1工程概况

 

　　该工程位于市区，其地下汽车库为全埋式地下汽车库，工程剖面见图1，结构采用钢筋混凝土梁板式楼盖体系。地下室底板面标高-6.0m，顶板面标高-2.7m，覆土面标高-1.5m，覆土厚度为1.2m。土层情况见表1。场地浅层地下室为孔隙潜水，补给源主要为大气降水，勘察期间测得钻孔稳定水位埋深在地下0.5～1.0m之间。

 

　　表1土层情况

 

　　土层 层厚(m) 其他性状

 

　　①杂填土 0.5～1.2 —

 

　　②粘土 0.7～1.4 软塑，饱和

 

　　③淤泥 18.2～28.4 流塑，饱和

 

　　④粘土 3.2～4.7 可塑，饱和

 

　　⑤粉质粘土 15.2～18.7 可塑，中等压缩性，w0=30.1%，e0=0.944

 

　　2抗浮整体设计计算

 

　　2.1抗浮工况

 

　　结构进行抗浮分析计算时，考虑了三种工况：

 

　　2.1.1施工阶段

 

　　车库顶板已施工完成，覆土尚未回填，要求在施工阶段采取可靠的降排水措施，设计不考虑施工阶段的浮力作用；

 

　　2.1.2使用阶段

 

　　考虑常年稳定水位下地下水的浮力作用，以地表下0.5m作为抗浮计算水位，抗浮系数采用1.2；

 

　　2.1.3漫水工况

 

　　考虑使用阶段短时水位超过室外地面，抗浮系数取1.1。

 

　　2.2抗浮方案

 

　　图1地下室剖面示意图图2管桩接桩示意图

 

　　结合工程实际、当地供货情况、施工水平和甲方对工期的要求，设计时比较了钻孔灌注桩和先张法预应力混凝土管桩作为抗拔桩的方案，预应力管桩方案具有以下优点：承载力高，根据岩土勘察报告，管桩qsia要比钻孔灌注桩高20%～30%；经济性好，根据桩基施工单位报价，当地φ500钻孔灌注桩造价为176元/m，而B600110管桩为153元/m；由于管桩为预制桩，材料供货方便，施工速度快；正常使用极限状态下管桩混凝土为压应力或零应力，工作状况合理，充分利用了管桩的预应力优势。因此确定预应力管桩作为工程的抗拔桩。

 

　　3抗拔桩设计

 

　　设计选用B600110桩型，由于在枯水工况下桩须承受压力作用，故选用层⑤粉质粘土作为桩端持力层，设计桩长为36m。管桩作为抗拔桩使用时，设计计算应从以下几方面确定单桩竖向抗拔承载力特征值。

 

　　3.1桩身抗拉强度

 

　　验算桩身抗拉强度时荷载效应采用基本组合Qc，桩身仅考虑预应力，不计算混凝土抗拉应力：

 

　　Qc≤σpcA0(1)

 

　　式中：Qc为相应于荷载效应基本组合时的单桩竖向力设计值；σpc为管桩混凝土有效预压应力，σpc=4.1Mpa；A0为桩身换算横截面面，A0=An+(Es/Ec-1)Ap。经计算，设计应满足Qc≤527kN。

 

　　3.2管桩连接构件的强度验算

 

　　3.2.1焊缝强度验算

 

　　由于焊缝是采用未焊透的对接焊缝，且考虑现场焊缝质量达不到二级要求和端板受力偏心的影响，焊缝抗拉强度的设计值取为170Mpa。具体的焊缝强度验算如下：

 

　　Nl≤1/4π(Dl2-D22)ftw=0.25×3.14×(5982-5762)×170=3448kN

 

　　式中：Dl———焊缝外径，取Dl=D-2(mm)；

 

　　D2———焊缝内径，取Dl=D-24(mm)；ft

 

　　w———焊缝抗拉强度设计值。

 

　　从焊缝验算中可以看出，如果焊缝质量可以保证，则端板焊缝强度远大于桩身结构强度。但是在实际的工程中发现，由于施工质量的问题，焊缝处发生质量事故的几率很大。

 

　　因此，本工程设计中为确保端板连接的焊接质量，要求施工单位必须严格按照相应规范进行焊接施工。另外，设计明确要求对试桩接头的焊缝质量进行探伤检查。

 

　　3.2.2墩头抗拉强度验算

 

　　管桩做抗拔桩的静荷载试验中，预应力筋墩头被拉断的情况时有发生。墩头折减系数可按有关规范取0.92，钢棒墩头抗拉强度设计值为：

 

　　N≤fpy×Ap=0.92×1420×0.85/1.2×18×3.14×10.72/4=1378kN

 

　　上式没有考虑管桩两端6φ22×400非预应力锚筋的有利因素。另外，由于管桩采用先张法施加预应力，因而单节桩的预应力筋与端板的整体连接强度在管桩制作过程中都已得到检验。理论上讲，只要管桩制作时预应力张拉到位，构件的整体连接强度应该是可靠的。

 

　　3.2.3孔口端板抗剪强度验算

 

　　孔口最薄弱处为端板上预应力钢棒锚固孔台阶易产生冲切破坏。上海管桩图集取ts=19mm，端板孔口抗剪强度设计值验算如下：

 

　　N

 

　　18×3.14×(12+20)/2×[19-(9.5+6)/2]×120=1221kN

 

　　试桩采取加厚端板的方法，来提高端板孔口抗剪强度。端板厚度ts=30mm，相应的抗剪强度设计值为2416kN。

 

　　3.2.4端板抗弯强度验算

 

