欢迎来到『东合南岩土』官方网站!

地下室抗浮中抗拔桩如何验算与设计

330 2020-06-28 14:09:56


1、常见的抗浮设计措施

抗浮设计中常用的抗浮措施有结构配重、抗拔桩、抗浮锚杆等。结构配重包括地下室顶板配重和地下室底板配重,适用于抗浮荷载不太大的情况;当浮力较大时一般采用抗拔桩和抗浮锚杆等构件抗浮。不同的抗浮措施有其各自的优缺点,适合不同的水文地质、工程地质条件。当地质条件较差或基础埋深不能增加时,极大部分结构工程师采用的抗浮措施是抗拔桩或抗浮锚杆。此外不同的抗浮措施对上部结构也会产生一定的影响,例如对高、低层间的差异沉降和结构底板内力的分布等,从而影响工程造价和建筑物的使用功能。


2、抗拔桩的种类

抗拔桩有等截面抗拔桩,扩底抗拔桩。

(1)等截面抗拔桩

破坏模式归纳起来主要有沿桩土界面的剪切破坏、桩侧土体的倒锥形破坏和复合破坏3种(见下图)。桩土界面的剪切破坏是实际工程中最常见的破坏模式,桩侧土体的倒锥形破坏往往发生在软岩中的短粗灌注桩,复合破坏发生在硬质粘土中的灌注桩,且桩侧面较为粗糙,桩与土体界面的粘结力较大,倒锥形部分的土体自重不至于破坏桩土界面的粘结力。对等截面抗拔桩抗拔力计算通常采用沿桩、土界面的剪切破坏模式。


(a)桩、土侧壁界面剪切破坏  (b)倒锥形剪切破坏 (c),(d)复合破坏。

(a)桩、土侧壁界面剪切破坏  (b)倒锥形剪切破坏 (c),(d)复合破坏。



(2)扩底抗浮桩

扩底抗浮桩相对于等截面抗浮桩而言,其受力机理更复杂,目前形成的基本共识包括:

①扩底抗浮桩上浮时,桩侧摩阻力与扩大头挤压上部土体产生的应力的发展并不同步,在扩大头上部侧摩阻力发展到极限时,扩大头端部对土体的挤压应力只发展一小部分,同时,该部分应力还将随着桩体变形的增加而不断增大。

②扩底抗浮桩极限抗浮力随深度变化有一临界值h,当桩长>h时,桩长的增加并不能导致极限抗浮力的显著增加,当桩长<h时,极限抗浮力随桩长的增加而快速增大。

③扩底抗浮桩破坏时,其破裂面较等截面抗浮桩复杂,其破裂面不仅与土体性质、埋深和施工方法有关,还与扩大头形式有关,其主要破裂面类型包括圆柱形破裂面、喇叭形破裂面及圆柱形冲剪式破裂面等。

因此对扩底抗浮桩抗拔力计算方法有圆柱面剪切法、圆柱形破裂面法和喇叭形破裂面法(见下图)。




圆柱形破裂面_喇叭形破裂面_圆柱形冲剪式破裂面


3、抗拔桩承载力的计算

等直径抗拔桩的承载力计算形式基本相同,尽管公式中采用的参数可能略有差异,但对扩大头抗拔桩由于假定的破坏形式不同,抗拔承载力计算形式不同。以我国《建筑桩基技术规范》(JGJ 94-2008)为例进行讲解,另外美国《输电线路杆塔基础设计导则》和日本《港口建筑物设计标准》可作为参考。


根据《建筑桩基技术规范》(JGJ 94-2008),承受抗拔力的桩基应同时验算群桩基础呈整体破坏和呈非整体破坏两种工况。


①群桩呈非整体破坏时,基桩的抗拔承载力按下列公式进行验算:

Nk≤Tuk/2+Gp(2-1)

Tuk=∑λiqsikuili(2-2)

式中:Nk为按荷载效应标准组合计算的基桩拔力;Gp为基桩自重;Tuk为群桩呈非整体破坏时,基桩抗拔极限承载力标准值;ui为桩身周长;qsik为桩侧表面第i层土的抗压极限侧阻力标准值;li桩周第i层土的厚度;λi抗拔系数。


②群桩呈整体破坏时,基桩的抗拔承载力按下列公式进行验算:

Nk≤Tgk/2+Ggp   (2-3)

Tgk=1/n ul∑λiqsikli(2-4)

式中:Tgk为群桩呈整体破坏时,基桩抗拔极限承载力标准值;Ggp为群桩基础所包围体积的桩土总自重除以总桩数;ul为群桩外围周长。


③扩底抗浮桩抗浮力计算

《建筑桩基技术规范》(JGJ 94-2008)中对带扩大头的抗浮桩采用圆柱面剪切法计算抗浮力,计算条件为:扩大头一定范围内侧摩阻力按扩大头直径计算,超出此范围的,按桩径进行计算。计算公式与(2-2)式类似,但扩大头一定范围内按计算,超出此范围按计算。

设计验算



钢筋混凝土抗拔桩裂缝及抗拉承载力验算表格


4、水位工况下基础底板的受力分析

由于抗浮设计采用的地下水位为建筑物设计使用期内可能遇到的最高水位值,在大多数情况下,实际的地下水位可能大大低于设防水位,甚至抗浮桩可能承受压力。因此,在抗浮设计中,既要考虑地下水位较高、运营期内结构长期受浮力影响工况下的基础底板内力分析,又要考虑地下水位较低、结构不受浮力影响工况下基础底板内力分析。而实际工作中,系统地分析结构在抗浮和非抗浮工况下的内力方面做得不太够。


5、耐久性和抗裂设计

由于混凝土的抗拉强度远远低于抗压强度,桩身混凝土在拉力作用下会早早产生裂缝。随着裂缝的逐步扩大,混凝土退出工作,全部拉力主要由钢筋承受。由于抗浮桩处于地下,混凝土的开裂必然会引起钢筋受水中化学有害物质的腐蚀,从而影响了抗浮桩结构的耐久性。


目前在工程中已采用一种压力分散型抗浮桩,该种桩型是在综合考虑旋喷搅拌桩、抗拔锚杆、锚索和钢筋混凝土桩等各自优点和不足的基础上开发的新型抗拔桩型,主要由水泥土桩体、钢绞线、锚固件、锚定盘和防腐钢管组成。


压力分散型抗拔桩


6、预应力抗浮桩

较常见的是增强型预应力管桩,该种桩采用先张法预应力工艺和离心成型方法制成的具有高强度和高性能的独特桩型(见下图),沿桩体的外壁每隔1~3m设一节环状凸肋,桩周外侧均匀加设多条纵状凸肋来连接环状凸肋。


增强型预应力管桩

7、抗拔桩施工图

抗拔桩的施工图包括平面布置图,说明和大样图等。




抗拔桩施工平面布置图


基桩规格和符号_试桩桩头加固处理示意




Z2纵剖面_试桩SZ2纵剖面_大样图