关于抗拔桩分段配筋的讨论

关于抗拔桩分段配筋的讨论
摘要:抗拔桩的设计中，桩身配筋除了满足正截面受拉承载力要求外，还需满足正常使用极限状态下桩身的裂缝控制验算，抗拔桩设计的关键其实就是配筋的设计和裂缝的控制。

桩身的轴力随着基桩埋深的加深减小，抗拔桩的轴力减小，以桩顶最大轴力设计桩身通长钢筋是不经济的，可根据实际情况对抗拔桩进行分段配筋，以节省造价。

关键词：抗拔桩，抗拔桩裂缝验算，抗拔桩分段配筋。

1引言
随着城市建设的快速发展，土地可使用的建设面积急剧下降，地上的使用空间越来越小，对地下空间的利用越来越大。

地下室基础埋深越来越深，通常情况下，都存在抗浮问题，可采取增加压重或设置抗浮构件等措施来抵抗水浮力，设置抗拔桩是最为普遍的方法。

2抗拔桩受力原理
抗拔桩通常也叫做抗浮桩，是指当建筑工程地下结构在低于周边土壤水位，建筑物底板或基础存在浮力作用时，建筑物本身的自重及压重不足以抵消土壤中水对结构产生的上浮力而布置的桩。

抗拔桩的主要作用机理是依靠桩身与土层的摩擦力来抵抗轴向拉力。

抗拔桩属摩擦桩，其工作原理与摩擦型承压桩是非常相似的，都是桩侧摩阻力以剪力的形式传递给桩周土体，但是抗拔桩与承压桩的侧摩阻力的方向是完全相反的，当抗拔桩受到拉拔荷载时，桩相对土向上运动，桩侧表面开始受土向下摩擦阻力，荷载通过侧阻力向桩周土中传递。

抗拔桩周土产生的应力状态、应力路径和土的变形都不同于承压桩，所以抗拔的摩阻力一般小于承压的摩阻力，因此在计算桩侧摩阻力时，抗拔桩比承压桩多了一个抗拔系数λi，根据桩周土类别的不同，规范中λi取值范围为0.5~0.8，砂土中抗拔摩阻力比抗压小的多，而在饱和粘土中，较快的上拔可在土中产生较大的负超静孔隙水压力，可能会使桩的拉拔更困难，但由于其不可靠，所以一般不计入抗拔力中。

根据《建筑桩基技术规范》的基桩构造要求，灌注桩正截面应按规定配置钢筋，配筋率0.65%~0.2%，对于受荷载特别大的抗拔桩应根据计算确定配筋率，抗拔桩应通长配筋。

一般在抗拔桩的设计中，配筋除了满足正截面受拉承载力要求外，还需满足正常使用极限状态下桩身的裂缝控制验算。

随着基桩埋深的加深，抗拔桩的轴力减小，所以所需的钢筋截面面积也相应减少，，若按桩顶的最大轴力设计计算基桩桩身钢筋，并以此钢筋等截面通长布置桩身，会造成一定的浪费，而根据《建筑桩基技术规范》的构造要求，抗拔桩桩身钢筋可变截面通长配筋，由此可对抗拔桩进行分段配筋，以提高抗拔桩的经济性。

3抗拔桩的设计
根据《建筑地基基础设计规范》，建筑物基础存在浮力作用时，应进行抗浮稳定性验算，抗浮稳定性应符合下式要求：
（1）
式中：Kw –抗浮稳定安全系数，一般情况下可取1.05。

建筑物自重及压重为恒载，应采用标准值作为代表值；水浮力应取最高设计水位工况下浮力作用值，也采用标准值作为代表值。

当不满足抗浮要求时，设置抗拔桩。

对于设计等级为甲、乙级建筑桩基应通过单桩现场上拔实验确定单桩抗拔极限承载力。

群桩的单桩抗拔极限承载力难以通过实验确定的，可通过计算确定，对于设计等级为丙级建筑桩基可通过计算确定单桩抗拔极限承载力，但应进行工程桩抗拔静载实验检测。

群桩呈非整体破坏时基桩的抗拔承载力极限标准值:
（2）
抗拔桩基承载力验算:
（3）
式中：Nk-按荷载效应标准组合计算的基桩拔力；Gp –基桩自重，地下水位以下取浮重度。

抗拔桩桩身正截面设计应满足受拉承载力：
（4）
式中：N-荷载效应基本组合下桩顶轴向拉力设计值。

在目前我们的工程应用中，一般都采用的是普通非预应力钢筋，因此该公式简单表示为：
（5）
也就是说，拉力设计值全部由桩身纵向钢筋承担，用这个公式可以算出桩身主筋配筋量As，保证桩身钢筋强度满足要求。

