预应力管桩基础抗拔设计实例分析1

预应力管桩基础抗拔设计实例分析
The Structure design and analy of one prestressed pipe pile foundation
杨明
（广州市城市规划勘测设计研究院，510060）
（Guangzhou Urban Planning & Design Survey Research Institute,510060）
摘要：在根据中国移动南方基地项目的地质实际情况而整体采用预应力管桩基础的前提下，部分建筑的局部位置需采取基础抗拔处理，基于工程进度需要等方面的原因，虽预应力管桩的
抗拔承载力不高，仍将其应用到本工程中。

本文对预应力管桩的抗拔设计原理作了介绍，
并对桩头连接等结构节点的处理进行了阐述。

关键词：管桩、抗拔设计、桩头连接节点
Keywords：Pipe pile Design of the uplift Pile head connection node
经过约二十年来的推广，预应力管桩由于其具有造价低廉、工艺成熟、施工便捷、质量可靠等优点，在广东地区得到广泛的应用，与人工挖孔桩、冲（钻）孔桩并列为广东地区的三大常用桩型，特别是在表层土质差、岩层埋深较大的多层、小高层建筑中被当作首选桩基础型式。

由于预应力管桩具备有效单位面积承压强度大的特点，通常都是用来作抗压桩设计，较少拿来作抗拔桩设计。

在“中国移动南方基地项目”基础设计中，因项目特除需要而局部采用预应力管桩作抗拔桩来处理地下室抗浮问题，并对预应力桩的抗拔性能进行分析及计算。

1 工程概况
“中国移动南方基地项目”位于广州市天河科技园高唐基地内，为基地IT产业组团的一个组成部分，属于研发产业及其配套建筑项目，共有二十多幢多层建筑，总建筑面积：265760m2。

根据《岩土工程勘察报告》显示，场地属丘陵缓坡地段，起伏较大，土层自上而下分别描述见下表1。

在综合考虑场地特点、基础方案的安全可靠、经济适用及施工工期等情况后，地块所有建筑整体采用静压预应力管桩基础。

其中，自编“4-1~3栋会议交流中心”项目在4-2栋与4-3栋之间设置了一地下2层地下室与该两建筑相连，地下2层为游泳池设备用房（埋深9.3米），地下1层为游泳池，其上方无顶盖，该部分面积约560平方米，前方约30米的地方为人工湖，地下水位较高，水源丰富。

根据工程的计算分析，选用管桩的截面为Φ400X95（PHC-AB）,桩身混凝土强度为C80，竖向抗压承载力特征值为1200KN，竖向抗拔承载力特征值为210KN。

关于地下室游泳池部分抗浮问题，原拟按常规采用抗拔锚杆设计，因面积不大，采用抗拔锚杆比采用管桩作为抗浮处理方案产生的造价相差不大，再综合施工工序等因素的考虑，经与建设单位沟通同意采用管桩作抗拔桩来处理地下室抗浮问题。

以下简要介绍该工程的预应力管桩抗拔承载力计算及相关节点的处理。

2 预应力管桩的抗拔承载力计算
2.1桩身承载力控制
2.1.1截面为Φ400X95的管桩（PHC-AB）的预应力筋的配筋为7Ф10.7，预应力筋抗拉强度设计值f py＝0.8×1420＝1136MP a，根据《混凝土结构设计规范》[1] 第6.2.22条公式可得管桩的轴向拉力设计值为：N＝f py A p＝715KN
2.1.2管桩桩身轴心受拉时，裂缝控制等级取一级，并应符合以下规定：
N≤Ơce A0（Ơce、A0---混凝土有效预压应力值、截面换算面积）
根据《锤击式预应力混凝土管桩基础技术规程》[4] 第3.0.12条经验公式计算，管桩的有效预压应力为：Ơce＝800n×A a/A＝5.53MP a
考虑到预应力筋的实际配筋不大，其所引出的截面换算面积亦不大，故仅考虑管桩桩身实际有效面积（A）作计算。

该处理亦与《锤击式预应力混凝土管桩基础技术规程》[4] 第5.2.9条公式要求一致，即管桩的轴向拉力设计值为：N＝Ơce A＝498KN
2.2 按桩侧摩阻控制
因本工程是采用静压预应力管桩基础，且经场地试桩，管桩基本穿过全风化花岗岩带以上土层，稳定落于强（全）风化花岗岩带上。

借助外力逼入成品桩势必对土层进行了挤压，加强了土层对桩的约束力，如仍按《岩土工程勘察报告》所提供的桩侧土层的阻力特征值代入《建筑桩基设计规范》[2] 有关侧阻力的计算略为偏小。

