抗拔桩的设计.pdf

第 2 5卷第 1期 2 0 0 9年 2月 结构工程师 S t r u c t u r a l En g i n e e r s V0 1 ． 2 5．No ．1 F e b．2 00 9 抗 拔桩 的设计 陆培 俊 同济大学建筑设计研究院， 上海 2 0 0 0 9 2 摘 要依据现行设计规范， 阐明 了抗拔桩的设计要点。其中包括 依据地基土对桩的支承 力和桩身材 料强度确定抗拔桩的承载力； 抗拔桩的配筋和裂缝计算 ； 区分 了几种常见类型抗拔桩的不 同设计要 求， 明确抗拔桩设计的核心问题是 配筋和裂缝控制 。并以工程 实例做样板 ， 设计 了一套 包含不 同类型的抗 拔桩 的计算例题。文中抗拔桩设计计算方法的讨论 ， 还澄清了有关抗拔桩设计的一些认识误 区， 对抗拔 桩的设计作 了有益的启示 关键词抗拔锚桩 ，抗浮桩 ， 抗浮试桩 ， 抗拔桩承载力， 裂缝验算 Pu l l i n g Ou t Re s i s t e n t Pi l e De s i g n L U B e i j u n T h e A r e h i t e e h u r a l D e s i g n R e s e a r c h I n s t i t u t e o f T o n i U n i n e r s i t y ， S h a n g h a i 2 0 0 0 9 2， C h i n a Abs t r a c t Th e d e s i g n i n g e s s e n t i a l s f o r p u l l i n g o u t r e s i s t e n t pi l e s we r e i n t e r p r e t e d i n a c c o r d a n c e wi t h t h e d e s i g n s p e c i fic a t i o ns ． Th e di f f e r e n t d e s i g n i n g r e q ui r e me n t s for pu l l i n g o u t r e s i s t e n t p i l e t y p e s f r e q ue n t l y o e c u r e d we r e e x p l a i n e d i n di v i d u a l l y．T he k e y p r o bl e ms i n t h e p u l l i n g o ut r e s i s t e n t p i l e s wi l l b e t h e r e i n f o r c e me n t a n d c r a c k c o n t r o l l i n g ． S o me mi s un d e r s t a nd i n g i n pu l l o u t r e s i s t e n t p i l e de s i g n we r e d e c l a r e d， a nd s o me b e ne fic i a l i ns t ru c t i o n s we r e s u mma riz e d． Ke y wo r d s pu l l i ng o ut r e s i s t e n t p i l e， b u o y a n c y r e s i s t e n t pi l e， b uo y a n c y r e s i s t e n t t e s t i n g p i l e， b e a r i n g c a p a c i t y o f p ul l o u t r e s i s t e n t pi l e，c r a c k 1 引 言 从本质上说 ， 桩是 一种人工处理 的地基 。在 上海等沿海城市 ， 建筑物用桩主要是抗压桩。相 比之下 ， 抗拔桩的使用就少得多。因此 ， 一般对抗 拔桩的关注 、 了解也就 比较少。