西安某工程抗浮桩设计要点

西安某工程抗浮桩设计要点

郭稳娟王翊辉

陕西省建筑设计研究院有限责任公司陕西西安710018

摘要：本文首先介绍了西安群光广场项目概况、地质概况，阐明了选择预应力高强混凝土管桩的原因，讲解了抗浮桩设计的过程及其细部要求。

关键词：抗浮桩；单桩竖向承载力特征值；单桩竖向极限承载力标准值

一、工程简介

西安群光广场位于西安市东大街与南新街十字东北角，东临炭市街，总建筑面积约为214083.58m2，其中地上约109773.85m2，地下约104309.73m2。地上1～7层及地下1层为商业用房，地下2～5层为停车库（地下5层局部为常6核6人防物资库），建筑高度36m，结构形式为框架-剪力墙结构，其中地上1～7层及地下1层楼盖为梁板体系，地下2~5层采用无梁楼盖、局部采用梁板体系。本工程地基基础设计等级为甲级，建筑桩基设计等级为乙级。因地下水浮力大于结构自重，故应做抗浮设计，本工程采用预应力高强混凝土管桩抗浮。

二、地质概况

本工程场地地面下50m深度范围内，地基土主要由填土、黄土、古土壤、砂层及粉质粘土组成。根据钻探结果将地基土分为9层，现由上至下分层描述如下：①填土：场地北部以素填土为主，场地中南部主要为杂填土；②黄土：黄褐～褐黄色，饱和，软塑，针状孔隙发育，含铁锰质斑点及个别钙质结核，可见蜗牛壳碎片；③古土壤：红褐色～棕红色，可塑，局部软塑；④粉质粘土：黄褐色～褐黄色，可塑，含铁锰质斑点及个别钙质结核，偶见蜗牛壳碎片；⑤粉质粘土：灰黄色～黄褐色，上部局部灰黄色，硬塑～可塑，含铁锰质斑点及个别钙质结核，偶见蜗牛壳碎片；⑥中细砂：灰黄色，密实，饱和，颗粒纯净，矿物成分以长石、石英为主；⑦粉质粘土：黄褐色～褐黄色，硬塑，局部可塑，含铁锰质斑点及个别钙质结核，偶见蜗牛壳碎片；⑧中细砂：灰黄色，密实，饱和，颗粒纯净，矿物成分以长石、石英为主；⑨粉质粘土：黄褐～灰黄色，硬塑，局部可塑，含铁锰质斑点和钙质结核。勘察期间（2010年4月及2011年12月），实测场地地下水稳定水位埋深约在现地面下5.90～7.80m之间，相应标高397.81～399.57m，属潜水类型。本次勘察时所测的地下潜水位属年内季节性变化中的平水位期水位，地下水位年变化幅度按2.0m考虑。地下室抗浮设计水位按401.0m考虑。

根据地基土原位测试结果及土工试验结果，并参考场地附近相似地质条件桩基静载荷试验资料，各层土的桩侧阻力和桩端端阻力特征值按表1采用。

桩的侧阻力特征值和端阻力特征值建议值表表1

注：抗浮桩的参数可按上表中参数乘以0.8的系数采用。

三、抗浮桩类型选择

抗浮桩可选择：①混凝土灌注桩；②预制管桩；③后插筋现浇混凝土桩。本工程经比选采用②预制管桩，其原因有如下几点：

1）施工周期短：管桩由厂家按设计要求可大批量生产，施工现场直接用于施工。大面积作业下成桩速度极快，节省工期效益明显。

2）经济效益好：首先预制管桩较其它两种方案，少了一部分人工成桩的费用；其次因为缩短工期，商业建筑运营可以较早开始，也是间接的节约了成本。

3）质量稳定、施工方便，场地污染及噪声较小。

四、抗浮桩设计

1）本工程正负零对应的绝对高程为406.70米，根据《岩土工程勘察报告》，地下水位抗浮设计时按照401.00米计算。本工程基础底标高为-22.35m（384.35m），抗浮水位高为401.0-384.35=16.65米，计算时抗浮水位取16.7米。抗浮桩由土层④进入土层○6，由于土层○6为砂土，最高标高为369.85m（绝对标高），砂土密实度比较高，打桩困难，因此，将桩打至土层○6之上，取有效桩长14米，桩外径500mm，内径250mm，桩间距≥2米。

2）建立用于抗浮设计的电算：抵抗浮力的荷载一般仅可虑结构构件自重，考虑到可能大规模重新装修，建筑装饰荷载（包括地面做法、后砌隔墙）、设备荷载不应考虑在内。结合甲方需求，本工程考虑了地下四层及地上一、二层楼面荷载，混凝土容重取25KN/m3。

