抗拔桩设计方法及相关问题思考

抗拔桩设计方法及相关问题思考

吴浩

江苏博德维环境技术有限公司  224600

摘要：在地下水位较高的地下室建筑结构设计中,要充分考虑其结构建筑的抗浮特性,因为一旦建筑物体本身的重力荷载无法适应地下室结构建筑的抗浮要求,就会致使地下室结构建筑形成上浮,进而引发地面裂缝、墙柱裂缝、坍塌等重大问题,从而严重地危害建筑物运行安全性。所以,在从事地下建筑结构设计时,要采取一定的抗浮技术,依据实际工程中的地质技术条件选择抗拔桩桩型,以进一步提高基桩的抗浮能力。

关键字:地下基础抗浮工程;抗拔桩;应用

近年来国家经济增长迅速，城市化进程加快，地产行业蓬勃发展，为提高有限的土地资源利用率，城市建设逐步向高层建筑及多层地下建筑发展，另外城区相对平坦的建设用地随着土地商业开发的增加而逐渐减少，商业开发土地逐渐边缘化，山坡地段依山就势的建筑物也逐渐增多。随着地下建筑的层数增加，地下建筑的埋置深度大幅增加，如何在确保抗浮安全的前提下尽可能节约建设成本及公共社会资源受到了行业内的广泛关注和研究。

一、地下结构抗浮设计理论研究

地下建筑抗浮措施分为主动抗浮措施及被动抗浮措施，通俗来说分为“疏”和“抗”两大类。“疏”即通过相应的排水或隔水措施将地下水位降低，进而减小地下工程所受到的水浮力。“抗”即通过增加结构自重或者设置抗浮构件来抵抗地下工程所受到的水浮力。

针对地下结构进行抗浮设计，应对建筑整体和局部展开抗浮验算，在达到整体抗浮稳定基础上，还要对承受上方应力较小的结构单元展开局部抗浮稳定性验算。对建筑整体进行抗浮稳定性验算，可确保地下结构不出现整体上浮情况，而进行局部抗浮稳定性验算，能避免地下墙体、基础底板以及两柱节点由于局部应力过大出现变形或开裂问题，保证建筑免受地下水影响，维护建筑结构安全。

抗浮验算的具体步骤是：①对建筑物自重展开计算；②结合抗浮设防水位，并对抗浮设防水浮力进行计算；③验算抗浮稳定性；④比选抗浮措施方案；⑤选择抗浮措施；⑥设计基础施工图。

当前抗浮验算大多选择安全系数法，结合相关规范，基础抗浮稳定性验算公式是：

公式（1）

在公式（1）中，Gk指建筑物自重和压重相加之和（kN）；Nw.k指抗浮作用值（kN）；Kw指抗浮稳定安全系数，通常可选1.05。此外，要对工程使用过程中的水位变化情况进行科学论证，并经专门研究确定抗浮设防水位。

上部滞水的量不大,随时间变动很大,所以在施工中,应分时间处理。上层滞水的分布区域主要与隔水层的厚薄和建筑面积有关,隔水层的厚薄和建筑面积都较小时,即上层滞水的出现时间较短,对这种状态在考虑地下构造的抗浮设计时,就可不考虑上层滞水的作用。但一旦隔水层的厚度和建筑面积都很大,则相应的分布区域就应充分考虑上层滞水对地下构造产生的浮力。

潜水的活动范围极广,与地下水系统建设的联系也很紧密。由于潜水含水层上无隔水层,直接与包气带联系,所以潜水位置受大气降雨、土壤、水面蒸发的制约,随季节变化不同,年水位变动范围也很大。当土壤地表高度变化时,潜水位置也相应变动,所以,在通常情况下,地表大面积填筑物时地下水位相应增大时,应根据填筑物后的地面高度确定潜水位置。但一旦填筑物高度高于6m,由于潜水位置并非直线增大,此时应通过现场的实测资料或专题研究确定；但小范围的局部填筑物不在局部范围内,则仍根据附近的大地高度确定潜水位置。对地形较低洼的地方,应充分考虑工程期内或大雨期间对土壤积水的影响作用。承压水水平也会对地下建筑、工程结构的安全带来较大问题。从承压水平头也就不难看出,用钻机揭露的含水层结构,在孔隙水压力影响下,水头在提高到含水层结构顶部的固定高程后趋于稳定,静止水平头较原来的高程为承压水平头低。就地下结构的施工状态而言,地下水也是改变结构施工状态的主要因子,而地下水的赋存程度也会对施工结构承重强度、变形的特征,与稳定性、耐久性施加重大影响[1]。

