建筑技术开发 地基与基础 Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｂａｓｅｍｅｎｔ 第４５卷第１４期 ２０１８年７月 Ｂｕｉｌｄｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ 桩基础及锚杆抗拔承载力的思考计算及 特征值计算 孙海斌 （广东中京国际建筑设计研究院有限公司，广东珠海５１９０００） ［摘要］桩基础抗压承载力的概念及计算准确掌握，但桩基础或锚杆的抗拔承载力的概念及计算却易存在认识缺陷。从抗 拉构件概念及相关桩基础图集资料出发，区分施工阶段和使用阶段对其抗拔承载力的不用要求，得出起控制作用的特征值。探 讨了各种工况抗拔构件设计中的安全系数、裂缝验算等重要问题。 ［关键词］桩基础；抗拔锚杆；地下室抗浮 ［中图分类号］Ｔｕ９４３ ［文献标志码］Ｂ ［文章编号］１００１—５２３Ｘ（２０１８）１４＿Ｊｏｌ１９＿０２ Ｔｈｉｎｋｉｎｇ Ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｅｉｇｅｎｖａｌｕｅ Ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ Ｕｐｌｉｆｔ Ｂｅａｒｉｎｇ Ｃａｐａｃｉｔｙ ｏｆ Ｐｉｌｅ Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ａｎｄ Ａｎｃｈｏｒ Ｒｏｄ Ｓｕｎ Ｈａｉ．ｂｉｎ ［Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｊ Ｔｈｅ ｃｏｎｃｅｐｔ ａｎｄ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅ ｂｅａｉｒｎｇ ｃａｐａｃｉｔｙ ｏｆ ｐｉｌｅ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ａｒｅ ａｃｃｕｒａｔｅｌｙ ｇｒａｓｐｅｄ．Ｈｏｗｅｖｅｒ，ｔｈｅ ｃｏｎｃｅｐｔ ａｎｄ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｐｕｌｌ—ｏｕｔ ｃａｐａｃｉｙ ｏｆ ｔｐｉｌｅ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｏｒ ａｎｃｈｏｒ ｒｏｄ ａｒｅ ｅａｓｙ ｔｏ ｈａｖｅ ｃｏｇｎｉｔｉｖｅ ｄｅｆｅｃｔｓ．Ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｃｏｎｃｅｐｔ ｏｆ ｔｅｎｓｉｌｅ ｍｅｍｂｅｒｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｒｅｌａｔｅｄ ｐｉｌｅ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ａｔｌａｓ ｄａｔａ，ａ ｄｉｓｔｉｎｃｔｉｏｎ ｉｓ ｍａｄｅ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｐｈａｓｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｕｓｅ ｐｈａｓｅ ｏｆ ｔｈｅｉｒ ｕｎａｓｓｕｍｅｄ ｂｅａｒｉｎｇ ｃａｐａｃｉｙ，ａｔｎｄ ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｖａｌｕｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ａｒｅ ｏｂｔａｉｎｅｄ．