1、18 工程勘察 Geotechnical Investigation Surveying 2010 年第 7 期抗拔桩设计参数的合理选用雷晓雨1， 申雪静2， 闫明礼3( 1. 天津大学建筑工程学院 ， 天津 300072; 2. 上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院 ， 上海 200240;3. 中国建筑科学研究院地基所 ， 北京 100013)摘要 : 当地下水位较高时 ， 地下车库等附属建筑物不得不对抗浮问题进行考虑 ， 抗拔桩被越来越多地应用于工程中 。本文针对目前抗拔桩设计中采用大桩径大桩长造成抗拔桩成本过高的问题 ，根据规范的设计方法 ， 模拟工况 ， 给出不同情况的抗拔桩设计方案
2、， 通过分析得出影响抗拔桩中受拉钢筋强度发挥水平及成本的因素 ， 得到这些因素对抗拔桩中受拉钢筋强度发挥水平及成本影响的一般规律 ， 并通过对算例的分析 ， 结合实际情况 ， 给出了合理的抗拔桩设计参数 。关键词 : 抗拔桩 ; 抗拔力 ; 整体破坏中图分类号 : TU473. 1 文献标识码 : BRational selection of design parameters for uplift pilesLei Xiaoyu1， Shen Xuejing2， Yan Mingli3( 1. School of Civil Engineering， Tianjin University，
3、Tianjin 300072， China;2. School of Naval Architecture， Ocean and Civil Engineering， Shanghai Jiao Tong University， Shanghai 200240， China;3. The Institute of Foundation Engineering， China Academy of Building Research， Beijing 100013， China)Abstract: The problem of the float-resistant for the subsidi
4、ary building such as basement garage shouldseriously be considered when the groundwater level is comparative high， and the uplift piles is increasinglyused in this kind of project. To solve the problem of the excessive cost which is caused by using the pileswith the long length and large diameter in
5、 the design of uplift piles， through the simulation of the workingconditions with normal designing method， the general rules for the influencing factors of the costs and theexerting level of the strength of the tension reinforcement are obtained. Based on the actual situation andthe analysis of some
6、 engineering examples， the reasonable design parameters for uplift piles are presented.Key words: uplift pile; uplift resistance; overall failure收稿日期 : 2010-02-08; 修订日期 : 2010-03-03作者简介 : 雷晓雨 ( 1983 )， 男 ( 汉族 )， 河北唐山人 ，博士生 .0 引言抗拔桩 ， 也叫抗浮桩 ， 是指当建筑工程地下结构如果有低于周边地下水位的部分时 ， 为了抵消地基水对结构产生的上浮力而打的桩 。抗拔桩主要靠桩
7、身与桩侧土层摩擦力来受力 。目前 ， 在抗拔桩设计中 ， 设计人员往往存在两个误区 : 一是抗拔桩越长越好 ; 二是桩径越大越好 。在设计中没有考虑到抗拔桩中钢筋强度是否充分发挥 ， 为满足抗拔力的要求只是一味加大桩长桩径 ， 造成抗拔桩设计中的严重浪费 。显然 ， 受拉钢筋强度的充分发挥 、桩长桩径的合理选取 ， 对降低抗拔桩成本具有直接影响 ， 这也是广大工程技术人员关心的重要问题之一 ， 本文将对此进行一些分析和讨论 。1 抗拔桩承载力设计1. 1 抗拔桩承载力和裂缝宽度计算根据 建筑 桩 基 技 术 规 范 1( JGJ94-2008)( 后简称桩基规范 )， 承受拔力的桩基 ， 应按
