抗拔桩设计原理及运用

抗拔桩设计原理及运用

摘要：桩已广泛地用于各类工业与民用建筑物、构筑物的基础工程中，对于地下建筑物、自重比较轻而水平荷载又比较大的高耸构筑物、高宽比较大的高层建筑地下室承受巨大的水浮力作用而自重或压重不够时，桩就需要承受一个上拔荷载作用，桩的设计就涉及到一个“抗拔”问题。

关键词：桩；设计；承载力

Abstract: the pile is widely used in all kinds of industrial and civil buildings, structures foundation engineering, for the underground building, dead weight is light and horizontal load of the big and tall buildings, high wide of the big high-rise building basement bear huge water buoyancy effect and self-respect or pressure heavy enough, the pile would need to bear a pull on the load, the design of pile is involved a “resistance to pull out” problem.

Keywords: pile; Design; Bearing capacity

与普通抗压桩相比，抗拔桩在设计要求（满足承载能力极限状态要求和正常使用极限状态要求)、设计方法(用分项系数表达的以概率理论为基础的极限状态设计方法、施工工艺(静压、振动、锤击、钻孔、人工挖孔、夯扩)等方面基本相同，但在受力特点、破坏机理、桩体设计和构造、单桩承载力的确定和测试、基础承台的设计和构造等方面却存在着较大的差异。本文主要从设计的角度出发，结合工程实践，对采用钢筋混凝土抗拔桩的基础设计需要考虑的一些问题进行综述，以供同行参考。

1 受力特点和破坏机理

对于一般工程桩来说抗拔力主要由桩侧摩阻力提供。当竖向拉力施加于桩顶时，上部桩身首先受到拉伸产生相对于土体的向上位移趋势，于是桩周土在桩侧界面上产生一个向下的摩阻力；荷载沿桩身向下传递过程就是不断克服这种摩阻力并通过它向土中扩散的过程，上部的位移总是大于下部，因此上部的摩阻总是先于下部发挥出来。当桩侧总摩阻力达到极限时，桩便发生急剧的、不停滞的上拔而破坏。当承台下桩数较少、桩距较大时，抗拔桩的破坏形式常呈现非整体性－单桩拔出破坏；但当承台下桩数较多桩距较小时，桩和土常作为一个整体上拔而破坏－群桩整体破坏。

2 选型与设计

桩型选择：原则上讲能够承受轴向拉力的桩，都可以作为抗拔桩。但预制桩尤其是预应力混凝土管桩由于桩顶与承台之间连接、桩段之间连接的抗拉力得不到有效保证，致使不少工程事故发生，因此工程中抗拔桩多选用灌注桩，同时只要条件允许，桩端一般嵌入坚硬而埋深较浅的基岩中，如果基岩上覆土较厚，常在桩端设置扩大头或采用挤扩支盘桩等形式以提高抗拔力。

桩体设计：抗拔桩在使用过程中受到上拔荷载的作用，因此必须满足受拉构件的强度要求，桩身混凝土强度级别要求及纵向钢筋的最小配筋率要求与抗压桩相同，设置的通长钢筋笼必须锚入承台内一个锚固长度或取40 d。

设计时不同类型的桩可选用对应的标准图集，由于抗拔桩总是与其它受力桩(抗压桩、抗水平力桩)一起组成结构工程的基础，因此在桩型选择和桩体构造方面、桩长和持力层的选择方面以及成桩质量控制方面常与其它受力桩相同，但必须对桩体的抗拉强度和构造要求进行复核。

3 承载力确定

综合抗拔桩的受力特点，其破坏机理更接近于摩擦桩系列，单桩承载力主要与桩侧土层的物理力学性能有关，也与桩体材料、桩身尺寸桩长、桩身横截面形状和尺寸等、桩位平面布置和施工工艺、成桩质量等诸多因素有关。一般按以下方法确定：

现场静载试验法－按照规范提供的单桩竖向抗拔静载试验要求，根据试验荷载与上拔变形量曲线形状之间的关系确定单桩抗拔极限承载力。这种方法最直接、准确，但有一定的财力支出，需要做好工期安排，当建筑物的地基基础设计等级为甲类时必须采用此法。

经验公式近似计算法－根据地勘报告提供的桩侧各土层抗压极限侧阻力标准值或特征值，按照规范提供的经验公式(当单桩或群桩呈非整体破坏时或；当群桩呈整体破坏时，或) 进行计算。