通常建筑物所采 用的抗拔桩主要有两种 一种是静载试桩时采用 反力架形式， 这 时需要 用锚 桩 以下将静载试 桩 用锚桩简称为锚桩 ， 它的受力状态就是抗拔 ； 另 一 种是地下水位较高的 区域 ， 为 了防止建筑物上 浮 ， 而采用抗浮桩。两者在使用上有差别 ， 在设计 计算过程 中也就有差别 ， 这是值得注意的。 2 要点 1 建筑地基基础设计规范 G B 5 O 0 0 7 一 收稿 日期 2 0 0 8 0 62 1 2 0 0 2 E l i 8 ． 5 ． 5 ／ 1指 出 “ 单桩竖 向承载力特征值 应通过单桩竖 向静载荷试验确定。 ” 上海市 地基 基础设计规范 D G J 0 81 1 1 9 9 9 6 ． 1 ． 5指 出 “ 单桩竖向抗压 、 抗拔极限承载力宜通过现场 静载荷试验确定。 ” 新颁布执行 的 建筑桩基技术 规范 J G J 9 4 2 0 H D 8 5 ． 4 ． 6 ／ 1指 出 “ 对 于设 计等级为甲级和乙级建筑桩基 ， 基桩 的抗拔承载 力应通过现场单桩 上拔静载荷试验 确定。 ” 可见 我 国的地基基础规范规定 单桩抗拔承载力 由静 载试验确定 。 由此可知 ， 试桩应当反映工程桩的特征 ， 包括 类型、 几何特征 如桩 的截面尺寸 、 有效长度 、 材 料特征 如混凝土强度等级 、 配筋 、 土层特征 、 施 工要求等， 这样才能将试桩 的结果用于工程桩 。 2 地基 基础设 计 规范 D G J 0 81 1 1 9 9 9 6 ． 2 ． 2指出 “ 单桩竖向承载力设计值应 分别根据地基土对桩的支承能力和桩身结构强度 S t r u c t u r a l En g i ne e r s Vo 1 ． 2 5， No ． 1 7 6 进行计算 ， 取其小值。 ” 地 基 基 础 设 计 规 范 D G J 0 8 1 1 -- 1 9 9 9 6 ． 2 ． 7列 出了单桩竖向抗拔承载力设计 值 的计算式 ， 即 尺 U A 2 ／ Y G 1 式 1 实质上反映的是地基土对抗拔桩 的支 承力 ， 从根本上说 ， 是反映土性特征 的； 其值 的确 定是抗拔桩承载力计算的第一步 ， 但并不是说 ， 由 此确定了抗拔桩的承载力， 其桩身设计 的混凝土 强度 、 桩身配筋就可 以是随意的。 建 筑桩 基 技 术 规 范 J O J 9 4 _2 】 8 5 ． 4 ． 5 与 5 ． 4 ． 6给出了类似的公式。 3 建筑地基基础设计规范 G B 5 o 0 0 7 2 0 0 2 8 ． 5 ． 8指出“ 当桩基承受拔力时 ， 应对桩 基进行抗拔验算及桩身抗裂验算 ” 。这里先来看 由桩基抗拔验算确定的抗拔桩设计 。 依据 混 凝土结构设 计规范 G B 5 f J 1 0 2 0 0 2 7 ． 4 ． 1 ， 桩 身设 计轴 向拉力设 计值 表达 式为 N≤f vA 厂 n 建筑桩基技术规范 J G J 9 4 2 o 0 8 5 ． 8 ． 7 给出了类似的公式。 本文仅考虑非预应力桩， 则 N≤f v A 2 当桩的轴向拉力设计值按地基土对抗拔桩的 支承力考虑时 R N N k 再以文献 [ 3 ] 8 ． 1 ． 2和 8 ． 1 ． 3计算裂缝宽度 此处 d 2 2 m m； 因桩 的混凝 土取 C 3 5 ， 故 k2． 2 N／ram ；O ／ 2． 7；c5 0 mm ；E 2 1 0 N ／ ra m ；P ￡ 。 A ／ A 2 4 3 8 0 ． 1 ／ 8 5 0 3 ． 1 4 1 6 ／ 4 0 ． 0 1 6 1 ； 1 ． 10 ． 6 _ k ／ p 。 o r k 1 ． 10 ． 6 5 2 ． 2 ／ 0 ． 0 1 6 1 2 8 5 ． 0 1 3 0 ． 7 8 8 ； k Nk ／ A 2 6 0 0 X1 0 0 0 ／ 2 4 3 8 0 ． 1 2 8 5． 0 1 3 N／ram 。 依式 3 ， 可得 。 1 ． 9 c 0 ． 0 8 d ／ p 。 o r k ／ E 2 ． 7 x 0 ． 7 8 8 X 1 ． 95 00 ． 0 82 2 ／ 0 ． 0 1 6 1 2 8 5． 01 3 ／ 20 0 00 0 0． 