Ｔｈｅ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｆａｃｔｏｒｓ ｓｕｃｈ ａｓ ｓａｆｅｔｙ ｆａｃｔｏｒ ａｎｄ ｃｒａｃｋ ｃｈｅｃｋｉｎｇ ｉｎ ｔｈｅ ｄｅｓｉｎ ｏｆ ｇｎｔｉａ—ｐｕｌｌｉｎｇ ｍｅｍｂｅｒｓ ｉｎ ｖａｒｉｏｕｓ ｗｏｒｋｉｎｇ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ａｒｅ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ． ［Ｋｅｙｗｏｒｄｓ］ｐｉｌｅ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ；ｐｕｌｌ—ｏｕｔ ｂｅａｒｉｎｇ ｂｏｌｔ；ａｎｔｉ—ｌｆｏａｔｉｎｇ ｏｆｂａｓｅｍｅｎｔ 为充分利用空间，带地下室的高层建筑以及地下车库、 身材料强度角度，对基桩及锚杆抗拔承载力进行分析。 下沉式广场等地下工程已非常普遍。由于南方地区的地下水 １预应力混凝土桩抗拔承载力特征值 位普遍较高，当设计地下工程时，往往伴随着抗浮问题。由 （１）由于上海市图集明确了不同等级裂缝下的基桩抗拉 于桩基础的诸多优势，桩基工程在各类建筑中的应用范围也 承载力限值，故以图集《ＨＫ＿Ｆｚ／ＫＦｚ先张法预应力混凝土空 变得越来越广泛，采用抗拔桩或抗拔锚杆己然成为解决地下 心方桩》２０１５沪ＧＴ－５０２中的ＫＦＺ Ｂ４００（２２０）空心方桩为例 室所抗浮问题的主要措施之一，其本质是利用抗拔构件与岩 计算预应力混凝土桩抗拔承载力特征值。其混凝土强度等级 石或土之间的摩擦力。根据文献［１］第５．２．５条、第１０．２．１１条， Ｃ６０（预压应力值６．７８ＭＰａ，抗拉强度标准值２．８５ＭＰａ），预 基桩或锚杆抗拔承载力特征值应通过竖向抗拔荷载试验确定， 应力钢筋为８根１２．６（抗拉强度设计值１００５ＭＰａ，抗拉强度标 但是实际工作中，即便是结构施工图阶段，建设单位也未必 准值１４２０ＭＰａ），其他指标见表１。 表１预应力混凝土空心方桩的配筋及力学性能 能提供荷载试验结果。实际工作中，为了更充分地利用桩基 础或锚杆的材料强度，故一般设计为由材料强度控制其抗拔 裂缝控制抗拉承 桩身结构 混凝 混凝土 内径／ 预应力 配筋 载力限值／ｋＮ 受拉承载 承载力。本文主要结合施工阶段和使用阶段，从抗拔构件自 边长／收稿日期：２０１８＿Ｊ０３＿ｏ５ 作者简介：孙海斌（１９８４一），男，湖南郴州人，工程师，主要研究 方向为建筑结构设计。 ４００ ２２０ Ｃ６Ｏ Ｂ ８ １２ ６ ０ ８２ ６ ７８ ｍｍ 土等 型号 预压应 级 筋配筋 蛊 力／ＭＰ一级裂 二级裂 力设计值／ ａ 缝控制 缝控制 ８２７ ｌ １７５ ｋＮ １ ００５ ２．０ｍ以上大致相似，２．０ｍ以下由于溶洞顶部产生拱顶卸载导 （５）对竖向应力大小的影响程度而言，顶板厚度与桩宽 致变化较剧烈，竖向应力扩散的趋势自２．０ｍ以上大致相同。 的影响较大，溶洞跨度影响较小。 （６）对于溶洞跨度的变化，以３．５ｍ为界，３．５ｍ以下竖向 参考文献 应力的大小变化趋势与竖向应力扩散的趋势大致相似，３．５ｍ ［１］曹懿友．变电站溶洞、土洞处理及地基基础方案『Ｊ］农村电气化，２０１３（１２）：９－１０． 以上则两项指标均有较明显波动。 ［２］王述祥．浅谈变电站岩溶地基勘察设计与处理措施［Ｊ］中国新技术 新产品，２０１３（２２）：３５—３６． 通过对溶洞地区桩底竖向应力的有限元模拟分析，可以 ［３］雷金山．广州地铁隐伏型岩溶地基稳定性分析及充填处理技术研究 得出以下结论。 ｆＤ］．长沙：中南大学，２０１４． （１）应力扩散角随溶洞跨度的增加而变大； ［４】周建普．李献民．