奚震勇楊 寧 張 濤 姜慧峰

（同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院（集團(tuán)）有限公司，上海200092）

0 引 言

隨著中國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，上海大都市城市化水平正在快速提高。但城市人口、資源、環(huán)境三大危機(jī)也日益嚴(yán)重，除了采取綜合性的治理、經(jīng)濟(jì)措施外，合理開發(fā)和利用地下空間將是醫(yī)治“城市綜合癥”，實(shí)施城市可持續(xù)發(fā)展的重要途徑［1］。隨著建筑空間從廣度向深度不斷拓展，像上海市等地下水位較高的城市，地下水產(chǎn)生的浮力對地下結(jié)構(gòu)的影響尤為突出。地下結(jié)構(gòu)抗浮失效案例時有發(fā)生，應(yīng)引以為戒［2-3］。本文以上海市某地下車庫為例，探討了采用抗拔樁解決地下結(jié)構(gòu)抗浮設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)問題的設(shè)計(jì)思路和方法，可供類似工程設(shè)計(jì)時參考。

1 工程背景

1.1 建筑概況

某地下車庫位于上海市浦東新區(qū)森蘭外高橋城市綜合體的中心廣場下。建筑性質(zhì)與功能為廣場用地、地下車庫。地下車庫共有2層，本工程地下車庫用以彌補(bǔ)鄰近城市綜合體地下停車不足，同時也服務(wù)地區(qū)公共社會泊位的需求。地下2層由于需和鄰近城市綜合樓連通且需通行公交巴士，建筑層高取為6.0m，地下1層建筑層高為4.8 m。地上建筑首層相對標(biāo)高±0.000 m相當(dāng)于絕對標(biāo)高為5.100 m，室內(nèi)外高差為0.15 m，地下室頂板相對標(biāo)高為-1.200 m。地面廣場效果圖見圖1。

圖1 地面廣場效果圖Fig.1 Squares renderings

地下車庫局部剖面圖見圖2。

圖2 地下車庫局部剖面圖Fig.2 Sectional view of underground garage

1.2 地下結(jié)構(gòu)概況

地下室內(nèi)部采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)體系，地下室四周采用鋼筋混凝土擋土墻。地下室頂蓋和地下1層樓蓋采用鋼筋混凝土梁板式結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)采用樁筏基礎(chǔ)，地下車庫抗浮采用抗拔樁錨固抗浮法。地下室不設(shè)永久結(jié)構(gòu)縫。主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限為50年，結(jié)構(gòu)安全等級為二級。

2 工程地質(zhì)條件和水文條件

2.1 地質(zhì)條件

本工程位于上海市浦東新區(qū)，靠近上海市外高橋保稅區(qū)，灌注樁計(jì)算參數(shù)見表1。

2.2 水文條件

本場地淺部土層中的地下水屬潛水類型，勘察期間實(shí)測取土孔中顯示的地下水穩(wěn)定水位埋深在0.70～1.50 m之間，相應(yīng)標(biāo)高2.58～3.84 m。根據(jù)巖土工程勘察報告建議，本工程最高地下水位取埋深0.50 m，最低地下水位取埋深1.5 m。

表1 灌注樁計(jì)算參數(shù)表Table 1 Calculation parameters for casting pile

3 抗拔基樁設(shè)計(jì)

3.1 樁基選型

根據(jù)工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件、周邊環(huán)境條件、耐久性要求和當(dāng)?shù)爻墒斓某蓸豆に嚧_定抗拔樁樁型，上海地區(qū)抗拔樁可采用灌注樁或預(yù)制樁。由于預(yù)制樁為擠土樁，對鄰近城市綜合體可能產(chǎn)生不利影響，為安全起見，本工程樁型選用鉆孔灌注樁。

3.2 單樁承載力特征值計(jì)算

3.2.1 所需抗拔樁承載力估算

本工程以8.4 m跨柱網(wǎng)為主，經(jīng)手算，柱網(wǎng)尺寸8.4 m×8.4 m范圍內(nèi)，G=4200kN，S=8500kN，抗拔樁承載力特征值可根據(jù)式（1）［4］進(jìn)行估算。