3）基桩的抗拔承载力计算：

，取650KN为单桩承载力标准值；则设计值为：1.35×650=877.5KN

—单桩竖向承载力特征值；

Tuk—单桩竖向极限承载力标准值；

—《岩土工程勘察报告》给出的桩侧阻力特征值调整系数；

—桩周第i层土的极限侧阻力特征值；

—桩身周长；

—桩周第i层土的厚度；

—基桩自重，地下水位以下取浮重度。

因此，选用桩PHC500AB125-14（高强混凝土管桩，采用C80混凝土）。

4）假设管桩轴心受拉，桩身受拉承载力验算：

a、由《建筑桩基技术规范》（JGJ94-2008）5.8.7可知，钢筋混凝土抗拔桩的轴心受拉承载力；其中由《预应力混凝土管桩》（10G409）取=1000Mpa。

b、由《预应力混凝土管桩》（10G409）第16页表查得PHC500AB125-14混凝土有效预压应力，C80混凝土ftk=3.11，管桩裂缝控制等级为二级，管桩桩身不开裂可承受拉力为：

=（6.18+3.11）×3.14×（0.52-0.252）/4=1368.07KN

因此，单桩抗拔承载力取650KN满足桩身不开裂的要求。

5）抗浮桩根数计算（设计时水浮力放大1.05倍）

建筑基础底面积为A=20772m2；

上部结构总重为G1=2380034.25KN（由电算读取）；

基础筏板（厚度0.9m）重：G2=25x0.9x20772=467370KN；

柱墩（平面尺寸2.2m×2.2m，高度0.4m，共277个）重：

G3=25×2.2×2.2×0.4×277=13406.8KN；

抗浮计算水浮力F=16.7×10×20772×1.05=3642370.2KN

a、对于整栋建筑需要的抗浮桩总根数n计算：

n=（F-G1-G2-G3）/650

=（3642370.2-2380034.25-467370-13406.8）/650

=1202.40根，取1203根。

b、每根柱下抗浮桩根数n1计算：局部验算时利用JCCAD将基础筏板划分为有限元，计算出基底反力f，每一根柱下面积A1范围内承受的浮力为：

F1=16.7×10×1.05×A1=175.35×A1

需要的抗浮桩根数n1=（175.35-f）×A1/单桩抗拔承载力，据此计算每个柱网内的桩数。

6）桩身受压承载力验算

当上部结构施工完毕，水位降低在基础以下，水浮力为零，此时桩承受压力最大

对PHC500AB125-14，fc=35.9N/mm2

桩身承受压力设计值N：

考虑一层施工活荷载5KN/m2

G4=5×20772=103860KN

N=（G1+G2+G3+G4）×1.35/1203

=（2380034.25+467370+13406.8+103860）×1.35/1203

=3326.94KNN<R，满足受压承载力要求.

7）群桩基础呈整体破坏时的抗拔承载力验算

经过布桩知柱下最常见情况为柱下六桩

布桩示意图（□示意柱，○示意抗浮桩）

由布桩示意图知六桩桩群外围周长ul=14m，桩群外围面积为11.25m2

=970.67KN

Tgk=2Ra=2×970.67=1941.33KN

V总=14×11.25=157.5m3

V桩=3.14×（0.52-0.252）×6×14=49.455m3

V土=V总-V桩=157.5-49.455=108.045m3

Ggp=[108.045×（18-10）+49.455×（25-10）]/6=267.7KN

Nk=Tgk/2+Ggp=1941.33/2+267.7=1238.37KN>650KN

五、满足整体破坏要求。

特别注意事项

1）降水时限：抗浮桩的设计是结合甲方需求，并综合本工程独自特殊性完成设计的，故要求本工程的工程降水必须在主体全部完成且地下四层及地上一、二层楼面荷载全部施工完毕后方可停止。

2）因设计抗浮桩时已考虑地下室及地上二层装修荷载，故在建筑使用阶段，不得随意进行大面积装修。当需要多楼层同时装修时，应通知设计进行抗浮桩复核。

3）因抗浮桩设计与本工程结构自重有直接关系，故要求在将来无论甲方业态如何调整，结构构件自重均不可变小，即结构构件尺寸只能增大不能减小。

4）抗浮桩为预制管桩，故要求施工时实际完成标高与设计桩顶标高只能产生负差，不得截桩头。

5）抗浮桩填芯混凝土高度为桩顶下3m内，填芯混凝土内掺微膨胀剂，填芯区混凝土与管桩内壁粘结强度设计值应大于0.518MPa。

六、结束语

抗浮桩在设计期间，甲方进行了多次的修改，由一种桩型改为多种桩型，由灌注桩改为预应力混凝土管桩，花费了大量的时间与精力去修改、优化、完善，能够取得今天这些成果，我感到很欣慰！