本文摘要：摘要：以昆明市某高層建筑項目的樁筏基礎(chǔ)設(shè)計為工程背景，采用YJK軟件建立樁筏基礎(chǔ)計算模型，針對本工程的地質(zhì)狀況，進行了高烈度地區(qū)地震組合工況下混凝土PHC管樁內(nèi)力研究。提出了在建筑物輪廓墻體外附近密集布置樁基并適當加厚筏板與設(shè)置抗剪彎起鋼筋等提高筏板抗剪
摘要：以昆明市某高層建筑項目的樁筏基礎(chǔ)設(shè)計為工程背景，采用YJK軟件建立樁筏基礎(chǔ)計算模型，針對本工程的地質(zhì)狀況，進行了高烈度地區(qū)地震組合工況下混凝土PHC管樁內(nèi)力研究。提出了在建筑物輪廓墻體外附近密集布置樁基并適當加厚筏板與設(shè)置抗剪彎起鋼筋等提高筏板抗剪承載力的方法，進行了PHC管樁抗壓優(yōu)化設(shè)計;提出了水浮力與地震組合工況下PHC管樁拔力的計算方法，采用可靠的連接接頭進行了PHC管樁抗拔優(yōu)化設(shè)計;在分析了樁身拉力對樁身受剪承載力的影響的基礎(chǔ)上，結(jié)合樁頂土體性質(zhì)換填改良與PHC管樁填芯的有效措施，進行了PHC管樁抗剪合理設(shè)計。結(jié)果表明該PHC管樁適用于高烈度軟土地區(qū)。
關(guān)鍵詞：高層建筑;PHC管樁;高地震烈度軟土地區(qū);水浮力;地震拔力;地震水平力
引言
預(yù)應(yīng)力高強混凝土(prestressedhigh-strengthconcrete，PHC)管樁，屬于先張法預(yù)應(yīng)力混凝土管樁的一種[1]。由于PHC管樁良好的受力承載性能、較低的經(jīng)濟成本、工期短、環(huán)保以及可滿足不同樁長等優(yōu)點[2]，PHC管樁在基礎(chǔ)工程中得到了廣泛的應(yīng)用。然而，我國建筑工程行業(yè)標準及地方標準對PHC管樁在地震烈度8度及其以上地區(qū)的應(yīng)用做出了限制要求[3-5]，對于高烈度軟土地區(qū)更為嚴格。雖然PHC管樁在我國沿海軟土地區(qū)已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用[1]，但應(yīng)用地區(qū)基本為地震烈度較低區(qū)域。目前我國對PHC管樁在高烈度地區(qū)應(yīng)用的研究很少。
劉慧珊[6-7]通過對60年代以來的地震特別是1995年日本阪神大地震進行了震害調(diào)查分析，總結(jié)了各類地基土的樁基破壞特點，并對樁基的抗震設(shè)計方法提出了改進措施，對我國樁基抗震設(shè)計具有一定的參考價值。楊樹標等[8]對PHC管樁進行了振動臺試驗研究，劉春原等[9]通過振動臺試驗及數(shù)值分析模擬了不同烈度地震作用下PHC管樁的內(nèi)力分布。
建筑論文范例：軟土地區(qū)的砂層深基坑建筑施工方案
李曰辰等[10]通過振動臺試驗研究考慮了不同土體對樁基內(nèi)力的影響并提出了PHC管樁在高烈度地區(qū)的應(yīng)用的可行性。李光明[2]通過振動臺試驗研究了高烈度軟土區(qū)預(yù)應(yīng)力管樁的抗震性能，但是未考慮不同性質(zhì)軟土及實際工程筏板對樁頂約束的影響。戴軒等[11]利用有限元方法研究了成層軟土地區(qū)樁筏基礎(chǔ)PHC管樁的抗震性能，提出地下室及較大埋深對樁頂內(nèi)力的有利作用及改良樁頂周圍土體性質(zhì)的設(shè)計思路。
上述研究均未與實際工程設(shè)計相結(jié)合且未見研究成果應(yīng)用于實際工程中。鄭剛等[12]通過試驗研究了填芯PHC管樁對樁身抗剪承載力的有利作用，并指出填芯改善了樁身受剪破壞的脆性性質(zhì)。楊志堅等[13]通過試驗和數(shù)值模擬研究了PHC管樁與承臺連接節(jié)點抗震性能，結(jié)論指出，地震作用下端板上預(yù)應(yīng)力筋被拉斷后，填芯管樁與承臺連接處可形成塑性鉸，有一定的耗能能力。上述研究均未涉及地震工況組合下樁身拉力對樁身受剪承載力的影響。 本文基于實際設(shè)計工程，研究了高烈度軟土地區(qū)PHC管樁抗壓、抗拔及抗水平力的受力性能與應(yīng)用的可行性，對于PHC管樁在高烈度軟土地區(qū)的應(yīng)用具有重要的參考意義。