该法未考虑到的有利因素是软土地区挤土型摩擦桩的承载力随时间有增加的现象，桩体自重可以抵消部分抗拔力从而提高桩的整体抗拔承载力；不足之处在于没有考虑不同土层抗拔系数的地区差异性及其它因素对抗拔承载力的影响，如拔压比对承载力的影响(灌注桩的拔压比高于预制桩,因此相同条件下灌注桩的抗拔系数要高于预制桩；长桩的拔压比高于短桩)，因此相同条件下长桩的抗拔系数要高于短桩、土层液化对承载力的影响、土层自重固结产生的负摩阻力对承载力的影响、对于某些条件下的群桩基础宜考虑由桩群和土相互作用产生的群桩效应等。

带有地方性或科研性质的确定方法，如波动方程法、模拟试验法、非线性有限元法等。

4 承载力测试

对工程桩进行检测是确保基础工程质量的前提，采用单桩竖向抗拔静载试验检测单桩承载力是目前最可靠的方法之一。工程中常用静载法校验设计要求的单桩抗拔承载力极限值，用(动测法、低应变法、声波透射法、钻芯法等)检测桩身结构的完整性、缺损程度及位置等。由于抗拔桩为受拉构件，只考虑纵向钢筋承

担拉力作用，因此对桩体混凝土质量的要求较一般受压桩或受水平荷载作用桩放宽一些,但纵向钢筋的保护层厚度必须满足，保护层的混凝土质量必须保证。

5 基础承台设计

(1) 布桩：高耸构筑物和高层建筑物的受拉区域主要集中在边角部位，而抗浮地下室的受拉区域在平衡自重不足的部位，因此在考虑了承台自重及承台上土重对拉力的抵消作用后，一般在竖向受拉构件下布桩，联合承台要求桩群形心与上部结构在荷载基本组合或标准组合下产生的拉力中心相重合，以减少偏心影响。桩数以抗拔承载力控制为主，按照规范进行计算，桩间距和布桩密度控制同抗压桩，满足最小中心距和最大布桩系数要求，确保成桩质量。

(2) 承台：基础承台的设计视布桩方案和受力情况而定。对于单桩承台直接传递拉力。因此承台配筋仅需要满足构造要求；对于多桩承台当仅承受倾覆上拔力作用时；承台为反向悬臂梁板，常通过台顶而配置主筋、承台底面配置构造钢筋满足抗弯要求；如需承受水浮力产生的上拔力作用时，承台为多跨连续梁结构，承台顶面和底面必须同时配置受力主筋满足抗弯要求。正常使用极限状态要求由于承台厚度通常较大，拱度和裂缝均较小，一般不用验算。

由于地下水位季节性的变化，上部结构使用荷载的变化(例如水池结构,存在一个满池与空池的循环问题)以及建筑物承受水平风荷载大小、风向的随机变化等，工程中以单纯受拉形式在的抗拔桩比例不大、机率不多,多数情况是基础桩在某种荷载组合下以抗拔桩形式出现，而在另一种荷载组合下又以抗压桩、抗水平力桩的形式出现或两者、三者兼而有之。因此在布桩和基础承台设计时，应综合考虑、统筹兼顾，满足各种受力状态下的计算和构造要求。

6 设计中急需解决的问题及近似处理办法

随着建筑事业的发展，建筑思路、范围的拓展，可以肯定桩“受拔”的情形在工程中出现的概率会越来越大。因此处理好以下几个方面的问题，使实际工程设计简单化，尤显重要。

(1) 单桩抗拔承载力按照经验公式近似计算时，规范没有明确淤泥的抗拔系数取值，建议采用0.7 做近似计算；对于群桩效应，由于难以测试仍按照地勘报告所提供的土体抗剪能力来进行估算。

(2) 抗震设防区当需要进行基础抗震设计时，应验算地震作用下单桩(群桩)的抗压力或抗水平力，对于承受拉力作用的抗拔桩是否也应验算在地震作用下的承载力？规范没有明确。建议按照抗压桩要求复核抗拔桩在地震作用下的承载力。

(3) 桩、承台的设计方法和构造措施在各规范中均没完全明确，建议近似套用抗压桩的成桩要求、受拉构件的计算和构造要求以及抗压桩承台的计算和构造要求。