滨海地区软土地基地下建筑桩基方案设计及承载力计算
摘要
关键词
滨海地区；软土地基；地下停车场；钻孔灌注桩；抗浮承载力
正文
引 言
我国浙江沿海地区存在深厚软土地层，其具有高压缩性、高含水量、低强度等特点，使得地下建筑往往需要采用桩基础进行加固。同时这些区域地下水位较高，其对地下建筑的浮力影响不可忽视。当地下建筑的埋深较大，自身重量不足以抵抗浮力时，需对建筑进行抗浮设计[1]。抗拔桩作为一种重要的建筑桩基形式，在建筑抗浮设计中日益得到重视[2-3]，其对于保证工程安全及降低造价均有十分重要的意义。
1 工程概况
拟在台州市黄岩区江口街道修建一地下停车场，地下停车场按照平战结合人防工程要求设置，平时功能为地下车库及配套用房，战时功能为防空专业队工程及二等人员隐蔽所。地下停车场上部建筑为城市公园，部分区域为单层商业建筑。地下停车场总建筑面积为11798m2，其中人防面积8988m2，可进一步分为5级人防区和6级人防区，其平面图如图1所示。地下停车场顶板顶标高为-1.1m，上覆土层厚度为1m，5级人防区域底板标高为-5.6m，6级人防区域底板标高为-5.0m。
图 1 地下停车场平面布置图
图 2 地下停车场剖面图
地下停车场位于滨海地区，场地地下水位较高。根据地勘资料显示，地下停车场浅部土层分布有①层杂填土、①-1层粘土；中下部地层分布有③-1层淤泥质粘土、③-夹层粘土、③-2层淤泥质粉质粘土、④-1层含粉质粘土圆砾。软土地层厚度普遍超过50m，④-1层含粉质粘土圆砾为持力层，其埋深标高一般为-45m。各土层的参数如表1所示。
表 1 地下停车场地基土层参数表
层号 | 层名 | 天然地基 | 固结快剪（峰值） | ||
压缩模量 | 承载力特征值 | 粘聚力 | 内摩擦角 | ||
Es0.1-0.2（MPa） | Fak（kPa） | C（kPa） | Φ（°） | ||
① | 杂填土 | / | / | / | / |
①-1 | 粘土 | 4.0 | 90 | 20 | 12.0 |
③-1 | 淤泥质粘土 | 1.6 | 40 | 9 | 7 |
③-2 | 淤泥质粉质粘土 | 1.8 | 45 | 9.5 | 8 |
③-夹 | 粘土 | 3.2 | 65 | 16 | 10 |
④-1 | 含粉质粘土圆砾 | 12.0 | 180 | 4 | 32 |
2 桩型比选
2.1 桩基优缺点分析
目前常用的桩基础主要包括预制方桩、预制管桩、钻孔灌注桩等，对各桩型的优缺点及适用条件进行分析。
（1）预制方桩：桩与桩之间通过插头相连接并通过钢筋焊接进行固定，桩身锤入土层后产生挤土效应，可以保证较高的抗拉强度。但由于地下停车场位于软土地基条件且持力层较深，若保证桩底进入持力层足够深度，则总桩长应超过50m，则需至少4节预制方桩相连接，其施工难度较大，易出现倾斜、错位等现象[4]。
（2）预应力管桩：广泛运用于土质软弱且埋藏较厚的地基中，具有承载力高、稳定性好、沉降小等特点。管桩的长度可以根据工程实际进行定制，节省用桩量，避免材料浪费，节约工程造价。但预制管桩的抗拔能力存在不足，由于管桩一般为空心结构，其挤土效应较预制方桩弱。预制管桩应用于抗拔工程尚不多见[5]，是否具有抗拔作用尚存在争议，按台州地区规定预制管桩不得用于抗拔工程设计。
（3）钻孔灌注桩：钻孔灌注桩属于深基础处理中常用的桩型。桩底进入持力层后，上部建筑荷载由灌注桩承担，工后沉降较小。根据桩底进入持力层情况确定有效桩长，可合理配置混凝土和钢筋情况，减少材料浪费。钻孔灌注桩对于满足建筑物的抗压承载力和抗拔承载力均有较好的效果[6]。尽管钻孔灌注桩对施工工艺要求较高，但通过合理安排施工组织设计、选取有充足经验的队伍施工、保障材料供应等措施，可以最大限度减少钻孔灌注桩的缺陷的产生，保证成桩质量。
2.2 钻孔灌注桩基础设计
拟采用桩径为600mm、混凝土标号为C35、主筋标号为12C22的钻孔灌注桩作为桩基础，为降低施工成本和难度，仅调整桩底进入持力层的深度分别为2m和5m。依据《建筑地基基础设计规范》（GB 5007-2011），选取部分地勘点位，结合钻孔资料，计算灌注桩单桩抗压及抗拔承载力特征值。计算结果如表2所示。
表 2 钻孔灌注桩抗压、抗拔承载力特征值计算表
点位 | 土层厚度（m） | 入岩2m | 入岩5m | |||||||||
① | ①-1 | ③-1 | ③-2 | ③-夹 | ④-1 | 桩长 （m） | 抗压承载力 （kN） | 抗拔承载力 （kN） | 桩长 （m） | 抗压承载力 （kN） | 抗拔承载力 （kN） | |