1工程概況
本工程總建筑面積約為140萬m2，位于昆明市嵩明縣嘉麗澤。擬建場地抗震設(shè)防烈度為8度(0.3g)，設(shè)計地震分組為第三組，Ⅳ類場地，設(shè)計特征周期Tg=0.9s。以某棟高層住宅建筑(采用剪力墻結(jié)構(gòu))樁筏基礎(chǔ)設(shè)計為工程背景，房屋高度為57.9m，地上19層、地下1層，標準層層高3.0m，首層層高4.8m，地下室層高5.3m，嵌固端為地下室頂板，相對標高為-1.200m。
場地內(nèi)分布的③黏土及③1泥炭質(zhì)土為軟弱土層，均為軟塑狀態(tài)，分布范圍較廣，厚度較大，地基承載力特征值較低，具有高含水量、孔隙比大、高壓縮性、觸變性、流變性、低透水性等特性，力學性質(zhì)差，施工時孔隙水難以消散，易產(chǎn)生擠土效應(yīng)，導致基樁上浮且為欠固結(jié)土，確定樁基抗壓承載力需要扣除軟弱土對樁側(cè)產(chǎn)生的負摩阻力，③黏土及③1泥炭質(zhì)土亦存在震陷的可能，需考慮震陷的影響;④黏土以軟塑狀態(tài)為主，局部為可塑狀態(tài)，為軟弱土層;⑤黏土以可塑狀態(tài)為主，局部為硬塑狀態(tài)，地基承載力尚可;⑥黏土可至硬塑狀態(tài)，地基承載力較好;⑦黏土可至硬塑狀態(tài)，地基承載力較好。抗浮設(shè)防水位絕對標高為1892.800m，設(shè)防水頭高度為3.9m。
2基礎(chǔ)模型的建立與樁的布置
本工程采用軟件YJK1.9.3.3建模計算分析，上部結(jié)構(gòu)模型計入地下室相關(guān)范圍(主樓周邊外延兩跨)，地基土水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)m取值2.0MN/m4。在上部結(jié)構(gòu)模型基礎(chǔ)上建立基礎(chǔ)模型，管樁型號[14]采用PHC-600AB(130)，樁長55m，節(jié)樁長度為(10+15+15+15)m，其中10m長單節(jié)樁為樁底單節(jié)樁。
由于軟弱土層不排水抗剪強度大于10kPa，可不考慮基樁的屈曲影響，樁徑比為92.7，小于100，對于摩擦型基樁，滿足國標圖集10G409[14]設(shè)計要求。其抗壓承載力安全度相對較高，為了減小擠土效應(yīng)避免浮樁，同時減少成本，基樁間距設(shè)置相對較大為4.8d。
由于外挑筏板受力較大，筏板厚度為2.0m，混凝土強度等級為C40。為了減小筏板應(yīng)力集中，緩變坡度角度為30°。上部結(jié)構(gòu)剪力墻較厚，結(jié)構(gòu)剛度較大，基礎(chǔ)模型考慮上部結(jié)構(gòu)剛度進行整體計算。根據(jù)試樁結(jié)果的抗壓承載力、抗拔承載力及抗剪承載力進行研究驗算，試樁結(jié)果如表1所示，其中抗拔試樁樁長為30m，單節(jié)樁長15m，采用焊接加強接頭。其余試樁施工、檢測要求與工程樁相同。
3抗壓承載力的驗算與分析
常規(guī)項目優(yōu)先采取墻下布樁方式，其次采取主體輪廓范圍內(nèi)滿堂布置樁基，然而對于高烈度軟土地區(qū)，較大的地震作用導致建筑物外輪廓剪力墻附近基樁受力較大，樁反力嚴重不均勻，需要在建筑物輪廓外區(qū)域集中布置樁基，導致樁間距較小，帶來浮樁風險。通常樁筏基礎(chǔ)的筏板厚度由沖切控制，而地震作用組合工況下，外挑基樁反力可能會導致筏板抗剪承載力不足。
3.1抗壓樁承載力的確定
根據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ94-2008)[3]第5.4.3條考慮③及③1層軟土的負摩阻力，由于管樁承載力是地震工況控制，兼顧③及③1層軟土震陷的影響，不計③及③1層軟土整個土層的摩擦力。
3.2抗壓承載力分析結(jié)果
