抗拔桩怎样设计更合理？

作者：党昱敬 来源：土木吧

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作者简介：

党昱敬，男，陕西大荔人，教授级高级工程师，国家注册土木工程师（岩土），主要从事地基与基础、岩土工程的研究、设计和咨询工作。E-mail:[e-mail]

编者按：建筑物被动抗浮设计中，作为主要锚固体的抗拔桩的抗裂耐久性问题，一直备受工程设计界所关注。党昱敬是较早提出将钢筋混凝土预应力技术应用到抗拔桩设计计算理论探索者之一。

0 引言

普通抗拔桩受拉后拉区混凝土开裂较早 ,过早的 开裂使得抗拔桩一直处于带裂缝状态下工作 ,为了控 制裂缝 ,通常增加受拉钢筋 ,即使这样也难免有裂缝出 现 ,这种做法既没有充分发挥受拉钢筋的特点 ,又没有 完全根治裂缝产生 ,极易使钢筋受到地下水侵蚀 ,直接 影响其耐久性[1 ,2] 。根据近几年的工程实践 ,结合理论 研究分析提出一种解决抗浮问题的有效方法 ,采用拉力分散型预应力混凝土抗拔桩提供的抗力平衡由于基 础处于超补偿状态的水浮力 ,其与传统的普通抗拔桩相比在不增加工程成本前提下 ,作为永久性抗浮措施技术性更加合理 ,具有重要的工程意义。

1 拉力分散型预应力混凝土抗拔桩的理论研究 

1.1  问题的提出

北京某工程抗拔桩的设计分别按承载能力极限状态和正常使用极限状态进行设计计算 ,根据该工程地质报告提供的场地的水文条件和基底布桩情况 ,要求 抗拔桩单桩承载力设计值不得低于 369kN。根据规范 GB50010 —2002 中耐久性的要求 ,取桩身混凝土强度等 级为 C30。桩纵筋为 HRB335 级钢筋 ,通长配筋 ,桩长 11.2m。根据承载能力极限状态计算 ,抗拔桩的纵筋取 4Φ20 即可满足强度设计要求 ;但按正常使用极限状 态进行裂缝宽度验算 ,不能满足小于 0.2mm 的控制要 求。将纵筋配筋提高至 8Φ20 ,计算裂缝最大宽度为0.16mm ,小于 0.2mm ,满足控制要求[2] 。由工程桩的计 算结果可以看出 :1) 抗拔桩的纵筋配筋取决于裂缝控制要求而非桩身承载要求 ,根据正常使用极限状态控制的配筋量比根据承载能力极限状态控制要求的钢筋量大 2～2.5 倍 ;2) 以耐久性为控制条件时 ,工程中钢筋的强度仅为117～136N/mm2 ,远低于钢筋抗拉强度设 计值 ,其强度没有充分发挥 ,经济效益低下。因此有必 要对这种结构形式进行改进。

1.2 拉力分散型预应力混凝土抗拔桩

预应力抗拔桩是在普通抗拔桩的基础上采用预应力技术 ,即采用高强钢丝(预应力筋 ,通常用7股钢绞线) 取代普通抗拔桩中抗拉要求纵向主筋的截面面积以外的纵向受拉钢筋(非预应力筋 ,通常用 HRB335 级钢筋) ,在构件受外荷之前 ,对预应力筋进行张拉锚固 , 用以减小或抵消外荷作用时在混凝土中产生的拉应 力 ,这样既合理地利用了钢筋(丝) 和混凝土这两种材料的受力特点 ,又能充分满足桩与土之间的抗拔侧阻 力及桩身自重所提供的承载力 ,同时还有效地提高了 抗拔桩的抗裂性 ,其设计计算方法与钢筋混凝土结构中预应力轴心受拉构件一致 ,不再赘述。抗拔桩桩身 轴力沿桩长的分布规律为[4] :

式中 : T(z) 为距桩顶任一截面处的桩身轴力( kN) ; l 为桩长(m) ; z 为桩身任一截面距桩顶的距离(m) ; Ta 为 抗拔侧阻力及桩身自重所提供的承载力 ,按下式计算 :

式中各参数含义见文[2] ,[3] 。

桩径 Φ400、桩长 l = 12m 和 Φ600、桩长 l = 12m 的 抗拔桩在控制截面 1-1(桩顶处) 、控制截面 2-2 (距桩顶 1/3 桩长处) 、控制截面3-3(距桩顶1/2 桩长处) 、控制截 面4-4(距桩顶2/3 桩长处) 的裂缝控制分析计算结果见 表 1。表中的分析计算是在满足裂缝控制等级为一级 时预应力筋被充分利用的结果 ;考虑到便于施工 ,不使 配筋过于复杂 ,除非预应力筋根据文[ 1 ]要求通长布置 外 ,抗拔桩桩长 l = 12m ,桩径分别为 Φ400 ,Φ600 的预 应力筋布置可见图 2。拉力分散型预应力抗拔桩就是在预应力抗拔桩的 基础上根据桩身轴力沿桩长的分布规律分段布置不同数量的预应力筋 ,使其在桩长范围内任意截面的材料 强度得以充分发挥。

1.3 拉力分散型预应力混凝土抗拔桩的经济指标

北京市朝阳区枣营路附近某工程采用普通抗拔 桩 ,该工程设计者采用分段布置不同钢筋 ,抗拔桩设计 参数为 :桩长 11m ,桩径 Φ600 ,主筋布置见图 3 ,主筋采 用 HRB335 级钢筋 ,混凝土强度等级为 C30 ;若改用拉 力分散型预应力抗拔桩 ,抗拔桩设计参数为 : 桩长 11m ,桩径 Φ600 ,非预应力筋采用 HRB335 级钢筋 ,通长 配置 10Φ18 ,混凝土强度等级为 C40 ,预应力筋布置见 图 4 ;设计单桩抗拔承载力特征值均为 600kN ;两种不 同类型抗拔桩的经济技术指标分析见表 2。