二、地下结构抗浮设计中抗拔桩的应用

2.1抗拔桩选型

抗拔桩的选择主要是基于工程地质的选择,在某项目方案中,如果地下车库系统的基底下是粘土基础,应选用沉管灌注桩。而如果为蛋白质混合物的砂土类基础,则应选用钻孔灌注桩。而如果基底下是风蚀坝基岩性的硬质可塑状态黏土基础,则应该采用人工挖孔桩等。可通过扩底桩增加基桩的抗拔性能,而钻孔灌注桩和人工挖孔灌注桩等,均可通过这些途径增加其抗拔性能。但因为对扩底桩强度的损坏程度会根据与地基的内摩擦角发生变化而不同,当其内摩擦角发生变化越大时,对扩底桩桩身的危害越大,若桩基以上的周长在桩口径的4~10倍范畴内,则其危害柱身的宽度也会增大至扩底桩的正常宽度。针对这个问题,则应该根据扩底桩的损伤表面周长作出测算[2]。

2.2抗拔桩承载能力确定

一般建筑中常用的抗拔桩有两类：静载试桩时采用的是反力框架，此时应使用锚杆（下文中将静载荷试验桩用锚定为锚桩），其工作状态为抗拔；二是在地下水位高的地区，采用抗拔桩法，以避免地下建筑物的上浮。二者在实际应用中存在差异，在设计和计算时应注意区分。

现行国家标准对抗拔桩的承载力计算方法都有明确的规定，即：单桩抗拔承载力应通过静载荷测试来确定。从试验结果来看，试验桩必须能反映出桩的特点，包括桩型、桩截面尺寸、有效长度、混凝土强度等级、配筋、土层特征、施工要求等。

同时，现行的《地基规范》还规定：按桩土与桩体的承载能力、桩的结构强度，分别计算出单桩的竖向承载力，并取其最小的数值。其实，抗拔桩的关键在于其配筋的设计；在受拉件中，加筋的设计与裂缝的宽度密切相关；抗拔桩的裂缝控制与其适用形式和地层情况密切相关。

2.3抗拔桩应用措施

一般抗浮结构无法达到加强地下结构的抗浮能力要求的,可以应用在其基础下的抗拔桩加以专门建设,利用抗拔桩的基础结构提高桩体结构自重,同时提高桩与周围土体附着力,进而提高抗浮能力。控制抗拔桩的桩身受荷裂缝长度,以减少裂纹的产生,在法规中也有明文规定,对严格要求不产生裂纹的预应力混凝土桩,其钢筋也不允许产生拉应力。对一般要求不会产生裂纹的钢筋桩,其拉应力不得超过轴心受拉强度的标准值。凡是可以产生裂纹的水泥基桩,其最高宽度不得超出零点二毫米。如若无法根据有关要求对抗拔桩的受荷裂隙予以控制,则应采用桩侧后注浆等弥补方法。桩基施工前应通过试打试钻,每块地方不少于2根,会同勘测部门检验地质与勘测数据的相符性,确认沉桩成孔的可行性,制定实施方案等。单桩承载力设计应以试桩报告为准,当承载力达到设计要求时才能进行基桩[3]。

2.4抗浮设防水位和浮力的计算

水浮力的实质是作用在地下结构顶面与底面水压力之差，具体的水压力可以是孔隙水压力，也可以是静水压力，在有渗流的时候还要对地下水进行渗透分析。当前的常用作法是：（1）在勘察阶段，对场地水文地质条件和地下水赋存特征进行调查，并提供具有足够安全度、经济合理的抗浮设防水位，并且抗浮最低水位不低于室外整平场地下0.5m；(2)以抗浮设防水位作为初始值，在设计阶段进行浮力的计算，并对其进行相关的抗浮校核。

三、结束语

总之,地下建筑构造的抗浮选择是建筑工程的重点部分,在开展产品设计和建筑施工时,要依据工程项目的实际,并综合有关地质水文数据,对地下水构造的自我抗浮功能作出正确的测算和评估,若地下水构造自我抗浮功能不够,则不得不采取适当的抗浮保护措施。目前抗拔桩在地下建筑构造的抗浮工程设计中也有比较普遍的运用,能够高效提高建筑物构件的抗浮特性,尤其在黏土类、砂土类基础中均比较适合。

参考文献

[1]李兰勇,何英雷,何培勇,许文,吕明敏.中国地下水构造抗浮工程建设中抗拔桩的优化模型与方法[J].技术与工程建设,2012,12(14):3528-3531.

[2]邵崇萍.中国大型城市地下室构造的抗浮桩工程设计与研究[J].建筑设计,2008,(20):56-57.

[3]陈颖.建筑地下室构造的抗浮工程设计中常遇提问及解决办法[J].山西建设,2010,36(04):106-107.