可以看出非地震標準組合工況下基樁反力平均值(Nk,avg)為1600kN，最大基樁反力(Nk,max)為1955kN，均遠小于基樁承載力特征值2600kN;可以看出地震標準組合工況下受壓基樁反力平均值為1536kN，最大基樁反力為3316kN，基樁反力平均值略小于非地震組合工況下基樁反力平均值，但是最大基樁反力較大，為基樁承載力的1.28倍，小于規(guī)范要求的1.5倍，滿足設(shè)計要求并留有適當?shù)陌踩取?/p>
3.3筏板抗剪承載力的驗算及改進措施
編號A1~A9、B1~B9管樁在地震標準組合工況下樁反力較大，引起筏板懸挑根部受到很大的剪力，即18根樁的反力之和，剪力標準值為57595kN。受剪破壞面寬度為18m，單位寬度承載剪力標準值Vk=3200kN。根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB50011—2010)[15]第5.4.1條，地震組合工況下標準值轉(zhuǎn)化為設(shè)計值的分項系數(shù)為1.2~1.3，本文考慮到筏板抗剪為脆性破壞及筏板破壞的危害性，參考《建筑地基基礎(chǔ)規(guī)范》(GB50007—2011)[16]第3.0.6條保守采用綜合分項系數(shù)1.35計算單位寬度設(shè)計值Vs=4320kN。
3.4避免浮樁的有效措施
由于地震作用的特點與地質(zhì)條件的特殊性，本工程部分樁間距較小，存在浮樁風險，因此需要采取有效措施避免浮樁，試樁在相同措施條件下進行，具體措施如下：(1)設(shè)置砂井或者碎石樁排水降低樁間土孔隙水壓力，具體設(shè)置原則是進行專項論證后編制專項施工方案。(2)引孔措施：長螺旋鉆機引孔直徑400mm，孔長36m，應(yīng)采取防止塌孔的有效措施;引孔采用長螺旋鉆機引孔，垂直偏差不宜大于0.5%，并采用開口樁尖[4]。(3)壓樁：嚴格控制壓樁速率，按1m/min控制，為了保證接頭的焊接質(zhì)量，采用二氧化碳氣體保護焊，焊接接頭冷卻時間控制不得少于8min。(4)管樁抗浮監(jiān)測：設(shè)置一定數(shù)量的監(jiān)測樁，當出現(xiàn)管樁上浮時，應(yīng)立即檢查復壓。
4抗拔承載力的驗算與分析
通常高層建筑項目是不存在樁基抗拔設(shè)計的，但是高烈度地區(qū)水平地震作用較大，筏板外輪廓周邊的基樁需要滿足抗拔設(shè)計要求，而對于軟土地區(qū)Ⅳ類場地，基樁抗拔設(shè)計尤為困難。
4.1抗拔樁承載力的確定
由于抗拔樁接頭的抗拉承載力不得小于樁身抗拉承載力，接頭處受力復雜，且施工要求高，參考江蘇省圖集JH002—2019[18]僅計入一個抗拔接頭(兩節(jié)樁)的抗拔力確定本工程PHC管樁的抗拔承載力。江蘇省圖集JH002—2019介紹了抗拔樁機械抱箍式連接接頭，具有較強的可靠性，但是由于專利條件限制，云南地區(qū)無法采用機械抱箍式連接接頭，因此采用焊接接頭，并采取角鋼加強措施保證抗拔樁接頭的可靠性。
4.2抗拔承載力分析結(jié)果
地震組合工況下，重力荷載代表值被視為恒荷載，但是重力荷載代表值包含有折減的活荷載，常規(guī)計算軟件未扣除其中活荷載部分對抗拔力驗算的有利作用，對于抗拔樁設(shè)計一般不考慮活荷載的有利作用，因此本文從安全角度不考慮重力荷載代表值中活荷載部分，并考慮水浮力的不利作用重新建立地震工況的標準組合。結(jié)合本工程場地常水位水頭高度約2.8m，考慮地震與設(shè)防水位同時出現(xiàn)的概率，水浮力組合系數(shù)取為0.7。由于房屋高度小于60m，根據(jù)抗《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB50011—2010)(2016年版)不考慮風荷載的作用。
5水平承載力的驗算與分析
多數(shù)人認為高烈度區(qū)不宜采用PHC管樁，主要是主觀上認為空心管樁抗剪承載力相比實心混凝土樁較差。而實際PHC管樁樁身抗剪強度有預(yù)壓應(yīng)力的有利作用，對于抗拔管樁可以增加PHC管樁的填芯長度來保證樁頂段的受力性能。
5.1管樁水平承載力特征值的確定
通常基樁處于受壓狀態(tài)，樁身受剪承載力可以根據(jù)國標圖集10G409確定，但是本文工程案例中部分基樁在地震組合工況下處于受拉狀態(tài)，拉力與剪力并存，樁身拉力的存在削減了樁身的受剪承載力。
