抗拔樁設(shè)計(jì)成本控制因素探討

朱正宜

（廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，廣東 廣州 510030）

1 抗拔樁常規(guī)設(shè)計(jì)方法

地鐵結(jié)構(gòu)抗浮設(shè)計(jì)時(shí)，一般情況先計(jì)算該設(shè)計(jì)部位浮力以及結(jié)構(gòu)自重、覆土自身的抗浮力，若自身質(zhì)量不足以抵抗浮力，再考慮利用兩側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的重力及摩阻力。當(dāng)結(jié)構(gòu)寬度大、底板埋深大、覆土淺，前述抗浮力仍不足時(shí)，則需要考慮設(shè)置抗拔樁等其他抗浮措施。

《建筑工程抗浮技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ 476—2019）關(guān)于抗浮計(jì)算要求如公式（1）所示。

式中：為建筑結(jié)構(gòu)自重、附加物自重、抗浮結(jié)構(gòu)及構(gòu)件抗力設(shè)計(jì)值總和（kN），該文為便于區(qū)分，后續(xù)按=（建筑結(jié)構(gòu)自重）+（覆土自重）+（圍護(hù)結(jié)構(gòu)自重）+（圍護(hù)結(jié)構(gòu)抗浮力）+（抗拔樁抗拔力）；N為浮力設(shè)計(jì)值（kN）；K為抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)，見(jiàn)表1。

表1 建筑工程抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)Kw

該工程抗浮等級(jí)為甲級(jí)，抗浮安全系數(shù)施工期按1.05考慮，使用期按1.1考慮。

由于常規(guī)抗浮樁設(shè)置于框架柱或底縱梁下，抗浮樁間距一般超過(guò)3倍樁徑。為簡(jiǎn)化研究，本次不考慮群樁效應(yīng)。

地鐵抗浮計(jì)算通常采用斷面計(jì)算，即選取典型橫斷面計(jì)算單位長(zhǎng)度內(nèi)浮力值、抗浮力值。當(dāng)抗浮安全系數(shù)不滿足要求時(shí)，則增設(shè)抗浮樁。

式中：T為群樁的總抗拔承載力（kN）；為計(jì)算范圍抗拔樁數(shù)量（根）；Q為單根抗拔樁極限承載力特征值（kN）；G為單樁容重（kN）；Q為單根抗拔樁極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值（kN）；為樁身直徑（m）；λ為抗拔系數(shù)；q為樁側(cè)表面第層土黏結(jié)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值（kPa）；l為第層土內(nèi)的樁長(zhǎng)（m）。

樁身裂縫宜采用抗拔樁極限承載力特征值控制，裂縫寬度應(yīng)符合下列規(guī)定，如公式（2）所示。

式中：為按荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合計(jì)算的最大裂縫寬度，mm；為最大裂縫寬度限值，該工程按0.2mm考慮。樁身的裂縫控制等級(jí)及最大裂縫寬度限值見(jiàn)表2。

表2 樁身的裂縫控制等級(jí)及最大裂縫寬度限值

2 某車站抗拔樁設(shè)計(jì)

南昌某地下三層車站，車站結(jié)構(gòu)總寬度25.9m，總高度20.2m，頂板覆土約2.93m?；由疃?3.33m，采用1m厚地下連續(xù)墻，疊合墻形式。結(jié)構(gòu)橫斷面如圖1所示。

圖1 結(jié)構(gòu)橫斷面布置圖（單位：m）

場(chǎng)地范圍自上而下依次為①1雜填土、③1粉質(zhì)黏土、③5礫砂、③6圓礫、③6j礫砂、⑤1-1強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、⑤1-2中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、⑤1-3微風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖?？垢∮?jì)算取地下水位至地面處，地墻摩阻力僅考慮坑底以下擾動(dòng)較小部分?？拱螛锻翆釉O(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 抗拔樁設(shè)計(jì)巖土參數(shù)

取縱向柱跨7m作為單元進(jìn)行抗浮驗(yàn)算，抗浮水位取至地面。其驗(yàn)算過(guò)程：1）浮力設(shè)計(jì)值N=25.9×20.2×10×7=36622.6kN。2）結(jié)構(gòu)自重1=93.99×25×7+13.8×0.8×1.2×25×2=17110.65kN（注：橫斷面面積93.99m，柱截面0.8m×1.2m，柱總高13.8m）。3）覆土浮容重2=25.9×2.93×（18-10）×7=4249.67kN。4）圍護(hù)結(jié)構(gòu)自重3=27×1×（25-10）×2×7=5670kN。