1 | 0 | 0.51 | 18.1 | 26.8 | 0 | 5 | 47.41 | 1585.43 | 723.29 | 50.41 | 1924.55 | 943.72 |
2 | 1.98 | 11.5 | 16 | 16.6 | 2 | 5 | 50.08 | 1571.45 | 716.67 | 53.08 | 1956.91 | 994.94 |
3 | 0.58 | 2.2 | 25.9 | 18.3 | 0 | 5 | 48.98 | 1617.79 | 774.51 | 51.98 | 1923.94 | 950.95 |
4 | 0 | 1.15 | 29.5 | 16.3 | 0 | 5 | 48.95 | 1584.82 | 730.52 | 51.95 | 1934.49 | 950.69 |
5 | 0.24 | 1.4 | 31.8 | 12.9 | 0 | 5 | 48.34 | 1595.37 | 730.26 | 51.34 | 1910.57 | 937.10 |
由于桩数量较多，取一低于各计算值的保守值，确定入岩2m时单桩抗压承载力为1500kN，入岩5m时单桩抗压承载力为1800kN，单桩抗拔承载力均为600kN。
3 承载力计算
采用北京构力科技有限公司研发的PKPM2023版软件，对地下停车场各分区的抗浮设计进行计算。根据地勘资料，场地抗浮设计水位取地下停车场室外地面标高，即1985高程的6.5m考虑。
根据设计图纸，5级人防区±0.0绝对高程为6.6m，地下停车场底板面绝对标高为0.9m，底板厚500mm，另外上部覆土厚度为1m。不利荷载主要为水的浮力，其压强为61kkN/m2，为保证安全，取抗浮系数为1.05，即考虑不利荷载的最低值不低于64.05kN/m2。有利荷载包括地下停车场上部覆土、顶板、底板和梁柱的自重等，其压强总计为37.45kN/m2。同理，对6级人防区和非人防区的不利和有利荷载依次进行计算。
各部分不利荷载与有利荷载的差值即为灌注桩所需提供的抗拔面荷载，结合各区域的柱网间距从而推算出单柱所需抗拔力，从而确定各柱网下灌注桩数量，其计算结果如表3所示。
表 3 钻孔灌注桩桩数计算结果表
区域 | 不利荷载 （kN/m2） | 有利荷载 （kN/m2） | 需提供抗拔面荷载 （kN/m2） | 柱网间距 （m×m） | 单柱所需抗拔力 （kN） | 桩数 |
5级人防区 | 64.05 | 37.45 | 26.6 | 8.7×8.5 | 1967 | 4 |
8.5*7.2 | 1628 | 3 | ||||
6级人防区 | 57.75 | 37.45 | 20.3 | 8.7×8.5 | 1501 | 3 |
非人防区域 | 50.4 | 27.73 | 22.67 | 8.7×6.8 | 1341 | 3 |
根据计算结果，各柱网间距区域下灌注桩布置图如图3所示。每根钻孔灌注桩所能提供的抗拔承载力为600kN。5级人防区需提供抗拔面荷载为26.6kN/m2，在柱网间距为8.7m×8.5m的区域，需布置4根灌注桩；在柱网间距为8.7m×7.2m的区域，需布置3根灌注桩。6级人防区需提供抗拔面荷载为20.3kN/m2，其柱网间距为8.7m×8.5m，需布置3根灌注桩。非人防区域需提供抗拔面荷载为22.67kN/m2，其柱网间距为8.7m×8.5m，需布置3根灌注桩。由此可以保证地下停车场整体及局部的抗浮设计满足工程安全的要求。
图 3 柱网下钻孔灌注桩布置图
4 结论
本工程对滨海地区软土地基某一地下停车场进行研究，通过对目前常用的桩基方案进行比选，认为钻孔灌注桩具有工后沉降小、材料浪费小等特点，同时在抗压和抗拔承载力等条件上均能满足要求。滨海地区由于地下水位较高，需对地下建筑的抗浮设计进行重点考虑。本工程基于地勘资料，对钻孔灌注桩的抗拔承载力特征值进行计算，认为在5级人防区需设置4根桩，在其他区域需设置3根桩，由此可以满足地下停车场整体及局部的抗浮设计要求，保证工程安全。
参考文献
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[5] 郭亚飞.黄土地基高强度混凝土管桩抗拔力测试研究[J].山西建筑,2016,42(02):62-63.
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