浮以及樁身開裂,最終導(dǎo)致樁身耐久性變差,樁鋼筋腐蝕,以及樁身完全失效。這種破壞并非快速而明顯的過程,它可能在起初毫無征兆,當(dāng)達(dá)到一定年限,強(qiáng)度或耐久性衰減到一定的程度,或遭遇突發(fā)高水位時(shí),樁則會出現(xiàn)突發(fā)的破壞。

2.2 柱間底板下樁剛度調(diào)整

抗浮樁一般布置在墻柱等承重豎向構(gòu)件下方。但是當(dāng)柱間跨度較大時(shí),柱間底板在水浮力下將會出現(xiàn)較大的內(nèi)力。此時(shí)若在板跨中布設(shè)一定的抗浮樁,則相當(dāng)于在板跨中設(shè)置中間支座,減小板跨從而顯著降低板內(nèi)力。從另一個角度,也可將樁拔力作為板跨中的反向荷載,與水浮力相抵消,從而減少底板的內(nèi)力和變形。兩種假定不同但結(jié)果相同。樁反力的大小取決于樁身上拔的變形,即樁所在位置底板的豎向變形。這與板的豎向剛度有關(guān),也與樁的抗拔剛度有關(guān)。因此,本論文在模型中另外增加了一些板下抗浮樁。這種樁支座同樣不是剛性支座,同樣受諸多因素的影響,需要提供一個計(jì)算樁剛度作為抗浮分析的參數(shù)。本文仍按照表1中參數(shù)分析。本論文選取較有代表性的樁位作分析對比,樁位包括反力較大的柱下樁、反力較小的柱下樁、板下樁及其相鄰的柱下樁。計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 樁拔力 kN

計(jì)算結(jié)果呈以下規(guī)律:

1)板下樁反力與所處筏板區(qū)域的水浮力基本一致,其周邊的柱下樁反力相應(yīng)減小。

2)板下樁受力條件更不利,由于沒有上部結(jié)構(gòu)柱提供抗浮力,樁反力更大。

3)樁剛度取值越大,樁受力不均勻程度就越明顯。

與柱下樁相比,板下樁受樁剛度影響更大,若其受力波動較大,則將可能造成板下抗浮樁先于其他樁破壞,相應(yīng)地浮力將在板間樁和柱下樁之間重新分布,柱下樁反力的增大甚至破壞,將會影響上部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。因此,本論文建議,底板下的抗浮樁宜僅用于板內(nèi)力及配筋計(jì)算,不參與結(jié)構(gòu)整體抗浮計(jì)算,即驗(yàn)算柱墻下抗浮樁時(shí),模型中不布置板內(nèi)抗浮樁。這樣可以保證在極端狀態(tài)下,即使板下樁失效,板出現(xiàn)局部破壞,結(jié)構(gòu)整體抗浮也滿足要求。

2.3 對底板內(nèi)力的影響

由于樁、土、底板及上部結(jié)構(gòu)共同參與工作。底板作為隔離體,既以樁和上部結(jié)構(gòu)作為支座,承擔(dān)著水浮力提供的向上荷載,又通過其自身剛度協(xié)調(diào)上部結(jié)構(gòu)及樁土變形的作用,參與整體受力,從而實(shí)現(xiàn)樁間拔力的分配平衡。樁剛度的變化勢必會造成支承條件的變化,從而影響底板內(nèi)力及變形。計(jì)算程序根據(jù)板下樁和柱墻下樁的剛度及其受荷范圍分配拔力。這是基于彈性地基板以及理想的樁剛度假定條件下的理論值,這種算法在模型建構(gòu)以及方程求解方面很精確。但是這種算法與樁剛度計(jì)算方法的不準(zhǔn)確性以及樁實(shí)際剛度的離散性不吻合,也就無法得到與實(shí)際情況相吻合的內(nèi)力及變形結(jié)果。

本論文選取較有代表性的板位作分析對比,包括板跨中、板支座、板下樁位(見圖2),各板位內(nèi)力包絡(luò)計(jì)算結(jié)果見表4。

表4 底板彎矩 (kN·m)/m

計(jì)算結(jié)果大致呈以下規(guī)律:

1)底板呈現(xiàn)整體彎曲的特征,負(fù)彎矩(板頂)較大,正彎矩(板底)較小,與倒樓蓋模型有區(qū)別。

2)隨著樁剛度的增大,底板的正向彎矩(板頂彎矩)減小,底板的負(fù)向彎矩(板底彎矩)增大。即底板的內(nèi)力幅度加大。這體現(xiàn)出樁支座剛度效應(yīng),支座剛度越大,板受力越接近倒樓蓋假定。

3)板下樁影響板的內(nèi)力及配筋,對板起到有效的支承作用。圖3及圖4為X向板頂計(jì)算配筋量云圖,由于板配筋和內(nèi)里直接相關(guān),這也直觀地體現(xiàn)出彎矩的實(shí)際分布情況。