由于++<N，因此須考慮圍護(hù)結(jié)構(gòu)摩阻力參與抗浮。圍護(hù)結(jié)構(gòu)抗浮力，僅考慮坑底以下擾動(dòng)較小部分地墻摩阻力。因此，=1834.924×7×2=12844.468kN。由于K=/N=1.089，小于抗浮安全系數(shù)1.1，考慮設(shè)置抗拔樁?？拱螛冻休d能力須滿足N×K-（+++）=6080.07kN。

由于設(shè)置抗拔樁后對(duì)結(jié)構(gòu)受力改變較大，須建立模型計(jì)算樁頂荷載。采用SAP2000平面模型，按抗浮工況計(jì)算樁頂荷載結(jié)果。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，若縱向跨度7m內(nèi)只設(shè)置2根抗拔樁，則每根抗拔樁樁頂承受上拔力為498.26×7=3487.82kN。可見(jiàn)11m樁長(zhǎng)不能滿足要求。經(jīng)試算，樁長(zhǎng)取11.5m，單樁抗拔極限承載力設(shè)計(jì)值為3519kN，安全系數(shù)1.28，滿足抗浮要求。若縱向跨度7m內(nèi)設(shè)置4根抗拔樁，則每根抗拔樁樁頂承受上拔力為498.26×7/2=1743.835kN。經(jīng)試算，樁長(zhǎng)取6m，單樁抗拔極限承載力設(shè)計(jì)值為1761kN，安全系數(shù)1.28，滿足抗浮要求。

下文對(duì)抗拔樁設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)鋼筋抗拉強(qiáng)度發(fā)揮及抗拔樁成本的影響進(jìn)行探討，以此明確方案的經(jīng)濟(jì)性。

3 抗拔樁設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)成本的影響

抗拔樁基本情況如下：1）總抗力3500kN左右，樁長(zhǎng)、樁徑和樁數(shù)變化。2）受力鋼筋HRB400，保護(hù)層厚度70mm。3）材料單價(jià)HRB400級(jí)螺紋鋼5240元/t，C35混凝土535元/m。由于上部空樁長(zhǎng)度17.57m，因此一并考慮空樁對(duì)成本的影響。

3.1 樁徑對(duì)抗拔樁成本的影響

將樁長(zhǎng)保持在11.5m，總承載力和裂縫盡可能接近控制值。將不同樁徑及不同鋼筋直徑情況進(jìn)行對(duì)比，見(jiàn)表4。

表4 樁長(zhǎng)不變，樁徑、樁數(shù)變化對(duì)比表

從表4可以看出：①總抗拔力固定，樁長(zhǎng)和鋼筋直徑相同，隨樁徑的增加，鋼筋強(qiáng)度發(fā)揮度雖有提高，但是并不明顯，鋼筋的用量差別不大，混凝土的用量變化較大，抗拔樁的成本由混凝土量決定；②樁長(zhǎng)和鋼筋直徑相同，樁徑越大，抗拔樁比表面積越小，單方抗拔力越小，混凝土的用量越多，抗拔樁總成本越大。樁徑越大，空樁在成本中占比越大。因此可以看出，抗拔樁盡量考慮樁徑較小的方式。樁長(zhǎng)相同的情況下，樁徑越大單樁承載力越大，在總承載力需求一定的情況下，單樁調(diào)節(jié)幅度大，容易產(chǎn)生較大偏差。

3.2 樁長(zhǎng)對(duì)抗拔樁成本的影響

樁徑保持不變，總承載力和裂縫盡可能接近控制值。將不同樁長(zhǎng)及不同主筋直徑情況進(jìn)行對(duì)比，見(jiàn)表5。

從表5可以看出：總抗拔力固定，樁徑相同的情況下，隨著樁長(zhǎng)增加，鋼筋強(qiáng)度雖然提高了，但是并不明顯，鋼筋的用量差別較大，混凝土的用量變化不大，抗拔樁的成本由鋼筋用量決定。

