抗拔桩的设计

第２５卷第１期　２００９年２月　

结构工程师　

Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ　Ｖ０１．２５．Ｎｏ．１　

Ｆｅｂ．２００９　

抗拔桩的设计　陆培俊　（同济大学建筑设计研究院，上海２０００９２）　

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　

Ｐｕｌｌｉｎｇ·Ｏｕｔ　Ｒｅｓｉｓｔｅｎｔ　Ｐｉｌｅ　Ｄｅｓｉｇｎ　ＬＵ　Ｂｅｉｊｕｎ　（Ｔｈｅ　Ａｒｅｈｉｔｅｅｈｕｒａｌ　Ｄｅｓｉｇｎ＆Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｔｏｎ￣ｉ　Ｕｎｉｎｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ　２０００９２，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎｉｎｇ　ｅｓｓｅｎｔｉａｌｓ　ｆｏｒ　ｐｕｌｌｉｎｇ—ｏｕｔ　ｒｅｓｉｓｔｅｎｔ　ｐｉｌｅｓ　ｗｅｒｅ　ｉｎｔｅｒｐｒｅｔｅｄ　ｉｎ　ａｃｃｏｒｄａｎｃｅ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎｓ．Ｔｈｅ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｄｅｓｉｇｎｉｎｇ　ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ　ｆｏｒ　ｐｕｌｌｉｎｇ—ｏｕｔ　ｒｅｓｉｓｔｅｎｔ　ｐｉｌｅ　ｔｙｐｅｓ　ｆｒｅｑｕｅｎｔｌｙ　ｏｅｃｕｒｅｄ　ｗｅｒｅ　ｅｘｐｌａｉｎｅｄ　ｉｎｄｉｖｉｄｕａｌｌｙ．Ｔｈｅ　ｋｅｙ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｐｕｌｌｉｎｇ—ｏｕｔ　ｒｅｓｉｓｔｅｎｔ　ｐｉｌｅｓ　ｗｉｌｌ　ｂｅ　ｔｈｅ　ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ　ａｎｄ　ｃｒａｃｋ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ．Ｓｏｍｅ　ｍｉｓｕｎｄｅｒｓｔａｎｄｉｎｇ　ｉｎ　ｐｕｌｌ—ｏｕｔ　ｒｅｓｉｓｔｅｎｔ　ｐｉｌｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｗｅｒｅ　ｄｅｃｌａｒｅｄ，　ａｎｄ　ｓｏｍｅ　ｂｅｎｅｆｉｃｉａｌ　ｉｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｓ　ｗｅｒｅ　ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ　ｐｕｌｌｉｎｇ—ｏｕｔ　ｒｅｓｉｓｔｅｎｔ　ｐｉｌｅ，ｂｕｏｙａｎｃｙ　ｒｅｓｉｓｔｅｎｔ　ｐｉｌｅ，ｂｕｏｙａｎｃｙ　ｒｅｓｉｓｔｅｎｔ　ｔｅｓｔｉｎｇ　ｐｉｌｅ，ｂｅａｒｉｎｇ　ｃａｐａｃｉｔｙ　ｏｆ　ｐｕｌｌ—ｏｕｔ　ｒｅｓｉｓｔｅｎｔ　ｐｉｌｅ，ｃｒａｃｋ　

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　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》（ＧＢ　５Ｏ００７一　收稿日期：２００８—０６—２１　２００２）Ｅｌｉ８．５．５／１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》（ＤＧＪ　０８—１１—１９９９）　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》（ＪＧＪ　９４—２０ＨＤ８）　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》（ＤＧＪ　０８—１１—　１９９９）　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　Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ　Ｖｏ１．２５，Ｎｏ．１　·７６·　进行计算，取其小值。”　《地基基础设计规范》（ＤＧＪ　０８—１１－－　１９９９）　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》（ＪＯＪ　９４＿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》（ＧＢ　５ｏ００７—　２００２）　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》（ＧＢ　５ｆ）（Ｊ１０—　２００２）　７．４．１，桩身设计轴向拉力设计值表达　式为　Ｎ≤ｆｖＡ　＋厂ｎ　《建筑桩基技术规范》（ＪＧＪ　９４—２ｏ０８）　５．８．７给出了类似的公式。　本文仅考虑非预应力桩，则　Ｎ≤ｆｖＡ　（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＜．ｆｒｋ　，即抗拔桩的配筋设　计可以由Ｒ　确定。　（４）与此同时，应当依据《混凝土结构设计　规范１３．３．４规定的构件裂缝控制等级及最大裂　缝宽度限值，对抗拔桩作裂缝验算。验算按《混　凝土结构设计规范》８．１．１、８．１．２与８．１．３进行。　８．１．２规定：按荷载效应的标准组合并考虑　长期作用影响的最大裂缝宽度（ｍｍ）可按下列公　式计算：　∞　＝　（１．９ｃ＋０．０８ｄ　。ｓｖ　）　ｋ／Ｅ　（３）　其中，　为“按荷载效应的标准组合计算的　钢筋混凝土构件纵向受拉钢筋的应力”，其值按　式８．１．３计算：　ｋ＝Ｎｋ／Ａ。　（４）　这里，Ⅳｋ应为“按荷载效应的标准组合计算　的轴向力值”。　《建筑桩基技术规范》（ＪＧＪ　９４—２ｏ０８）５．８．８　作了类似于《混凝土结构设计规范》　８．１．１的　表述。　以上依据现行规范，对抗拔桩的设计计算作　了简要阐述，并列出了主要计算式。　