正常使用极限状态问题即桩身裂缝控制的问题：由于抗拔桩长期处于地下水环境，根据耐久性规定，参照《混凝土结构设计规范》按环境类别和腐蚀性介质弱、中、强等级诸因素划分抗拔桩裂缝控制等级，对不同裂缝控制等级桩基采取相应措施，一般设计使用年限50年。

对于严格要求不出现裂缝的一级和一般要求不出现裂缝的二级裂缝控制等级基桩，宜使用预应力钢筋，而我们平时用得最多的允许出现裂缝的三级裂缝控制等级基桩，应按荷载效应标准组合计算裂缝最大宽度wmax，使其不超过裂缝宽度限值，即。

根据环境类别的不同，根据规范验算的裂缝宽度，从而保证桩身钢筋的耐久性即保证构件在正常使用期内能正常发挥其承载力。

实际上，控制裂缝的问题就是控制钢筋应力的问题，即主筋配筋量As的大小问题。

按荷载标准组合或准永久组合并考虑长期作用影响的最大裂缝宽度：
（6）
式中：σs-按荷载准永久组合计算的钢筋混凝土构件纵向受拉普通钢筋应力。

在荷载准永久组合下，轴向受拉构件受拉区纵向普通钢筋的应力：
（6）
式中：N q-按准永久组合计算的轴向力值；A s-受拉区纵向普通钢筋截面面积。

由式（2）我们可以看出，随着基桩埋深的加深，抗拔桩的轴力减小，所以所需的钢筋截面面积也相应减少。

由此看出，在往常的抗拔桩配筋设计中，往往按桩顶的最大轴力设计计算基桩桩身钢筋，并按该钢筋截面面积沿桩身通长配置，这显然即不经济也不合理，当然我们也不能随着埋深的加深，沿每个基桩截面配置不同钢筋截面，这在实际施工操作过程中是不可行的，考虑的施工可操作性，可以对抗拔桩进行分段配筋，建议分成两段配筋，不宜超过三段。

具体的分段配筋位置应结合实际工程情况确定。

配筋分段交接处基桩轴向力设计值：
（7）
式中：li-第一段配筋区域桩周各土层厚度。

4工程实例
我们通过以下一个例子对抗拔桩的分段配筋设计进行简单的了解。

【例题】已知某地下车库采用抗拔桩，桩径D=600mm，桩身混凝土等级C35，单桩竖向抗拔承载力特征值Ra= 500kN,底板底水浮力Ff=58.40Kn/ m2，恒载G=53.84Kn/m2，最大裂缝宽度限值Wlim=0.2mm，钢筋保护层厚度Cs=55mm ，桩身钢筋采用HRB400，柱网尺寸：8.1m x8.1m，αcr=2.7。

根据已知条件及（1）式：柱下可采用单柱单桩布置。

第一段桩身配筋：
正截面受拉承载力验算：根据（4）式，按桩顶轴向拉力设计值
N顶= Rp=1.35 Ra=675kN,计算配筋取值10根16（AS =2011mm2 ）;
正常使用极限状态裂缝验算：
Nq= (Ff –G)x8.1x8.1=300Kn
裂缝满足要求
第二段桩身配筋：
第一、二段配筋交接处桩轴向拉力设计值
，其中li为第一段配筋桩周各土层厚度，计算参考第一段桩身配筋计算，不再列举，配筋取值：8根16，W=0.199mm<Wlim，满足要求。

5结语
（1）抗拔桩设计的关键其实是配筋的设计和裂缝的控制。

（2）桩身的轴力随着基桩埋深的加深减小，抗拔桩的轴力减小,以桩顶最大轴力设计桩身通长钢筋是不经济的，可根据实际情况对抗拔桩进行分段配筋，以节省造价。

（3）因施工期间停止降水前及正常使用工况下水位的变化，抗拔桩一般兼有承压桩的功能，所以抗拔桩的设计过程中，应注意同时满足承压桩的各项要求。

（4）钢筋分段位置的设置，应结合地质情况及施工可操作性而确定。

（5）由于采用抗拔桩时，其产生抗拔力伴随位移发生，过大的位移量对基础是不允许的，抗拔力取值应满足位移控制条件，一般为100mm。

（6）根据《建筑桩基技术规范》，后注浆工艺能提高桩的侧摩阻力，在平时的设计中，多用于承压桩的设计，其实也能用于抗拔桩的设计中，后注浆工艺能有效的提高桩侧摩阻力，可有效的控制桩径、桩长，节省桩基础的成本。

本文对此工艺不再讨论。

参考文献：
【1】《建筑桩基技术规范》(JGJ 94-2008),中国建筑工业出版社。

【2】《建筑地基基础设计规范》(GB 50007-2011),中国建筑工业出版社。

【3】《混凝土结构设计规范》(GB 50010-2010),中国建筑工业出版社。

【4】《基础工程》（第2版）清华大学出版社。