因管桩基本稳定落于强（全）风化花岗岩带上，且桩靴是采用封底十字刀刃型，对桩端持力层的扰动不大，故可根据桩的竖向抗压承载力特征值及桩端阻力特征值来反算桩抗压侧阻力特征值，如下：Q sa＝R a－Q p a＝1200－4000×3.14×0.22＝698KN 根据本工程地质的具体情况结合桩基旧规范的有关要求，抗拔系数可按如下考虑：
λ＝1/1.65＝0.606
本工程采用的桩型的理论质量为237 Kg/m，桩长按8米计算。

按《锤击式预应力混凝土管桩基础技术规程》[4] 第5.2.8条公式，桩侧摩阻控制的管桩轴向拉力特征值为：F＝λQ sa﹢0.9G＝440KN 桩侧摩阻控制的管桩轴向拉力设计值为：N＝1.25F＝550KN
2.3 基础抗拔设计方案及验算
根据本工程地下游泳池位置布置的情况，采用筏板+正交网格的抗拔管桩对基础进行设计，管桩按4D=1.6m(D为桩直径)正交网格布置，筏板厚度为0.6米，如图所示。

图2中国移动南方基地项目自编“4-1~3栋会议交流中心”抗拔桩平面布置图
考虑地水位较高且临湖面，工程室内外高差为0.1米，即地下游泳池底板底的水头压力为：p＝10×(9.3﹢0.6－0.1) ＝98P a
地下1层混凝土结构折算厚度为0.15m，即单根管桩需承受的抗拔力为：
P＝(98－25×0.75) ×1.62＝203KN
综上述，将本工程的管桩轴向拉力设计值取为260KN(特征值为210KN)，即可满足设计要求。

3 桩头连接节点设计及验算
预应力管桩与承台（筏板）的连接是基础抗拔设计中必需引起重视的一个结构节点。

对于本工程，主要是采用桩顶填芯区插筋与筏板连接方式。

对于桩顶填芯区，在浇灌填芯混凝土前，应先将管桩内壁浮浆清理干净，宜采用内壁涂刷水泥净浆，并采用C30的微膨胀细石混凝土填芯，以提高填芯混凝土与管桩桩身混凝土的整体性；桩顶填芯区应采用比管桩内径略小的4~5厚的圆薄钢板作托板，填芯区插筋宜与钢托板焊接，详见连接节点大样图。

该节点的设计应注意填芯区混凝土与管桩桩身混凝土的粘结强度问题、填芯区插筋的抗拉强度问题及钢筋抗拔锚固问题。

3.1填芯区混凝土与管桩桩身混凝土的粘结强度验算
根据《锤击式预应力混凝土管桩基础技术规程》[4] 第5.3.2条公式，桩顶填芯区混凝土深度为：L a＝Q t/(f n×U pn)＝2630mm
因预应力管桩的内径较小，为了保证桩顶填芯区混凝土的浇灌质量，其深度不宜过大。

本工程取桩顶填芯区混凝土深度为3.0米，满足计算要求及规程的抗拔不小于2.0米的构造要求。

3.2填芯区混凝土插筋抗拉强度验算
因考虑到施工的因素，凿去桩顶以上1米的桩体时要求保留的预应力筋未必能保留住（实际施
工中，为了加快工程进度，通常是采用机械截桩的方法来进行桩头处理），只能作安全储备考虑，连
接的抗拉承载力全由桩顶填芯区插筋承受。

根据《混凝土结构设计规范》[1] 第6.2.22条公式，该插筋的配筋面积为：A s＝N/f y＝(260×103)/310 ＝839mm2
本工程配4Φ18(A s=1017mm2)，并在桩顶填芯区按构造配箍筋Φ8@200，满足计算要求及规程的构造要求。

有关钢筋抗拔锚固长度的计算，需根据《混凝土结构设计规范》[1] 的有关规定进行验算，本文就不再论述。

图3管桩与承台（筏板）连接示意图
4 结语
通过上述案例计算的分析，预应力管桩的抗拔性能更受桩头连接节点抗拔承载力的控制，不能充分发挥其桩体及桩周阻力的抗拔能力。

相对其高效的抗压性能，管桩的抗拔承载力明显过低，经济性不好，不宜作为抗拔桩型广泛使用。

随着经济的发展，含地下室的多层建筑越来越多，该类建筑的基础设计时可能会存在部分既承压又抗拔的桩基础，往往其抗拔承载力要求不高，就可充分利用预应力管桩的特点了，在其设计中需要充分考虑桩头连接节点的控制要求。

参考文献：
[1] 混凝土结构设计规范（GB 50010-2010）
[2] 建筑桩基设计规范（JGJ 94-2008）
[3] 建筑地基基础设计规范(GB50007-2002)
[4] 广东省标准《锤击式预应力混凝土管桩基础技术规程》（DBJ/T15-22-2008）。