岩溶地基稳定性分析评价方法［Ｊ】＿矿治工程， （２）应力扩散角随顶板厚度的增加而变小； ３结论 ２００３，２３（１）：４＿Ｉ７． （３）随着桩宽的增大，应力扩散角的变化趋势为：当桩 ［Ｊ］．中国岩溶， 宽小于顶板厚度时应力扩散角随桩宽的增加而减少，当桩宽 ［５】滑帅．广东岩溶区某输电塔桩基稳定性数值模拟分析．２０１４，３３（１）：４４＿５０． 接近或者大于顶板厚度时，则先递增后递减； ６］郎瑞卿．ＰＴＣ管桩复合地基应力扩散效应研究ｌ［Ｊ］．岩土力学，２０１５ （４）对竖向应力扩散角的影响程度而言，溶洞跨度与桩 ［（ｓ２）：３９ ＿４Ｏ０． 宽的影响较大，顶板厚度影响较小； ·１１９· 第４５卷第１４期 ２０１８年７月 地基与基础 Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｂ，ａｓｅｍｅｎｔ 建筑技术．开发 Ｂｕｉｌｄｉｎｇ ＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ （２）首先根据相关规范判断桩裂缝级别（参文献Ｉ－２】第３．５－３ 行最大裂缝验算。条），并根据文献［３］第７．１．１条及文献［４］第４．３．８条计算桩身 （３）与预应力混凝桩相同，施工阶段抗拔荷载试验时， 抗拔承载力标准值。使用阶段正常使用极限状态下按一级裂 按钢筋抗拉强度标准值计算桩身抗拔承载力标准值： Ｒ ＝４００×４７１０Ｎ－－＝１ ８８４ｋＮ 缝控制时，不考虑混凝土抗拉强度，按混凝土有效预压应力 （４）与预应力混凝桩相同，使用阶段承载能力极限状态 计算： １：６．７８ｘ（４００￣－３１４ｘ１１０ ）Ｎ＝８２７ｋＮ 下按钢筋抗拉强度设计值计算桩身抗拔承载力设计值： Ｒ５＝３６０×４７１０Ｎ：＝１ ６９５．６ｋＮ 按二级裂缝控制时，考虑混凝土抗拉强度，按混凝土有 考虑荷载的综合分项系数１．３５及材料分项系数１．１后，相 效预压应力和抗拉强度计算： （６．７８＋２．８５）×（４００２－３１４ｘｌ１０ ＇）Ｎ＝Ｉ １７５ｋＮ 当于使用阶段安全系数为１．４８５（参文献［５】）。同理，可参考 以上计算结果均与图集所提供指标一致。考虑施工完成 文献【１］第１０．２．１１条按钢筋抗拉强度标准值计算桩身抗拔承载 后抽样检测工程桩，并根据文献［１］附录Ｈ．０．１０取安全系数为 力标准值：即 。 ．＝．２．０。 （３）根据文献［１］附录Ｈ．０．４，为设计提供依据的试验， 试桩钢筋按钢筋强度标准值计算的拉力应大于预估极限承载 力的１．２５倍。施工阶段抗拔荷载试验时，按钢筋抗拉强度标 准值计算桩身抗拔承载力标准值。 ａ＝１ ４２０ｘ８ｘ３．１４ｘ１２．６ ７４Ｎ＝１ ４１５ｋＮ 考虑到施工前进行抗拔承载力检测试验桩，并满足文献【１］ 附录Ｈ．０．１０安全系数２．０的要求，需要加大试验构件实际配筋 量或通过加大安全系数取值１．２５×２．０＝２．５降低其承载力。 （４）根据文献［４］第６．２．２２条，使用阶段承载能力极限状 态下按钢筋抗拉强度设计值计算桩身抗拔承载力设计值： Ｒ ＝１ ００５ｘ８ Ｘ ３．１４ｘ１２．６ ７４Ｎ＝１ ００５ｋＮ 以上计算结果均与图集所提供指标一致。考虑荷载的综合 分项系数１．３５及材料分项系数１．４后，相当于使用阶段安全系 数为１．８８（文献［５］）。考虑施工完成后抽样检测工程桩，安全 系数应取２．０。为配合安全系数法，可参考文献［１］第１０．２．１１ 条按钢筋抗拉强度标准值计算桩身抗拔承载力标准值：即Ｒ 。 综上所述，基桩抗拔承载力特征值应按以下规则取值。 按一级裂缝控制时： Ｒｂ－￣ｎｉｎ １，２，Ｒ４，２】＝ｍｉｎ（８２７／２，ｌ ４１５／２）＝ ｍｉｎ（４１３，７０７）＝４１３ｋＮ 按二级裂缝控制时： Ｒｔ．