式中：G為恒載標(biāo)準(zhǔn)值；S為地下水對建筑物的浮托力標(biāo)準(zhǔn)值；K為地下結(jié)構(gòu)抗浮安全系數(shù)，一般取1.05；R為基樁抗拔承載力特征值；n為抗拔樁數(shù)量。

算得當(dāng)抗拔承載力特征值不小于1 125 kN時，柱網(wǎng)8.4 m×8.4 m范圍的抗拔樁數(shù)量為4根。

3.2.2 單樁抗拔力特征值計(jì)算

單樁抗拔承載力特征值取群樁基礎(chǔ)呈非整體破壞時和整體破壞時的單樁抗拔承載力特征值的較小值［5］。

（1）群樁呈非整體破壞時基樁的抗拔承載力特征值可根據(jù)式（2），樁呈整體破壞時基樁的抗拔承載力特征值可根據(jù)式（3）計(jì)算。

式中：Nk為按荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合計(jì)算的基樁拔力；Tuk為群樁呈非整體破壞時基樁的抗拔極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值；Tgk為群樁呈整體破壞時基樁的抗拔極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值；Gp為基樁自重，地下水位以下取浮重度；Ggp為群樁基礎(chǔ)所包圍體積的樁土總自重除以總樁數(shù)，地下水位以下取浮重度。

采用直徑為600 mm、樁長為36 m的灌注樁，根據(jù)計(jì)算，當(dāng)抗拔群樁樁距不大于2.6倍基樁直徑時，單樁抗拔承載力特征值由式（3）控制；當(dāng)抗拔群樁樁距大于2.6倍基樁直徑時，單樁抗拔承載力特征值由式（2）控制。本工程群樁間距不小于3.5 d，單樁抗拔承載力特征值由式（2）控制，基樁的抗拔承載力特征值為1 200 kN。

4 樁筏基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

4.1 筏板選型

平板式筏板具有傳力路徑簡單直接、施工簡單便利、工期短、綜合造價低等優(yōu)點(diǎn)，與梁板式基礎(chǔ)相比，平板式筏板基礎(chǔ)的綜合經(jīng)濟(jì)效應(yīng)較明顯［6］。本工程采用平板式筏板。

4.2 簡化模型的數(shù)值計(jì)算分析

4.2.1 簡化柱網(wǎng)尺寸

由于本地下車庫柱網(wǎng)尺寸較多，從3.9 m到12.0 m共有14種尺寸，為方便研究，采用7×7跨，單跨跨距8.4 m的等間距柱網(wǎng)。

4.2.2 設(shè)計(jì)工況

（1）地下結(jié)構(gòu)樁基整體受力分為兩個階段：施工階段和使用階段。施工階段地下水位于基坑底面下0.5 m處，使用階段最高地下水位位于場地地面以下0.5 m處。基樁受力歷程為：受壓→零受力→受拉。

（2）從地下結(jié)構(gòu)開始施工到整個使用周期內(nèi)，以柱荷載和水浮力為變量進(jìn)行組合，可能遇到的設(shè)計(jì)工況［7］包括：工況1使用階段水浮力最大，柱壓力最大；工況2使用階段水浮力最大，柱壓力最小；工況3使用階段水浮力最小，柱壓力最大；工況4使用階段水浮力最小，柱壓力最小；工況5施工階段無水浮力，柱壓力最大?？梢灶A(yù)見，設(shè)計(jì)工況1和工況5是筏板受力的控制設(shè)計(jì)工況。

4.2.3 布樁方案

在樁數(shù)不變的條件下，為了分析不同布樁方案對樁筏基礎(chǔ)受力規(guī)律的影響，采用4種不同的布樁方案，見圖3。

圖3 布樁方案示意圖Fig.3 Pile-laying schemes

4.2.4 計(jì)算軟件

樁筏基礎(chǔ)計(jì)算軟件采用北京盈建科軟件股份有限公司YJK-F軟件。計(jì)算方法采用樁筏筏板彈性地基梁法［8］。

4.2.5 主要計(jì)算參數(shù)