61 9 mm 此值与文献 [ 3 ] 3 ． 3 ． 4规定的 0 ． 2 m m相 比， 显然偏大 。 将桩的配筋改为 2 8 D 2 5 HR B 3 3 5 ， 再算裂缝 宽度 ， 可得 0 ． 3 5 7 m m。 若再将桩的配筋改为 2 6 D 2 8 HR B 3 3 5 ， 可算 得 0 ． 3 0 1 mm。此值与 0 ． 2 mm相 比， 虽然 还有差别 ， 但 由于锚桩最终是作为受压工程桩使 用 ， 应 当是可以接受 的。 于是主楼下 静载试 验用锚 桩的配筋 2 6 D 2 8 H R B 3 3 5 就这样确定 了。 2 裙房下 的抗浮工程桩 D 6 0 0 依式 1 ， 计算地基土对抗浮桩 的支承力 ， 得 到抗浮桩单桩抗拔承载力特征值 R 7 2 0 k N， 设 计值 R 9 0 0 k N， 极限值 R 1 4 4 0 k N。 配筋设为 2 0 D 1 8 HR B 3 3 5 ， 由式 2 可得 f , a 3 0 0 x 2 0 x 2 5 4 ． 51 5 2 7 k N R 再由抗浮桩单桩抗拔承载力特征值 R 7 2 0 k N， 依文献 [ 3 ] 8 ． 1 ． 2和 8 ． 1 ． 3 ， 计算裂缝宽度 ， 可 得 ∞ ⋯ 0 ． 1 8 0 m m 月 由抗 浮试 桩 单桩 抗拔 承 载力 极 限值 R 1 4 4 0 k N， 依文献 [ 3 ] 8 ． 1 ． 2和 8 ． 1 ． 3 ， 计算裂缝宽 度 ， 可得 ∞一 0 ． 2 4 8 m m[ 0 ． 2 mm] ， 不满足文 献 [ 3]3 ．3 ．4 规 定。将 配 筋 改 为 2 8 D 2 5 H R B 3 3 5 ， 可 以算 出 ∞ 0 ． 1 8 9 m m [ 0 ． 2 mm] ， 满足文献 [ 3 ] 3 ． 3 ． 4规定。 前一个结果虽然超出文献[ 3 ] 3 ． 3 ． 4规定， 但 是超出不多， 考虑到抗拔试桩是一个短暂的过程 ， 最终还是作为工程桩 回到使用阶段的抗浮状态。 所以 ， 可以认为 后一结果显然更为理想 ， 但是前 一 结果也是可以接受的。 4 比较 2 与 3 的配筋结果 抗 浮 工 程 桩D 6 0 0 的 配 筋 为2 0 D 1 8 H R B 3 3 5 ， 其配筋率为 1 ． 8 ％。抗浮试桩 D 6 0 0 的配 筋 为 2 0 D 2 5 H R B 3 3 5时 ， 其 配 筋 率 为 3 ． 4 7 ％ ； 配筋为 2 0 D 2 8 H R B 3 3 5 时 ， 其配筋率为 4 ． 3 6 ％。可见 ， 抗浮工程桩与抗浮试桩的配筋可 以相差很大。 在抗拔桩的设计中， 存在一些认识误区。若 S t r u c t u r a l En g i n e e r s Vo 1 ． 2 5， No ． 1 明白了上述 内容 ， 便可不难对下述几种误解予以 澄清。此处， 对之不作详尽的说 明了。 1 从抗拔桩承载力 的计算式 指文献 [ 2] 6 ． 2 ． 7所列公式 看 ， 承载力大小与配筋无关。 2 抗浮工程桩配筋应 当与抗 浮试桩配筋 相 同。 3 与 2 对应 的 “ 抗浮工程桩裂缝验算与 抗浮试桩裂缝验算相同， 故作一个验算就可以了” 。 4 认为下述看法是不对的 R ， R R 是与 抗拔桩承载力相应的特征值 、 设计值 、 极限承载力 标准值 ； “ 抗浮试桩裂缝验算时， Ⅳk 值取 R 值； 抗 浮工程桩裂缝验算时， 值取 R 。 值” 。 6 结语 本文依据现行设计规范 ， 阐明了抗拔桩的设 计要点 ， 区分了几种常见类型抗拔桩的不 同设计 要求 ， 确定抗拔桩设计 的核心 问题是配筋和裂缝 控制。澄清了抗拔桩设计中的误解。从而 ， 为抗 拔桩设计与计算 的安全准确 、 经济合理指明 了路 径 ， 对抗拔桩的设计作了有益的启示 。 诚然 ， 混结构设计规范中关 于裂缝计算的 一 套公式 ， 是 “ 半经验半理论” 的产物。据此 ， 有 人以为 ， 不必认真对待抗拔桩的裂缝验算。但人 们总是在一定的条件下， 以当时科学技术水平所 制订的条文， 来规范人的行为， 抗拔桩的裂缝验算 也不例外。 