￣－ｎｉｎ ２ ，Ｒ４／２］＝ｍｉｎ（１ １７５／２，１ ４１５／２）： ａｒｉｎ（５８７，７０７）＝５８７ｋＮ 此外，引入最小配筋率的概念（即混凝土开裂时应有足 量钢筋承担所有拉力），大多数预应力混凝桩实际配筋能保证 不小于Ｒ 。当为设计提供依据且采用工程桩兼作试验桩时， Ｒ 安全系数应取２．５。 ２钢筋混凝土灌注桩抗拔承载力特征值 （１）相对于预应力混凝桩而言，钢筋混凝土灌注桩最大 区别在于不存在混凝土预压应力。现以笔者实际工程为例： 桩径１０００ｍｍ，混凝土等级为Ｃ４０（抗拉强度标准值２．３９ＭＰａ）， 配筋１５中２０（抗拉强度设计值３６０ＭＰａ，抗拉强度标准值 ４００ＭＰａ）。 （２）首先根据相关规范判断桩裂缝级别（参文献［２］第３．５．３ 条）。使用阶段正常使用极限状态下，按二级裂缝控制时，根 据文献［３】第７．１．１条按混凝土抗拉强度计算桩身抗拔承载力标 准值： ，＝２．３９×３．１４×１ ０００ ＇／４Ｎ＝１ ８７７．２ｋＮ 按三级裂缝控制时，根据最大裂缝宽度（文献『２］第３．５．３ 条）并按文献［３】第７．１．２条反推标准值： 见：—— 一：—— 兰２ ——Ｎ ｃｒ‘ ·９ ＋。·。 ０．７Ｘ２．７Ｘ（１．９Ｘ４０＋０．０８Ｘ＆） ＝１ ９６７＿３ｋＮ 初步估算基桩抗拔承载力时，本文取 ：０．７进行简化计算。 最终确定其抗拔承载力特征值后，应按受拉力 ２倍特征值进 ·１２０· 综上所述，基桩抗拔承载力特征值应按以下规则取值： 对于二级裂缝： Ｒ￣＝ｍｉｎ［Ｒ：Ｉ，２ｊ Ｒ４／２］：ｍｉｎ（１ ８７７．２／２，１ ８８４／２）＝ ｍｉｎ（９３８．６，９４２）＝９３８．６ｋＮ 对于三级裂缝： Ｒｔ ＝ｍｉｎ［Ｒ ，Ｒ ２］＝ｍｉｎ（１ ９６７．３／２，ｌ ４ １ ５／２）＝ ｍｉｎ（９８３．７．９４２）＝９４２ｋＮ 此外，引入最小配筋率的概念（即混凝土开裂时应有足 量钢筋承担所有拉力），笔者建议优先保证构件实际配筋量使 不小于 ，。当为设计提供依据且采用工程桩兼作试验桩时， 安全系数应取２．５。 ３钢筋混凝土锚杆抗拔承载力特征值 抗拔锚杆根据材料强度计算抗拔承载力特征值过程与抗 拔钢筋混凝土灌注桩雷同。文献［１］第５．２．５条指出永久抗拔锚 杆裂缝宽度控制按照抗拔桩的相关要求执行，文献［１］第５．２．７ 条及附录Ｊ．０．５条明确了安全系数取值为２．０。但抗拔锚杆荷载 抗拔试验并无诸如桩基钢筋按钢筋强度标准值计算的拉力应 大于预估极限承载力的１．２５倍的要求。 此外，文献［６】第７．３．２条亦对抗拔锚杆安全系数做出规定 见表２。 表２锚杆杆体抗拉安全系数 最小安全系数 锚杆材料 临时锚体 永久锚体 钢绞线精扎螺纹钢 １ ６ １．８ ＨＲＢ４００、ＨＰＢ３３５钢筋 １ ４ １．６ 考虑到竖向荷载抗拔试验要求，笔者建议按安全系数２．０ 设计。 ４结束语 结合文献和案例分析，笔者对抗拔构件在材料强度控制 条件下抗拔承载力特征值的计算进行总结，指出了规范对其 使用阶段和施工阶段的不同要求和统一表达形式。桩基或锚 杆抗拔承载力是由岩土抗力与构件材料强度双控的，各地方 性规范对土体与桩基础或锚固体间摩阻力的计算大同小异且 大多数结构工程师都能较准确地把握，故本文未涉及相关内 容；其中，抗拔锚杆的摩阻力可按国家标准《建筑地基基础 设计规范》第８．６＿３条计算。 参考文献 ［１］广东省标准建筑地基基础设计规范：ＤＢＪ １５—３ｌ一２Ｏｌ６［ｓ】． ［２］建筑桩基技术规范：ＪＧＪ ９４－－２ｏｏ８［ｓ］． ［３】混凝土结构设计规范：ＧＢ ５００ＩＯ～２ｔｏＯｌＳ］． ［４］广东省标准静压预制混凝土桩基础技术规程：ＤＢＪ／Ｔ １５—９４— ２０１３［Ｓ】． 『５１岩土锚杆（索）技术规程：ＣＥＣＳ２２：２００５［￥１． ［６］张竟乐．上海地 后压浆基桩承载力预估力法［Ｊ］＿建筑技术， ２０】６，４７（９）：８０９－８１】