8、下列公式同时验算群桩基础呈整体破坏和呈非整体破坏时基桩的抗拔承载力 :Nk Tuk/2 + Gp( 1)Nk Tgk/2 + Ggp( 2)式中 : Nk按荷载效应标准组合计算的基桩拔力 ; Tgk群桩呈整体破坏时基桩的抗拔极限承载2010 年第 7 期 工程勘察 Geotechnical Investigation Surveying 19力标准值 ; Tuk群桩呈非整体破坏时基桩的抗拔极限承载力标准值 ; Ggp群桩基础所包围体积的桩土总自重除以总桩数 ， 地下水位以下取浮重度 ;Gp基桩自重 ， 地下水位以下取浮重度 。1) 群桩呈非整体破坏时 ， 根据桩基规范 ， 基桩的抗拔极限承载力
9、标准值可按下式计算 :Tuk=iqsikuili( 3)式中 : ui桩身周长 ; qsik桩侧表面第 i 层土的抗压极限侧阻力标准值 ; i抗拔系数 ， 可按表 1 取值 。抗拔系数 表 1土类 值砂土 0. 50 0. 70黏性土 、粉土 0. 70 0. 80注 : 桩长 l 与桩径 d 之比小于 20 时 ， 取小值 。2) 群桩呈整体破坏时 ， 根据桩基规范 ， 基桩的抗拔极限承载力标准值可按下式计算 :Tgk=1nuliqsikli( 4)式中 : ul桩群外围周长 。1. 2 抗拔桩裂缝控制计算根据桩基规范 ， 对于允许出现裂缝的三级裂缝控制等级基桩 ， 按荷载效应标准组合计算的
10、最大裂缝宽度应符合下列规定 :max lim( 5)式中 : max按荷载效应标准组合计算的最大裂缝宽度 ， 可按现行国家标准 混凝土结构设计规范 ( GB50010-2002) 计算 ; lim最大裂缝宽度限值 ， 按表 2 取用 。桩身裂缝控制等级和最大裂缝宽度限值 表 2环境类别钢筋混凝土桩 预应力混凝土桩裂缝控制等级 lim( mm)裂缝控制等级 lim( mm)二a 三 0. 2( 0. 3) 二 0b 三 0. 2 二 0三 三 0. 2 一 0注 : 1. 水 、土为强 、中腐蚀性时 ， 抗拔桩裂缝控制等级应提高一级 ; 2. 二 a 类环境中 ， 位于稳定地下水位以下的基桩 ，
11、 其最大裂缝宽度限值可采用括弧中的数值 。混凝土结构设计规范 2( GB50010-2002)中有关结构构件最大裂缝宽度计算的公式 :max= crskEs1. 9c + 0. 08deq( )te( 6)式中 : cr构件受力特征系数 ， 对钢筋混凝土轴心受拉构件 cr=2. 7; sk按荷载效应的标准组合计算的钢筋混凝土构件纵向受拉钢筋的应力 ， sk= NK/As， As为受拉区纵向钢筋截面面积 ; Es钢筋弹性模量 ; c钢筋保护层厚度 ， c 65， 取 65mm; deq钢 筋 直 径 ;te配筋率 ; 裂缝间纵向受拉钢筋应变不均匀系数 ， = 1. 1 0. 65ftk/ ( t
12、esk)， 当 1. 0 时 ， 取 = 1. 0; ftk混凝土轴心抗拉强度标准值 。2 抗拔桩设计参数对钢筋抗拉强度发挥及抗拔桩成本的影响2. 1 钢筋直径对钢筋抗拉强度发挥及抗拔桩成本的影响表 3 给出了相同桩长 ( 桩长 16m) 、相同桩径( 桩径 600mm) 、不同钢筋直径的抗拔桩成本的比较 。表中基础下土层为粉土 ， 抗压极限侧阻力标准值 qsk= 40kPa， 抗拔系数 = 0. 7， 基础面积 64m2，要求总抗拔力 7000kN。钢筋型号 : HRB335， 钢筋强度设计值 fy=300 N/mm2， 保护层厚度 c =50mm。由表 3 可以看出 ， 总抗拔力固定 ，
13、裂缝宽度控制相同时 ， 桩长和桩径相同 ， 桩数相同 ， 混凝土用量相同 ; 桩径相同 ， 随选用的钢筋直径的增加 、配筋率增加 ， 钢筋强度发挥度降低 ， 钢筋总量增加 ，抗拔桩的成本由钢筋的用量决定 。即桩长 、桩径相同时 ， 选用的钢筋直径越大 ， 配筋率越高 ， 钢筋用量越大 ， 抗拔桩总成本越大 。也可看出 ， 相同桩长 、相同桩径 ， 选用相同钢筋直径时 ， 裂缝宽度限值 0. 3mm 比 0. 2mm 成本低 。2. 2 桩径对钢筋抗拉强度发挥及抗拔桩成本的影响表 4 给出了相同桩长 ( 桩长 16m) 、不同桩径( 分别为 400mm、600mm、800mm) 、不同钢筋直径的
14、抗拔桩成本的比较 。地质条件及桩侧阻标准值同表 3， 基础面积 64m2， 要求总抗拔力 7000kN， 钢筋型号 : HRB335， 保护层厚度 c =50mm。由表 4 可知 ， 总抗拔力固定 ， 桩长和钢筋直径相同 ， 随桩径的增加 ， 钢筋强度发挥度虽有提高 ，但是并不明显 ， 钢筋的用量差别不大 ， 混凝土的用量变化较大 ， 抗拔桩的成本由混凝土量决定 。桩长和钢筋直径相同 ， 桩径越大 ， 抗拔桩比表面积越小 ， 单方抗拔力越小 ， 混凝土的用量越多 ， 抗拔桩总成本越大 。20 工程勘察 Geotechnical Investigation Surveying 2010 年第 7
15、 期相同桩长桩径 、不同钢筋直径的抗拔桩成本的比较 表 3裂缝宽度max( mm)桩数钢筋直径( mm)钢筋数量基桩拔力Nk( kN)钢筋配筋率te( % )受拉钢筋应力 sk( N/mm2)钢筋强度发挥度( % )单桩钢筋总量( kg)单桩混凝土量( m3)总成本( 万元 )0. 3 1425 7 506 1. 2 147 49 434. 6 4. 52 3. 9020 9 506 1. 1 179 59 364. 2 4. 52 3. 5518 11 506 1. 0 181 60 359. 6 4. 52 3. 5216 13 506 0. 9 194 64 338. 0 4. 52 3
