欧阳苏登
（广东中山建筑设计院股份有限公司，广东，中山，528403）
【摘 要】以某带两层地下室的高层办公楼的基础抗拔设计为例，运用PKPM和YJK两个软件对其进行建模、计算、结果分析，阐述了地下室底板均匀布置抗拔桩的理论、建模计算及结果分析。
【关键词】抗浮；抗拔PH；管桩布置；PKPM；YJK
引言
地下室抗浮的桩基础布置通常有两种方案：一种是只在墙柱下设置即抗压又抗拔的桩基础；另一种是整个底板上小间距均匀布置，局部地方（独立柱基位置）适当调整。当抗浮水位较高，水浮力起控制作用时，第二种方案可降低底板的配筋，又可减小因个别抗浮桩失效而造成的局部破坏。
1 工程实例
1.1工程概况
广东省中山市某工程地上17层，地下2层，上部结构为框架—剪力墙结构体系，地勘报告建议抗浮设计水位为 -2.25m(室外地面最低点标高为-1.85m)，负二层底板板面标高为-9.7m，板厚400mm及500mm，采用静压φ400PHC管桩，抗压承载力特征值Ra=1200 kN,抗拔承载力特征值R=200kN，桩端持力层为全风化岩层，抗浮时考虑车库顶板300mm厚的覆土重量。
1.2抗浮稳定安全系数Kw的确定
基础抗浮稳定性应符合下式：Gk +nR≥Kw S (Gk:建筑物自重及压重之和，S:浮力作用值，R:单桩抗浮承载力特征值，n:抗拔桩的数量，Kw：抗浮稳定安全系数)
除有可靠的监测数据或长期控制地下水位的措施外，基底抗浮设计水头高度值不应折减。抗浮稳定安全系数Kw一般取1.0~1.05，若抗浮设计水位定在车库入口或周边地面低点，抗浮稳定安全系数Kw取1.0一般应该是足够的，但若水位定在地面低点以下且地势没什么特殊的话，则标准水荷载乘以Kw后最好能达到水位定在室外地面低点标高的水荷载。这主要考虑以下两方面因素：
（1）把握不到桩的质量，管桩与承台的锚固及多节桩时管桩接头，特别是焊缝及端头板质量。
（2）建模计算时设的桩刚度不一定准确，若这个刚度差别太大而导致计算差异，局部桩开始失效，有可能导致骨牌效应。
故本工程的抗浮稳定安全系数Kw取1.05，此水头高度（1.05*（9.7-2.25+0.4）=8.25m）与水位定在室外地面点的水头高度（9.7-1.85+0.4=8.25m）一致。
1.3预估抗拔桩布置间距
1.3.1板跨中抗拔桩布置间距估算
抗浮设计水位-2.25m，负二层底板板面标高为-9.70m，负二层底板厚h=400mm
水头高度：-2.25-(-9.7)+0.4 =7.85m，结构自重：G1k=0.4x25(板自重)+0.8(面层) =10.8KN/m2
净水浮力： Fk=1.05x7.85x9.8-10.8=70 KN/m2，φ400HPC抗拔承载力特征值R=200KN
抗拔桩布置间距 a=(200/70)^0.5=1.7m
1.3.2独立柱基位置可抵消的水浮力面积估算（取标准柱跨下的一根柱KZ1为例）
模型不建入负二层底板，分以下两种工况计算：
（1）正常使用工况作用下，读取柱底轴力最大标准值N=2885kN,柱下布置3φ400基础；
（2）荷载只考虑结构自重、0.80kN的面层重量及300mm厚覆土，柱底轴力标准值N=1400 kN。
独立柱基下可提供的最大抗浮力为Gk +nR =1400+3x200=2000 KN；
考虑底板刚度有限，水浮力作用下独立柱基下的最大抗浮力不可能用尽，对其进行0.8折减；
据第2.3.1知，净水浮力为70KN/m2；，估计可抵消的最大水浮力面积：S=2000*0.8/ 70=22.9m2。
据以上2.3.1条及2.3.2条的计算，可初步在平面上布置抗拔桩。
1.4建模计算
1.4.1 抗拔桩输入模型的方式
笔者尝试用以下三种方式分别建模：
（1）负二层底板建入在上部模型中，在负二层底板标准层中，以柱模拟抗拔桩输入模型；
（2）负二层底板建入在上部模型中，在负二层底板标准层中，以输入板间集中力模拟抗拔
桩提供的抗拔力输入模型，目前PKPM不能输入板间集中力，YJK可以输入板间集中力；
（3）负二层底板在基础模块输入，上部模型不建底板，抗拔桩在基础模块以桩的形式输入。
底板的平面外刚度是变化的，跨中刚度小，支座刚度大，跨中的桩的抗浮力最大，并向支座逐渐减小，板在水浮力作用下发生变形，水浮力会部分释放到周边的柱基上，板起到平衡各桩受力的作用。经分析，第一种方式，输入柱模拟抗拔桩时，即假定每个抗拔桩都是个固定点，不会发生位移，底板起不到平衡各桩的受力，这样导致独立柱基下的拔出力很小，其余桩拔出力大，所需抗拔桩多，不经济；第二种方式，将桩的抗拔承载力以板间集中力输入，即假定每个桩的抗拔力都用尽，然实际上由于板的刚度调节，每个桩的所受浮力不同，也不可能都用到，与实际受力有所不符；第三种方式，底板以“筏板+桩”的方式输入基础模型，软件按整体有限元计算的，考虑整体的变形协调。综上所述，第三种方式在理论上最符合实际的，故选用第三种方式来计算抗拔桩。