幾何信息：柱截面尺寸為700 mm×700 mm；樁基進(jìn)入筏板深度為50 mm，即筏板底部混凝土保護(hù)層厚度為50 mm。材料信息：混凝土強(qiáng)度等級為C35級，受力鋼筋牌號HRB400。力學(xué)參數(shù)：參考鄰近城市綜合體的抗拔試樁報告，抗拔基樁豎向剛度為3.125×105kN∕m；抗壓基樁豎向剛度為4.75×105kN∕m。地下水壓力信息、基樁承載力信息等見上述說明。

4.2.6 計(jì)算結(jié)果分析

（1）筏板厚度的確定。根據(jù)YJK-F軟件的計(jì)算結(jié)果，除柱下基樁以外，設(shè)計(jì)工況①時，筏板承受抗拔樁拔力最大值為1 600 kN，設(shè)計(jì)工況⑤時，筏板承受抗壓樁壓力最大值為1 400 kN，經(jīng)過筏板抗沖切承載力計(jì)算，筏板厚度取為600 mm。

（2）柱墩型式和尺寸的確定。根據(jù)YJK-F軟件的計(jì)算結(jié)果，600 mm厚筏板柱下抗沖切承載力不足，柱下筏板需要局部加厚。柱下筏板局部加厚的方法有向下加厚（以下簡稱下柱墩）和向上加厚（以下簡稱上柱墩），下柱墩和上柱墩形式示意圖見圖4。

圖4 柱墩型式示意圖Fig.4 Column pier diagram

設(shè)計(jì)工況1為筏板抗沖切承載力的控制設(shè)計(jì)工況，設(shè)計(jì)工況1和不同布樁方案的筏板柱墩尺寸見表2。

表2 筏板柱墩尺寸計(jì)算Table 2 Column pier dimension

表2分析說明：①布樁方案2、3，在設(shè)計(jì)工況1時，筏板沖切荷載為柱下壓力+抗拔樁拉力，由于抗拔樁的存在，增大了柱下沖切荷載；②布樁方案1、4柱下無基樁，沖切荷載即為柱下壓力。

《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50010—2010）［9］未給出集中拉力作用下的板抗沖切承載力公式，為安全起見，采用集中壓力作用下的板抗沖切承載力公式。

（3）基樁受力均勻性分析?；鶚毒鶆蛐钥捎苫鶚毒鶆蛳禂?shù)體現(xiàn)出來，基樁均勻系數(shù)是指基樁的平均受力與基樁的最大受力之比值（絕對值之比）。布樁方案2、3，在不同設(shè)計(jì)工況時基樁受力均勻性分析見表3。

表3 基樁受力均勻性比較Table 3 Comparison of uniformity of piles

布樁方案1、4時，各基樁和柱間距相同，各基樁受力一致。布樁方案2、3時，基樁均勻系數(shù)小于1，反映出各基樁受力不一致。布樁方案2、3的基樁均勻系數(shù)較接近。

（4）各方案筏板彎矩比較分析和配筋量分析。不同設(shè)計(jì)工況，不同布樁方案的筏板彎矩比較見表4。

表4 各方案筏板彎矩比較Table 4 Comparison of bending moment of raft

①設(shè)計(jì)工況1時，柱下筏板彎矩由小到大的布樁方案為：方案4＜方案2＜方案3＜方案1；跨中筏板彎矩絕對值由小到大的布樁方案為：方案4＜方案2＜方案3＜方案1。反映出設(shè)計(jì)工況1時，基樁越接近筏板中心點(diǎn)，筏板下水浮力傳遞給基樁支座的路徑越短，柱下筏板彎矩越小、跨中筏板彎矩絕對值越小。②設(shè)計(jì)工況5時，柱下筏板彎矩由小到大的布樁方案為：方案2＜方案3＜方案1＜方案4；跨中筏板彎矩絕對值由小到大的布樁方案為：方案1＜方案2＜方案4＜方案3。反映出設(shè)計(jì)工況5時，基樁越接近柱下，樁頂壓力傳遞給柱支座的路徑越短，柱下筏板彎矩越小、跨中筏板彎矩絕對值越小。③筏板配筋設(shè)計(jì)時，需根據(jù)不同設(shè)計(jì)工況的最不利彎矩進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計(jì)，從表4可知，布樁方案4可使筏板配筋量最小，而布樁方案1的筏板配筋量最大，布樁方案2和3的筏板配筋量在布樁方案1和4之間。