16、. 410. 2 1425 8 506 1. 4 129 43 489. 1 4. 52 4. 1820 12 506 1. 3 134 44 468. 0 4. 52 4. 0718 14 506 1. 3 142 47 443. 2 4. 52 3. 9416 16 506 1. 1 158 52 403. 7 4. 52 3. 74注 : 钢筋 3600元 /t， 混凝土 270 元 /m3相同桩长 、不同桩径的抗拔桩成本的比较 表 4钢筋直径( mm)桩径( mm)桩数 钢筋数量基桩拔力Nk( kN)钢筋配筋率te( % )受拉钢筋应力 sk( N/mm2)钢筋强度发挥度( % )钢筋
17、总量( kg)混凝土总量( m3)单方混凝土抗拔力( kN/m3)总成本( 万元 )400 22 5 323 2 132 44 6664 44. 22 158. 3 3. 5925 600 14 7 506 1. 2 147 49 6084 63. 28 110. 6 3. 90800 10 9 704 0. 9 159 53 5680 80. 4 87 4. 22400 22 7 323 1. 8 147 49 5993 44. 22 158. 3 3. 3520 600 14 9 506 1. 1 179 59 5099 63. 28 110. 6 3. 55800 10 13 704 0
18、. 9 172 57 5268 80. 4 87 4. 07400 22 8 323 1. 6 159 53 5573 44. 22 158. 3 3. 2018 600 14 11 506 1 181 60 5034 63. 28 110. 6 3. 52800 10 15 704 0. 8 184 61 4954 80. 4 87 3. 95注 : 1. 钢筋 3600 元 /t， 混凝土 270 元 /m3; 2. 桩径 800mm 未计桩侧阻折减 ; 3. 最大裂缝宽度控制在 0. 3mm2. 3 桩长对钢筋抗拉强度发挥及抗拔桩成本的影响表 5 中 ， 地下土层为砂土层 ， 抗压极限侧
19、阻力标准值 qsk= 50kPa， 抗拔系数 = 0. 7， 基础面积64m2， 要求总抗拔力 7000kN。设计桩 径 400mm，钢筋型号 : HRB335， 保护层厚度 c =50mm。由表 5 可以看出 ， 总抗拔力相同 ， 桩径不变 ，桩长越长 ， 钢筋强度发挥度越低 ; 混凝土的用量基本相同 ， 抗拔桩的成本由钢筋的用量决定 。即钢筋直径相同时 ， 桩长越长 ， 单方钢筋用量越多 ， 钢筋用量越大 ， 抗拔桩总成本越大 。相同桩径不同桩长的抗拔桩成本的比较 表 5桩长( m)抗拔力( kN)桩数 配筋钢筋配筋率 te( % )受拉钢筋应力 sk( N/mm2)钢筋强度发挥度( %
20、)单桩钢筋量( kg)钢筋总量( kg)单桩混凝土量( m3)混凝土总量( m3)单方钢筋用量( kg/m3)总成本( 万元 )8 190 37 616 1 158 52. 5 84. 8 3139 1. 01 37. 20 84. 4 2. 139. 5 226 32 816 1. 3 140 46. 8 126 4032 1. 19 38. 20 105. 5 2. 4811. 5 273 26 1016 1. 6 136 45. 3 182. 5 4745 1. 45 37. 57 126. 3 2. 7216 380 19 725 2. 7 111 36. 9 411. 9 7826
21、2. 01 38. 20 204. 9 3. 8520 475 15 925 3. 5 108 35. 8 643. 3 9650 2. 51 37. 70 256. 0 4. 4925 594 12 832 5. 1 92 30. 8 1150. 5 13806 3. 14 37. 70 366. 2 5. 99注 : 钢筋 3600 元 /t， 混凝土 270 元 /m3， 最大裂缝宽度控制在 0. 2mm2010 年第 7 期 工程勘察 Geotechnical Investigation Surveying 213 算例某地下结构为方形基础 ， 基础面积 64m2， 要求总抗拔力 66
22、00kN， max0. 2mm， 地基情况见图1， 为综合比较钢筋直径与桩长桩径对抗拔桩成本的影响 ， 拟采用大桩径大桩长粗钢筋和小桩径小桩长细钢筋两套方案设计 : ( 1) 桩径 0. 8m， 桩长23. 5m; 钢筋 直 径 32mm; 方 案 ( 2) 桩 径 0. 4m，桩长 11. 5m， 钢筋直径 16mm。图 1 基底各层土主要物理力学指标拟采用 C25 级混凝土 ， 钢筋型号 HRB335， 钢筋保护层厚度 c =55mm。3. 1 根据方案 ( 1) 设计( 1) 非整体破坏单桩抗拔力计算由式 ( 3) 得 :Tuk= ( 0. 7 40 2 + 0. 7 50 5 +0.