5.2水平承載力分析結(jié)果
樁頂實際水平力可以考慮地下室及外墻側(cè)土體吸收上部結(jié)構(gòu)水平力的有利作用[11]。由于各種實際工程案例中，地下室周邊約束情況復雜，約束程度難以準確計算。通常可根據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ94-2008)第5.7.5條采用地基土水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)m(m法)保守計算地下室吸收的地震水平力。本文不考慮筏板基礎(chǔ)底與土體摩擦及承臺周邊土體的有利作用，僅將《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ94-2008)第5.7.3條介紹的實際存在群樁效應(yīng)作為工程設(shè)計安全富余度。
首層嵌固端豎向構(gòu)件總剪力V0=23842.40kN，假定此剪力均由管樁(120根)承擔，平均每根樁水平力為23842.40/120=198.7kN，小于基樁水平承載力特征值為210kN。保守取m=2.0MN/m4，采用YJK軟件計算得到平均每根樁水平力為152kN，從而可以看出地下室及周邊土體吸收地震水平力約為23.5%。本文考慮地震作用的不確定性，為了確保樁頂水平承載力的可靠性，基礎(chǔ)設(shè)計文件提出如下施工要求：
1)常規(guī)項目樁嵌入筏板內(nèi)的長度對中等直徑樁(設(shè)計直徑)不宜小于50mm;對大直徑樁不宜小于100mm[3]。本文為了確保樁頂與筏板的半剛性連接，600mm直徑管樁嵌入筏板內(nèi)長度100mm。2)地下室外墻回填土及筏板側(cè)邊回填土采用1:7水泥土分層壓實，壓實系數(shù)不得小于0.95。樁頂標高以下3.0m范圍采用級配砂石或者羊矸石滿堂換填改良樁頂土體，壓實系數(shù)不得小于0.95。平面換填范圍：主樓筏板邊線外擴3.0m。本文抗水平承載力試樁試驗在改良土體中進行，而抗拔樁承載力未考慮改良土體的有利作用。
6結(jié)論
本文以昆明市某高層建筑項目的樁筏基礎(chǔ)設(shè)計為工程背景，對混凝土PHC管樁在高烈度軟土地區(qū)的設(shè)計及應(yīng)用可行性進行了研究，研究表明：
(1)地震組合工況下，在建筑物輪廓墻體外圍附近密集布置基樁的方法能夠?qū)崿F(xiàn)PHC管樁在高烈度地區(qū)進行設(shè)計應(yīng)用，軟土地質(zhì)條件導致樁間距更小，擠土效應(yīng)導致施工過程中存在浮樁風險，應(yīng)該采取可靠有效的施工措施避免浮樁。
(2)在建筑物輪廓墻體外圍附近密集布置基樁的方法會導致筏板受到強大的剪力作用，本文提出的適當加厚筏板與設(shè)置抗剪彎起鋼筋等方法可滿足筏板抗剪承載力設(shè)計要求。
(3)基于地震作用水平力的特點，建筑物輪廓墻體外圍附近基樁應(yīng)進行抗拔承載力設(shè)計，當抗浮設(shè)防水位高于基礎(chǔ)板底標高時，地震組合工況下，水浮力對基樁的拔力作用可能有較大貢獻，本文設(shè)防水頭高度為3.9m，水浮力使基樁拔力增加了22.4%，因此應(yīng)該在水浮力與地震組合工況下進行PHC管樁抗拔優(yōu)化設(shè)計。
(4)當?shù)卣鸾M合工況下PHC管樁拔力作用明顯時，樁身拉力削減了樁身受剪承載力，對于PHC600AB(130)，樁身受拉651kN時，樁身受剪承載力(不考慮填芯)降低了25.4%。因此需要考慮拔力對樁身受剪承載力的影響，針對軟土地質(zhì)狀況，可以采取對樁頂土體進行換填、加固改良土體性質(zhì)或管樁填芯的措施保證基樁水平承載力。
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作者：王義春1，王治海1，左恩勝1，繆長青2
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