关于抗拔桩 的设计 ， 还有一些内容， 也值得探 讨 ， 本文没有涉及 ， 当另文阐明， 可大致罗列如下 1 抗拔桩的分段配筋。 2 预应力抗拔桩的设计 。 3 季节性 冻土上 ， 轻型建筑短桩基础抗冻 拔稳定性问题。 4 膨胀土上， 轻型建筑短桩基础抗拔稳定 性问题。 参考文献 [ 1 ] 中华人民共和国建设部． G B 5 0 0 0 7 --2 0 0 2 建筑地 基基础设计 规范[ S] ． 北 京 中国建筑工业 出版 社 ， 2 0 0 2 ． [ 2 ] 上海现代建筑设计 集团 有限公司． D G J 0 8 1 1 -- 1 9 9 9 地基基础设计规范[ S ] ． 上海， 1 9 9 9 ． [ 3 ] 中华人民共和国建设部． G B 5 0 0 1 0 --2 0 0 2 混凝土 结构 设计 规范 [ S ] ． 北 京 中国建 筑工 业 出版 社 ， 2 0 0 2 ． [ 4 ] 中国建筑科学研究院． J G _『 9 4 2 O 0 8 建筑桩基技 术规范[ S ] ． 北京 中国建筑工业出版社， 2 0 0 8 ． 上接第 6 9页 5 结语 本文基于某基岩加速度反应谱 ， 利用非平稳 随机地震功率谱密度函数与均值反应谱的转换关 系式 ， 求取基岩加速度功率谱 ， 采用有限元方法对 在非平稳随机地震激励下的土 一 桩 一 结构相互作 用体系进行了反应分析。计算结果表明 1 场地条件对桩基承台的加速度功率谱密 度响应的影响较 明显 ， 在本文的分析模型中， 场地 ③情形下的桩基承台加速度功率谱响应峰值较 自 由场表面的响应峰值降低了 1 5 ． 5 ％ ； 2 在本文的三类场地条件下， 结构顶层的位 移功率谱响应特征有所差异 ， 场地③情形下结构顶 层的位移功率谱响应呈较明显的窄带过程特征。 参考文献 [ 1 ] N o v a k M． P i l e u n d e r d y n a m i c l o a d s [ C] ． P r o c ．2 n d I n【 _ Co n f ． Re c e nt Ad v a n c e s i n Geo t e c h． Ea r t h q． E n g ．＆ S o i l D y n ． ，S t ．L o u i s ， Mi s s o u ri U S A ， 1 9 9 1 3 2 5 0 2 7 3 ． [ 2 ] G e z e t a s G， F a n K， K a y n i a A ． D y n a m i c r e s p o n s e o f p i l e g r o u p s w i t h d i f f e r e n t c o r t fi g r a t i o n s [ J ] ． S o i l D y n A n d E a r t h q E n g ， 1 9 9 3 ， 1 2 4 2 3 9 2 5 7 ． [ 3 ] T a k e mi y a H， Y a m a d a Y ．L a y e r e d s o i l p i l e s t r u c t u r e d y n a m i c i n t e r a c t i o n[ J ] ． E a r t h q u a k e E n g i n e e ri n g a n d S t r u c t u r a l Dy n a mi cs ， 1 98 1， 9 43 7 45 7． [ 4 ] 宋亚新． 考虑土一桩一结构相互作用的框剪结构弹 塑性地震反应分析[ D] ． 上海 同济大学， 1 9 9 8 ． [ 5 ] 何海龙． 不同形式高层结构地震反应及抗震可靠度 研究[ D] ． 上海 同济大学， 2 0 0 5 ． [ 6 ] 张国栋， 王钊． 基于反应谱的土与结构相互作用体 系非平稳随机地震反应分析 [ J ] ． 振 动与冲击， 2 0 0 5 ， 2 4 4 3 1 ． 3 4 ． [ 7 ] 江近仁， 洪峰． 功率谱与反应谱的转换关系和人造 地震波 [ J ] ． 地震工程与工程振动， 1 9 8 4 ， 4 3 】 一 】 f ．