表5 樁徑不變，樁長(zhǎng)、樁數(shù)變化對(duì)比表

3.3 鋼筋直徑對(duì)抗拔樁成本的影響

樁徑、樁長(zhǎng)不變，總承載力和裂縫盡可能接近控制值。僅調(diào)整主筋直徑，對(duì)比不同鋼筋直徑情況。通常都會(huì)選取3種樁徑下總造價(jià)最低的樁長(zhǎng)、樁數(shù)方案，并對(duì)比不同主筋直徑對(duì)造價(jià)的影響，見(jiàn)表6。從表6可以看出，同一樁長(zhǎng)樁徑情況下，鋼筋直徑小，有利于提高鋼筋強(qiáng)度，總鋼筋的用量差別不大。但實(shí)際配置時(shí)要注意鋼筋間距須滿足最小間距要求。通過(guò)縱向?qū)Ρ?，可以看出樁徑較小的0.6m方案總成本相對(duì)較低，設(shè)計(jì)中宜優(yōu)先考慮較小直徑抗拔樁方案。受力鋼筋直徑亦采用細(xì)密布置原則。由于抗拔樁設(shè)置于底縱梁下，將改變底縱梁受力模式，因此樁數(shù)選擇要結(jié)合結(jié)構(gòu)形式及抗浮工況下底板受力情況綜合確定。

表6 樁徑不變，樁長(zhǎng)、樁數(shù)變化對(duì)比表

4 方案選定

根據(jù)車站結(jié)構(gòu)形式，車站為雙柱三跨車站，中間設(shè)置兩道縱梁。抗拔樁理想位置是柱底，其次為縱梁下方。同時(shí)考慮抗拔樁間距須大于3倍樁徑，因此該車站抗拔樁的平面主要有以下2個(gè)方案。

4.1 每跨兩樁方案

抗拔樁布置在框架柱與底縱梁交叉點(diǎn)位置，縱向間距7m，一個(gè)計(jì)算斷面內(nèi)布置2根抗拔樁，樁徑可采用0.6m、0.8m、1m、1.2m，滿足樁間距大于3倍樁徑。

4.1 每跨四樁方案

抗拔樁布置在框架柱與底縱梁交叉點(diǎn)位置及底縱梁中部，縱向間距3.5m，一個(gè)計(jì)算斷面內(nèi)布置4根抗拔樁，樁徑可采用0.6m、0.8m，滿足樁間距大于3倍樁徑。根據(jù)前述方案布置，對(duì)以下方案進(jìn)行對(duì)比，可以看出樁徑0.6m，每跨布置4根抗拔樁時(shí)總成本最低，見(jiàn)表7。因此本站宜選擇φ600樁徑，9.8m樁長(zhǎng)，每跨布置4根的方案。

表7 結(jié)合平面布置方案對(duì)比表

5 結(jié)語(yǔ)

對(duì)具體案例的研究，影響抗拔樁設(shè)計(jì)方案及造價(jià)的因素很多，具體設(shè)計(jì)時(shí)要注意以下4個(gè)方面：1）樁徑越小，比表面積越大，單方抗拔力越大，混凝土用量越少，總成本相對(duì)較低，抗拔樁布置時(shí)盡量選擇細(xì)密的布置方式。2）樁長(zhǎng)越長(zhǎng)，鋼筋抗拉強(qiáng)度越低，單方鋼筋用量越大，總費(fèi)用越高；樁徑相同的情況下，隨樁長(zhǎng)的增加，鋼筋強(qiáng)度發(fā)揮度雖有提高，但是并不明顯，鋼筋的用量差別較大，混凝土的用量變化不大，抗拔樁的成本由鋼筋用量決定。但空樁對(duì)成本造成一定的影響，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意。3）同一樁長(zhǎng)樁徑情況下，鋼筋直徑小有利于提高鋼筋強(qiáng)度，總鋼筋的用量差別不大。但實(shí)際配置時(shí)要注意鋼筋間距須滿足最小間距要求。4）抗拔樁對(duì)結(jié)構(gòu)受力有一定影響，設(shè)計(jì)時(shí)要結(jié)合車站結(jié)構(gòu)形式，合理選擇樁的位置與數(shù)量。