23、7 60 2 + 0. 7 50 14. 5) 3. 14 0. 8 = 2067. 2kNGp=0. 25 3. 14 0. 82 23. 5 14=165. 4kN得出非整体破坏单桩抗拔承载力标准值 :Nk= 2067. 2 /2 + 165. 4 = 1199. 0kN根据 Nk， 计算桩数 n = 6600 /1199 = 5. 5， 取 n = 6，布桩见图 2。由于基础底面积较大 ， 桩数很少 ， 抗拔桩发生整体破坏的可能性较小 ， 这里不再进行整体破坏验算 。( 2) 抗拔桩裂缝宽度计算经计算 ， 单桩抗拔钢筋数量为 14 根时 ， 最大裂缝宽度为 0. 185mm， 满足设计要
24、求 。按照规范配置钢筋 ， 钢筋用量见表 6。经计算 ， 方案 ( 1) 单桩钢筋用量 1931. 1kg，混凝土用量 12. 06m3。3. 2 根据方案 ( 2) 设计图 2 方案 ( 1) 布桩示意图方案 ( 1) 单桩钢筋用量 表 6钢筋类型 钢筋型号钢筋直径( mm)间距( mm)钢筋数量( 根 )钢筋用量( kg)抗拔主筋 HRB335 32 14 1823. 5箍筋 HPB235 6 200 78. 43加强筋 HRB335 14 2000 29. 21( 1) 非整体破坏单桩抗拔力计算由式 ( 3) 得 :Tuk= ( 0. 7 40 2 + 0. 7 50 5 +0. 7 6
25、0 2 + 0. 7 50 2. 5) 3. 14 0. 4 = 505. 8kNGp=0. 25 3. 14 0. 42 11. 5 14 = 20. 2kN得出非整体破坏单桩抗拔承载力标准值 :N1k= 505. 8 /2 + 20. 2 = 273. 1kN( 2) 整体破坏单桩抗拔力计算根据 N1k， 计算桩数 n =6600 /273. 1 =24. 2， 取n =25， 布桩见图 3。桩距槡= 64 /25 =1. 6m由式 ( 4) 得 :Tgk=125 1. 6 4 + 0. 4 4 0. 7 ( 2 40 + 5 50 + 2 60 + 2. 5 50)=437. 9kNGp
26、g=125( 1. 6 4 + 0. 4)2 11. 5 10=212. 7kN得出整体破坏单桩抗拔承载力标准值 :N2k= 437. 9 /2 + 212. 7 = 431. 7kNN1k N2k， 故取基桩抗拔力 Nk=273. 1kN( 3) 抗拔桩裂缝宽度计算经计算 ， 单桩抗拔钢筋数量为 10 根时 ， 最大裂缝宽度为 0. 182mm， 满足设计要求 。( 下转第 31 页 )2010 年第 7 期 工程勘察 Geotechnical Investigation Surveying 31方面 ， 进一步提出了有针对性的病害治理方案 。可为类似病害隧道的治理提供参考 。参 考 文 献
27、 1 交通部行业技术规范 . 公路隧道设计规范 ( JTG D70 2004) S . 北京 : 人民交通出版社 ， 2004. 2 李宁军 ， 曹文贵 ， 刘生 . 隧道设计与施工百问 ( 第二版 ) M . 北京 : 人民交通出版社 ， 2006. 3 赖金星 ， 谢永利 ， 赵严峰 . 公路隧道衬砌裂损病害检测与治理对策 J . 沈阳建筑大学学报 ( 自然科学版 )， 2007，23 ( 1): 37 41. 4 赵国旗 . 铁路隧道衬砌开裂病害整治方法初探 J . 岩石力学与工程学报 ， 1996， 15 ( 4): 385 389. 5 冯晓燕 . 隧道病害分级和衬砌裂损整治技术研究