板內(nèi)力的最直接影響就是板配筋量,板配筋量直接關(guān)系到板的安全性和耐久性。而在目前造價(jià)控制嚴(yán)格的大環(huán)境下,配筋主要甚至完全依靠計(jì)算結(jié)果。因此,出于安全考慮,本論文建議將計(jì)算所得抗拔剛度向上及向下各調(diào)整一定的幅度,形成三個模型,對板配筋作包絡(luò)設(shè)計(jì)。

3 結(jié)論和建議

綜上所述,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析軟件的計(jì)算結(jié)果能從概念上模擬樁反力及基礎(chǔ)底板的內(nèi)力,是一種可行的分析及設(shè)計(jì)手段。當(dāng)樁采用不同的剛度取值時(shí),計(jì)算結(jié)果將會出現(xiàn)波動,有些波動將會使計(jì)算結(jié)果的安全性降低,甚至低于規(guī)范要求。需要強(qiáng)調(diào)的是,樁剛度取值對計(jì)算結(jié)果的影響不是單向的,隨著樁剛度取值的加大,樁反力以及底板內(nèi)力配筋結(jié)果,有些位置計(jì)算值相應(yīng)增大,有些位置計(jì)算結(jié)果相應(yīng)減小,甚至有安全隱患。并非樁剛度取值越大(或越小)計(jì)算結(jié)果就越偏于安全。而日常設(shè)計(jì)分析中往往采用單一樁剛度的計(jì)算結(jié)果,這無疑將會造成局部計(jì)算結(jié)果的失真。

目前結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基于有限元結(jié)構(gòu)分析軟件的分析計(jì)算結(jié)果。在追求工程經(jīng)濟(jì)性的市場環(huán)境下,常常將滿足計(jì)算結(jié)果要求作為控制設(shè)計(jì)的主要準(zhǔn)則甚至唯一準(zhǔn)則。這種設(shè)計(jì)成果將很難應(yīng)對工程中的不確定工況。若計(jì)算分析結(jié)果不夠準(zhǔn)確,將極有可能導(dǎo)致設(shè)計(jì)不滿足結(jié)構(gòu)實(shí)際受力要求,輕則出現(xiàn)地庫底板開裂滲水,重則抗浮樁失效破壞,主體結(jié)構(gòu)梁柱破損,甚至結(jié)構(gòu)整體失穩(wěn)上浮。施工過程中出于質(zhì)量控制及追求安全的考慮,對某單個方面因素(如樁剛度)的加強(qiáng),也有可能對相鄰樁或底板產(chǎn)生不利影響。因此,實(shí)際工程中,根據(jù)多種可能情況,對樁剛度采用多種取值,并根據(jù)各種計(jì)算結(jié)果進(jìn)行包絡(luò)處理是有必要的。

用于降低底板跨度的板下抗浮樁,上部結(jié)構(gòu)幾乎不提供剛度支承,樁剛度影響造成的反力波動更大,更容易出現(xiàn)計(jì)算結(jié)果的偏差。建議底板下的抗浮樁僅用于板內(nèi)力及配筋計(jì)算,不參與結(jié)構(gòu)整體抗浮計(jì)算,以避免板下樁不確定因素造成的整體抗浮風(fēng)險(xiǎn)。

地基基礎(chǔ)以及相關(guān)的上部結(jié)構(gòu)形成相互影響的體系,其中的剛度取值、內(nèi)力分布、變形協(xié)調(diào)等存在互為因果的聯(lián)系。目前對于這些聯(lián)系,各理論之間還沒有實(shí)現(xiàn)完全一致。本論文建議多種計(jì)算理論以及分析軟件之間相互對照,同一軟件下取多種剛度參數(shù)作包絡(luò)設(shè)計(jì)。

目前對于樁抗拔剛度還沒有特別成熟的計(jì)算方法,《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》的公式僅可作為參考,不同參數(shù)取值對樁剛度計(jì)算結(jié)果影響很大。計(jì)算軟件對于樁抗拔剛度也沒有太明確的計(jì)算方法。基樁檢測也沒有明確要求對樁剛度進(jìn)行檢測,因此樁抗拔剛度也沒有太多的經(jīng)驗(yàn)積累。以上現(xiàn)狀影響了抗浮設(shè)計(jì)的精確計(jì)算。而樁的剛度值對抗浮計(jì)算精確性有很大影響,建議相關(guān)部門及科研單位盡早提出樁剛度的計(jì)算及檢驗(yàn)方法。

實(shí)際受力狀態(tài)與分析結(jié)果不符造成的最嚴(yán)重問題就是樁拔力過大導(dǎo)致抗拔失效。影響拔力分析結(jié)果的另一個因素即抗浮水位的取值也至關(guān)重要。場地高低起伏可能造成不同位置的地下水位有所差別,突發(fā)性強(qiáng)降水可能造成地下水位急劇升高,甚至出現(xiàn)水盆效應(yīng)。在高低起伏的場地,地面高差以及抗浮水位出現(xiàn)幾十厘米的波動并不少見,這種波動對于大柱網(wǎng)地下室的抗浮樁來講也是十分可觀的,應(yīng)予以足夠的重視。應(yīng)結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)及現(xiàn)場實(shí)際情況,充分考慮施工及使用期間抗浮水位提高的可能性。