4.3 工程應(yīng)用

4.3.1 抗拔樁設(shè)計(jì)

（1）本工程抗拔樁采用鉆孔灌注樁，抗拔樁配筋由裂縫寬度限值控制，最大裂縫寬度限值取0.3 mm［5］。

（2）抗拔樁身范圍土層為非硬黏土，抗拔樁的破壞形態(tài)為沿樁-土側(cè)壁臨界剪破［10］，樁頂部拉力最大，樁身拉力隨樁長方向向下逐漸減小。為此，基樁縱向鋼筋沿樁長分兩批截?cái)?，基樁配筋?段設(shè)計(jì)。

4.3.2 樁筏基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

（1）抗拔樁數(shù)量的確定是樁筏基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的第一要素。本工程初步設(shè)計(jì)階段采用布樁方案1，總樁數(shù)為850根，施工圖設(shè)計(jì)階段采用以布樁方案3為主的布樁方案，總樁數(shù)下降為787根，節(jié)約了7.5%的工程樁。原因是本工程軸網(wǎng)尺寸多達(dá)14種，布樁方案1在柱下形成一個個“孤島”，各自為戰(zhàn)，未能充分發(fā)揮基樁承載力；而布樁方案3布樁靈活性強(qiáng)，可較充分地發(fā)揮基樁承載力。施工圖樁位平面布置圖（局部）見圖5。

圖5 樁位平面（局部）示意圖（單位：mm）Fig.5 Pile-laying schemes（Unit：mm）

（2）當(dāng)筏板在柱下抗沖切承載力不足時，可采用上柱墩或下柱墩形式局部加厚筏板。由于上柱墩經(jīng)濟(jì)性和施工便利性優(yōu)于下柱墩，本工程柱下筏板局部加厚采用上柱墩形式［11］。當(dāng)設(shè)置上柱墩仍不能滿足抗沖切承載力需求時，可設(shè)置下柱墩或采用柱下筏板配筋方式加強(qiáng)。參考無梁樓蓋托板設(shè)計(jì)，將上柱墩視為框架柱的托板，托板邊長取跨度的1∕5，通過加大上柱墩的邊長，可以減小筏板的配筋量。

（3）筏板配筋設(shè)計(jì)。筏板配筋設(shè)計(jì)應(yīng)取不同設(shè)計(jì)工況的最不利彎矩進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計(jì)，并滿足最小配筋率的構(gòu)造要求。

5 結(jié) 語

（1）單樁抗拔承載力特征值應(yīng)取群樁基礎(chǔ)呈非整體破壞時和群樁基礎(chǔ)呈整體破壞時的較小值。

（2）現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范未給出集中拉力作用下的板抗沖切承載力公式，為安全起見，可采用集中壓力作用下的板抗沖切承載力公式。

（3）筏板在柱下抗沖切承載力不足時，柱下筏板局部加厚宜優(yōu)先采用上柱墩形式。當(dāng)設(shè)置上柱墩仍不滿足抗沖切承載力需求時，可設(shè)置下柱墩或采用柱下筏板配筋方式加強(qiáng)。

（4）布樁方案2、3，柱下基樁與板中基樁的受力不均勻，不均勻性與筏板厚度成正比，筏板厚度不能過薄。

（5）布樁方案應(yīng)優(yōu)先采用方案4；當(dāng)柱網(wǎng)尺寸種類較多時，可采用方案3或方案3和方案4的混合布樁方案。方案2與方案3受力性能相近，布樁靈活性遜于方案3。方案1更適合抗壓工況，抗拔工況不適宜。