３关键　事实上，抗拔桩的设计焦点往往归结到它的　配筋设计；而其配筋设计又往往与其裂缝控制有　很大关系；抗拔桩的裂缝控制则与抗拔桩的应用　形态有关。　从《混凝土结构设计规范》关于钢筋混凝土　构件裂缝验算的条文看，裂缝验算针对的是构件　的正常使用极限状态。而锚桩和抗浮试桩所处的　是承载力的极限状态；只是当它们兼作工程桩时，　才会分别转化为抗压桩和抗浮工程桩。对它们作　裂缝验算就应当顾及它们转化后的状态。从抗拔　桩的裂缝控制看，可以依据其应用形态将之分为　三种：　（１）锚桩是为了验证地基土对桩的“极限”　支承力，因此，它在裂缝验算时应当取Ｒ　值。另　方面，它转化为工程桩时，是处于受压状态，是　抗压桩；它在试桩时产生的裂缝是临时的，若不　大，最终会闭合。因此裂缝的控制可以适当放宽。　（２）对于抗浮工程桩只需要使正常使用极限　状态下的裂缝宽度满足要求即可，即抗浮工程桩　裂缝验算时应当取Ｒ。值。　（３）对于抗浮试桩，裂缝验算时应当取尺　值，这同锚桩是一样的。与锚桩不同的是，抗浮试　桩最终若仍作为抗浮工程桩使用，则它的裂缝控　制应当与抗浮工程桩相当。　通常情况下，裂缝验算决定抗拔桩的配筋量。　于是，抗浮试桩与抗浮工程桩的配筋可以不一致，　而且它们的配筋出入可能相当大。依据这样的设　计理念，可以使抗浮工程桩比抗浮试桩减少较多　的钢筋。同时，抗浮试桩与抗浮桩应当分别作裂　缝验算，它们的裂缝控制要求相当。　此外，值得注意的是，抗拔验算时，应当取高　地下水位作为外部条件。这与采用低地下水位作　外部条件的沉降计算恰恰相反。　