由表 2 分析计算结果可知 ,普通抗拔桩和拉力分 散型预应力抗拔桩在提供同等抗力时 ,虽然根据北京市两种工法材料和施工造价计算其施工总费用一样 , 但拉力分散型预应力抗拔桩采用无粘结钢绞线 ,构成多层防腐 ,且混凝土体受压 ,没有开裂现象 ,有效地提 高了抗拔桩的耐久性。

2 拉力分散型预应力混凝土抗拔桩的设计 

根据规范[1-3]规定、工程实践和以上对拉力分散型 预应力抗拔桩的理论分析及对拉力分散型预应力抗拔 桩和普通抗拔桩的经济技术性比较 ,在设计抗拔桩时 应遵循以下原则。

(1) 抗拔桩因处于与水或土壤直接接触的环境 ,裂 缝控制必须满足文[2]的一、二级要求 ,这也正是文[ 1 ] 对抗拔桩抗裂验算的目的 ,所以应采用拉力分散型预 应力抗拔桩。

(2) 拉力分散型预应力抗拔桩属于摩擦型桩范 畴 ,在施工条件许可情况下 ,宜采用较小直径的抗拔桩 ,以增加侧阻效率。

(3) 拉力分散型预应力抗拔桩非预应力主筋截面 面积根据抗拔桩所提供的抗力特征值进行计算 ,其值 不小于文[1 ]规定的灌注桩最小配筋率 ,并通长布置 , 箍筋按文[1]对灌注桩的规定要求进行配置 ;预应力主 筋截面面积根据式 ⑴抗裂验算进行配置 ,采用后张法 一端固定、桩顶一端张拉施加预应力 ,当混凝土强度达 到 100 %后方可进行预应力张拉。

3 施工工艺和构造措施 

拉力分散型预应力混凝土抗拔桩中的预应力筋锚 固端和张拉端机具分别见图 5。拉力分散型预应力混 凝土抗拔桩的施工工艺和构造措施除满足普通抗拔桩 要求外 ,对预应力筋锚固端和张拉端还应满足以下构 造措施。

(1) 根据预应力筋设计长度将锚固端固定在箍筋 内侧 ,并采用涂抹环氧树脂对锚固端进行防腐处理 ,预 应力筋沿桩周边均匀。

(2) 张拉端锁定在上部结构钢筋混凝土底板顶部 , 上部结构钢筋混凝土底板施工时 ,将承压板预埋在距 板顶 100mm 处 ,并在上部结构钢筋混凝土底板顶部对每一根预应力筋周围预留 直径为 Φ50 ,深度为 100mm 的孔槽 ,以放置张拉端杯套 管 ,张拉锁定完毕 ,截断高 出底板顶部部分预应力筋 , 尽快在张拉端锚具上涂抹 环氧树脂 ,并用微膨胀水泥 砂浆封堵 ,见图 6。

(3) 桩头防水构造措施 做法见文[4] ,不再赘述。

4 结语

过去惯用的普通抗拔桩不但桩身材料强度存在两 种材料在数量和强度上极不匹配的问题 ,而且普通抗 拔桩对裂缝控制上只是限制裂缝宽度 ,无法满足规范 GB50010 —2002 中一、二级要求。根据桩身轴力沿桩长 的分布规律和预应力技术分析论证了拉力分散型预应 力抗拔桩的可行性 ,并提出拉力分散型预应力抗拔桩 的设计方法。

对于抗拔桩《, 建筑地基基础设计规范》( GB50007 — 2002) 要求进行抗拔验算及桩身抗裂验算 ;拉力分散型 预应力混凝土抗拔桩纵向受拉主筋由非预应力筋和预 应力筋组成 ,用非预应力筋和预应力筋分别进行抗拔 验算及桩身抗裂验算 ;抗拔桩处于与水或土壤直接接 触的环境 ,因此《建筑地基基础设计规范》( GB50007 — 2002) 所要求的桩身抗裂验算必须满足《混凝土结构设 计规范》( GB50010 —2002) 一、二级要求 ,拉力分散型预 应力抗拔桩通过合理设计既能满足抗拔要求又能满足 桩身抗裂要求 ,而且也不增加工程成本 ,所以该设计方 法具有特别重要的工程实际意义。

参 考 文 献

[1 ] 建筑地基基础设计规范( GB50007 —2002) [ S]. 北京 :中国建筑工 业出版社 ,2002.

[2 ] 混凝土结构设计规范( GB50010 —2002) [ S]. 北京 : 中国建筑工 业出版社 ,2002.

[3 ] 建筑桩基技术规范 (J GJ94 —94) [ S]. 北京 :中国建筑工业出版 社 ,1995.

[4 ] 陈仲颐 , 叶书鳞. 基础工程学[M]. 北京 :中国建筑工业出版社 , 1991.

[5 ] 地下工程防水技术规范( GB50108 —2001) [ S]. 北京 :中国计划出 版社 ,2001.

[6 ] 张尚根等. 抗拔桩的变形分析[J ]. 工业建筑 ,2002 ,32 (11) .

[7 ] 特种结构地基基础工程手册[M]. 北京 :中国建筑工业出版社 , 2000.

[8 ] 党昱敬. 消除液化土沉陷措施灌注桩法与振冲碎石桩法设计应 用探讨[J ]. 建筑科学 ,2006 (2)