28、 D . 北京交通大学硕士学位论文 ， 2002. 6 刘彤 ， 谢永利 ， 李宁军 . 祈家大山隧道病害治理方案数值模拟研究 J . 北京 : 公路 ， 2005，( 8): 184 187. 7 贺学海 ， 张德强 ， 邵景力等 . 地下水对隧道工程安全性的影响分析 J . 工程勘察 ， 2004，( 3): 25 27. 8 李世民 ， 刘志强 ， 彭友君 . 北京地铁矿山法施工隧道坍塌原因分析及预防处理措施 J . 工程勘察 ， 2008， ( 8):13 16. 9 潘海泽 ， 黄涛 ， 杨海静等 . 铁路运营隧道渗漏水灾害成因分析及评价指标体系建立 J . 工程勘察 ， 2008，
29、 ( 12):21 25. 10 来弘鹏 ， 杨晓华 ， 林永贵 . 黄土公路隧道病害分析与处治措施建议 J . 公路 ， 2006，( 6): 197 202. 11 来弘鹏 ， 杨晓华 ， 林 永 贵 . 黄 土 公 路 隧 道 衬 砌 开 裂 分 析 J . 长安大学学报 ( 自然科学版 )， 2007， 27 ( 1): 45 49. 12 王亚琼 ， 谢永利 ， 晏长根 . 黄土公路隧道病害治理实例研究 J . 工程地质学报 ， 2008， 16 ( 4) :檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼557 562.( 上接第
30、 21 页 )图 3 方案 ( 2) 布桩示意图按照规范配置钢筋 ， 钢筋用量见表 7。方案 ( 2) 单桩钢筋用量 表 7钢筋类型 钢筋型号钢筋直径( mm)间距( mm)钢筋数量( 根 )钢筋用量( kg)抗拔主筋 HRB335 20 10 159. 8箍筋 HPB235 6 200 16. 81加强筋 HRB335 14 2000 5. 9经计 算 ， 方 案 ( 2) 单 桩 钢 筋 用 量 182. 6kg，混凝土用量 1. 51m3。钢筋按每吨 3600 元 ， 混凝土每立方 270 元计算 ， 比较方案 ( 1) 和方案 ( 2) 成本如表 8。方案 ( 1) 、( 2) 成本对
31、照表 表 8方案编号桩长( m)桩径( m)钢筋直径( mm)单桩钢筋成本 ( 元 )单桩混凝土成本 ( 元 )单桩总成本( 元 )桩数方案总成本( 万元 )( 1) 23. 5 0. 8 32 6951 3256 10207 6 6. 1( 2) 11. 5 0. 4 16 658 408 1066 26 2. 8方案 ( 1) 和方案 ( 2) 相比 ， 方案 ( 1) 费用是方案 ( 2) 费用的 2. 18 倍 ， 采用方案 ( 2) 进行设计比较经济 。4 结论通过研究各参数对抗拔桩中抗拉钢筋发挥度及成本的影响 ， 可以得出如下结论 :( 1) 受拉钢筋直径越小 ， 配筋率低 、钢筋
32、抗拉强度发挥越高 ， 钢筋用量越少 、越经济 ;( 2) 桩径越小 ， 比表面积越大 ， 单方抗拔力越大 ， 混凝土用量越少 ， 总成本越低 ;( 3) 桩长越长 ， 钢筋抗拉强度发挥越低 ， 单方钢筋用量越大 ， 总费用越高 ;( 4) 桩长不宜太小 ， 桩越短 、桩距越小 、基础面积大 、桩数越多越容易发生群桩整体破坏控制 ，综合考虑施工的因素 ， 桩径宜取 0. 4 0. 6m， 桩长宜取 8 16m。参 考 文 献 1 中华人民共和国行业标准 . 建筑桩基技术规范 ( JGJ94 2008) S . 北京 : 中国建筑工业出版社 ， 2008. 2 中华人民共和国国家标准 . 混凝土结构设计规范 ( GB50010-2002) S . 北京 : 中国建筑工业出版社 ， 2002.