　　在管桩抗拔静荷载试验中，一般是采用混凝土填芯以及填芯内的插筋来传递上拔力，但在拟定加载量不大时为了节省费用或工期紧迫，有时采取在端板直接焊接上引钢筋传递上拔力。为使上拔力均匀传递至端板，宜增加一过渡段，先将圆钢柱筒与管桩端板T形对接焊透，再将上引钢筋焊接在圆钢柱筒上，如图3所示。

 

　　图3端板与圆钢柱筒、上引钢筋连接详图

 

　　将预应力筋的拉力连续化后的端板作为一悬臂板计算。端板受弯强度验算如下：

 

　　M/W≤f

 

　　式中：M———弯矩；

 

　　W———抗弯截面模量；

 

　　f———Q235强度设计值。

 

　　经计算可知：端板最大受拉承载力设计值为1320kN。

 

　　虽然在端板上先焊接圆钢柱筒后焊上引钢筋的做法要比直接焊接钢筋荷载传递均匀，但是仍然会产生一定的偏心力，端板仍然是一偏心受拉构件。为了保证桩承受轴心拉力，可对节点采取下面改进措施，在端板沿径向焊接100×(100—600)×8立起的梯形钢板，立板上焊上引钢筋传递上拔力。

 

　　3.3填芯混凝土的抗拔验算

 

　　抗拔静荷载试验一般用微膨胀混凝土填芯内插钢筋的做法传递上拔力。建议的方法计算填芯黏结力。N=kπDLft

 

　　式中：N———填芯黏结力设计值，kN；

 

　　D———填芯直径(管桩内径)；

 

　　L———填芯高度；

 

　　ft———填芯混凝土抗拉强度设计值，Mpa；

 

　　k———平均黏结剪应力系数。

 

　　对于比较光滑的黏结面，建议：k=0.45～0.56；文献[1]3组试件的下限值为k=0.53。

 

　　验算取k=0.45，同时考虑到管桩内壁实际上是比较粗糙的，取k=0.45是偏于安全的。以B600110管桩为例，填芯采用C35微膨胀混凝土，填芯高度3m时，黏结力约为2530kN。填芯内插12φ22HRB335，钢筋锚固长度满足混凝土结构设计规范要求，末端熔透于直径370mm，厚5mm的圆形托板上。按照相关桩基检测规范的要求，试验最大上拔力不得超过受拉钢筋强度标准值的0.9倍或设计值，计算出钢筋所能提供的最大加载量1368kN。

 

　　3.4根据地质资料确定地基土对管桩的承载力

 

　　RaL=UpΣλiqsiali+Gpk(3)

 

　　式中：Up为桩身周长；RaL为抗拔承载力特征值；λi为土层抗拔系数，取0.7；li为土层厚度；Gpk为单桩自重标准值，扣除浮力。

 

　　根据式(3)可得RaL为260kN，与此对应的基本组合Qc为310kN，满足式(1)，(2)，设计取RaL=260kN。

 

　　3.5桩端与承台连接

 

　　桩端伸入承台长度满足设计要求，且不需要凿桩时按图4(a)连接，需要凿桩时按图4(b)连接。

 

　　3.5.1L1须满足桩抗拔承载力通过填芯混凝土与管桩内壁粘结力的传递：

 

　　RaL≤ψπD2L1ft(4)

 

　　式中：D2为管桩内径，取300mm；ft为混凝土抗拉强度设计值，取1143kN/mm2；ψ为粘结系数，取0.3。求得L1≥800mm。

 

　　图4管桩与承台的连接示意图

 

　　由于凿桩使管桩端板对预应力钢筋的锚固受破坏，在凿桩段预应力未充分传递，故建议L1应不小于预应力钢筋锚固长度，并依据有关规定取L1=3000mm。

 

　　3.5.2L2应满足受拉钢筋的锚固长度要求，并依据有关规定取L2=40d。

 

　　管桩墩头预应力筋与端板的连接强度由厂家根据试验确定，当管桩作为抗拔桩使用时，在设计文件中须提出连接强度不小于桩身抗拉强度的要求。

 

　　4静荷载试验与结果

 

　　试桩采用的上海管桩图集B60011033m管桩，端板厚度30mm。微膨胀剂掺量取为15%，填芯混凝土内箍筋采用螺旋箍φ8@200。同时，采取减小端板内径的方法，内径380mm减小至360mm，确保混凝土填芯的抗拔强度。

 

　　虽然填芯黏结力约为2530kN，超过2400kN的最大加载量。但是12φ22HRB335只允许提供1368kN的上拔力。同时内插钢筋数量不宜增多，否则钢筋过密会导致静荷载试验横梁安装困难。

 

　　所以采取混凝土填芯内插钢筋与端板焊接圆钢钢柱筒两种方式联合传递上拔力的方法。为确保上、中节桩接桩间上拔力的可靠传递，管桩上、中段连接节点处用6块270mm×80mm×8mm的钢板将上、中段桩焊接起来，并将接头处的钢套箍壁厚度由2.3mm改为8mm。静荷载试验结果表明：4组抗拔桩在2400kN荷载作用下，管桩连接节点均能满足抗拔承载力的要求，且均未达到土体的破坏。

 

　　5结语

 

　　在抗拔桩设计中，应根据工程具体情况采用不同的桩型。采用标准图集时，应注意桩受拉力的特点，验算桩身强度、抗裂、桩顶节点和接桩节点，满足桩承载能力极限状态和正常使用极限状态下的设计要求，确保桩可靠传递拉力，保证工程质量。

 

　　参考文献：

 

　　[1]张忠.预应力混凝土管桩填芯混凝土抗拔试验研究及理论分析[D].合肥工业大学，2006.

 

　　[2]先张法预应力混凝土管桩基础技术规程(DB33P1016—2004)[S].北京：中国建筑工业出版社，2004.