４算例　从上述可知，抗拔桩设计的核心问题是配筋　和裂缝控制。这里，以上海浦东陆家嘴某大厦的　地基基础·　·７７·　结构工程师第２５卷第１期　桩基为样板，设计了一套例题，看看抗拔桩的配筋　设计与裂缝控制。　该建筑地下３层，最大埋深超过１９　Ｉｎ；地上　裙房３层，主楼４０层。裙房和主楼之间不设缝；　地下室的范围比主楼和裙房大得多，即含有纯地　下室。主楼结构顶高超过１８０　ｍ，建筑装饰顶超　过２００　ｍ。　建筑物下全部采用混凝土钻孔灌注桩。其　中，主楼下采用Ｄ８５０桩，长３８　ｍ。以地基土的支　承力计算，单桩承载力特征值　＝７　２００　ｋＮ，设计　值Ｒｄ－－６　５００　ｋＮ，极限值Ｒｋ＝１０　４００　ｋＮ。裙房下　采用Ｄ６００桩，长２４　ｍ。以地基土的支承力计算，　单桩抗压承载力特征值Ｒ　＝１　６００　ｋＮ，设计值　＝２　０００　ｋＮ，极限值Ｒｋ：３　２００　ｋＮ；单桩抗拔承载　力特征值Ｒ　＝７２０　ｋＮ，设计值Ｒ　＝９００　ｋＮ，极限　值Ｒ　１　４４０　ｋＮ。裙房下的桩实际上处于抗浮状　态。　以下对该建筑所涉及的三种抗拔桩的配筋、　裂缝验算作阐述。　１）主楼下静载试验用的锚桩：Ｄ８５０　静载试桩承载力极限值为Ｒ　＝１０　４００　ｋＮ，采　用反力架方式，每根试桩配４根锚桩，单根锚桩所　受拉力极限值为　＝１０　４００／４＝２　６００　ｋＮ。　依式（１），计算地基土对锚桩的支承力，得到　锚桩抗拔力的设计值为Ｒ　＝３　１００　ｋＮ，其极限值　为　＝５　０００　ｋＮ，远大于Ｎｋ＝２　６００　ｋＮ的值。　依Ⅳｋ值配筋，取２４Ｄ２２（ＨＲＢ３３５），则由式　（２）可得　Ｊ，ａ　＝３００　ｘ２４　ｘ３８０．１　２　７３７　ｋＮ＞Ｎｋ　再以文献［３］８．１．２和８．１．３计算裂缝宽度：　此处：ｄ　＝２２　ｍｍ；因桩的混凝土取Ｃ３５，故　ｋ＝２．２　Ｎ／ｒａｍ　；Ｏ／　＝２．７；ｃ＝５０　ｍｍ；Ｅ　＝２×　１０　Ｎ／ｒａｍ　；Ｐ￡。　Ａ　／Ａ　２４×３８０．１／（８５０　×　３．１４１　６／４）＝０．０１６　１；　＝１．１—０．６　＿ｋ／（ｐ　。×　ｏｒ　ｋ）＝１．１—０．６５×２．２／（０．０１６　１×２８５．０１３）＝　０．７８８；　ｋ＝Ｎｋ／Ａ　２　６００　Ｘ１　０００／（２４×３８０．１）　＝２８５．０１３　Ｎ／ｒａｍ　。　依式（３），可得　（１．９ｃ＋０．０８ｄ　／ｐ。　）ｏｒ　ｋ／Ｅ　２．７　ｘ０．７８８　Ｘ（１．９×５０＋０．０８×２２／０．０１６　１）×　２８５．０１３／２００　０００＝０．６１９　ｍｍ　此值与文献［３］３．３．４规定的０．２　ｍｍ相比，　显然偏大。　将桩的配筋改为２８Ｄ２５（ＨＲＢ３３５），再算裂缝　宽度，可得　＝０．３５７　ｍｍ。　若再将桩的配筋改为２６Ｄ２８（ＨＲＢ３３５），可算　得　＝０．３０１　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２６Ｄ２８　（ＨＲＢ３３５）就这样确定了。　２）裙房下的抗浮工程桩：Ｄ６００　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：＝７２０　ｋＮ，设　计值Ｒ　＝９００　ｋＮ，极限值Ｒ　：１　４４０　ｋＮ。　配筋设为２０Ｄ１８（ＨＲＢ３３５），由式（２）可得　ｆ，ａ　＝３００　ｘ２０　ｘ２５４．５＝１　５２７　ｋＮ＞Ｒ　再由抗浮桩单桩抗拔承载力特征值Ｒ　＝７２０　ｋＮ，依文献［３］８．１．２和８．１．３，计算裂缝宽度，可　得∞…＝０．１８０　ｍｍ＜［０．２　ｍｍ］，满足文献［３］　３．３．４规定。因此裙房下抗浮工程桩Ｄ６００的配　筋确定为２０Ｄ１８（ＨＲＢ３３５）。　３）抗浮工程试桩：Ｄ６００　由上例可知，地基土对抗浮试桩的支承力极　限值为Ｒ　＝１　４４０　ｋＮ。假设配筋为２０Ｄ２５　（ＨＲＢ３３５），则：　Ａ　＝３００　ｘ２０　ｘ４９０．９＝２　９４５．４　ｋＮ＞月：　由抗浮试桩单桩抗拔承载力极限值Ｒ：＝　１　４４０　ｋＮ，依文献［３］８．１．２和８．１．３，计算裂缝宽　度，可得∞一＝０．２４８　ｍｍ＞［０．２　ｍｍ］，不满足文　献［３］３．３．４规定。将配筋改为２８Ｄ２５　（ＨＲＢ３３５），可以算出∞　＝０．１８９　ｍｍ＜［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　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Ｄ６００的配筋为２０Ｄ１８　（ＨＲＢ３３５），其配筋率为１．８％。抗浮试桩Ｄ６００　的配筋为２０Ｄ２５（ＨＲＢ３３５）时，其配筋率为　３．４７％；配筋为２０Ｄ２８（ＨＲＢ３３５）时，其配筋率为　４．３６％。可见，抗浮工程桩与抗浮试桩的配筋可　以相差很大。