1.4.2桩刚度的取值
经计算发现，桩刚度对桩反力的影响很大！桩的弯曲刚度一般可取0，故适当定义桩的抗压和抗拔刚度尤为重要！！
PKPM和YJK程序都可根据输入的地质资料自动计算桩的抗压刚度（荷载除以位移，桩刚度=平均桩反力/桩顶沉降），也可人工直接指定，可根据试桩报告中的Q-S曲线的斜率求取，并对试桩刚度结果进行折减。若没有地质资料和试桩结果，YJK基础设计专题提到“桩的抗压刚度可取竖向承载力的50~100倍估计，桩的抗拔刚度不能通过计算自动得到，抗拔刚度应能保持和抗压刚度同样的数量级，确保计算结果的合理性”。据桩的抗压刚度计算式可知，桩的承载力越大，桩顶沉降约小（摩擦桩的沉降较大，嵌岩桩的沉降较小），则桩的抗压刚度越大。本工程为摩擦端承桩，入全风化岩1m，故桩的抗压刚度取100000kN/m(约83倍桩竖向承载力)，抗拔刚度取20000 kN/m。
将上述刚度取值输入模型试算，查看计算结果发现，如CT-48,其上部结构的荷载作用下柱底力为2538kN(D+L标准值) ，但查看桩承载力验算，三桩的桩反力却分别为567、569、496，三桩的合力远小于柱底轴力！！虽底板在上部荷载作用下会有变形，底板跨中桩会分担部分荷载，但此处筏板厚度才400mm，柱跨约6.5mx10.5m，底板的跨中桩应分担不到那么大的荷载。将此问题反馈到YJK的技术咨询部，其提供的处理方法是：“根据实际情况适当定义桩的抗压和抗拔刚度”。
考虑到承台下的桩上部有框架结构相连，有上部刚度与荷载凝聚到基础，故承台下的桩与非承台下的桩的竖向抗压刚度应有不同。尝试将承台桩与非承台桩按两种桩输入，取非承台桩抗压刚度为承台桩抗压刚度的0.5倍，抗拔刚度取相同，输入模型计算，查看CT-48下三桩的桩反力分别为814、819、722，三桩的合力为2355kN,此值较为接近上部柱底轴力，故非承台桩抗压刚度取承台桩抗压刚度的0.5倍应较为合理，此做法适当提高了承台桩的安全系数。
1.4.3桩筏总体信息
计算方法 弹性地基梁板法 桩间土是否分担荷载 否
是否考虑上部刚度 考虑 人防荷载等级 5级(核)
底板等效荷载标准值(kPa) 50 底板抗浮验算 验算 底板抗浮验算对应的水头标高 -2.2 水浮力的分项系数 基本组合
1.2，标准组合1.1
承台底及筏板底标高，在YJK中有两种输入方式，一种是相对柱底，另外一种是输入相对上部结构建模中±0.000m的标高；在PKPM中则只有输入相对上部结构建模中±0.000m的标高。抗浮设计水位，在YJK和PKPM中都是输入相对上部结构建模中±0.000m的标高。
1.4.4基础计算及结果
本工程为带两层地下车库的高层建筑，且塔楼偏置一边，将手算预估的桩布置导入基础模型。整个负二层底板按一块筏板输入模型，纯车库部分为“筏板+承台桩+非承台桩”，塔楼部分为“筏板+承台桩”，选择常规桩基(不考虑土K)，从计算结果可发现，除塔楼部分桩不用抗拔外，其余桩均需抗拔，但与塔楼相邻的一跨内的桩抗拔承载力都有较大富余（详附图一）。手算预估时跨中的桩承载力已基本用尽，为何软件计算的结果会有那么大的富余呢？尝试改小桩的抗拔刚度，结果是纯车库部分的所有桩的拔出力都变小了。总的浮力是不变的，那减少的水浮力跑哪去了？整个地下室所有桩的反力总和是不变的，当刚度输小之后，这些浮力会否都集中转移到高层的竖向构造上去？为验证这一想法，将模型中塔楼结构删除，重新计算发现，非承台桩的拔出力变小的同时承台桩的拔出力变大，总的拔出力总和是不变的，且塔楼相邻一跨的桩拔出力也接近手算结果（详附图二），这就验证了浮力集中移到高层这一想法。因软件计算时筏板按整体有限元计算，考虑整体的变形协调，但浮力都转移到高层的竖向构造上去明显不合理，故为保证纯车库部分桩不发生局部破坏，在验算纯车库部分桩拔出力时应将塔楼部分删除。
2 结语
基础设计存在很多不定因素，工程经验很重要，设计中须对每个计算结果进行分析比较，本文也是本人对底板均匀布置抗拔桩基础设计的总结，限于本人水平，本文所述如有错误，望请更正。
参考文献：
[1]中华人民共和国住房和城乡建设部.中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局建筑地基基础设计规范(GB50007-2011) [S].北京：中国建筑工业出版社，2011.
[2]中华人民共和国住房和城乡建设部.建筑桩基础技术规范(JGJ94-2008)[S].北京：中国建筑工业出版社，2008.
[3]北京盈建科软件股份有限公司.YJK -F基础设计软件用户手册及技术条件[M] .2014
[4]中国建筑科学研究院,PKPM CAD工程部:PKPM-JCCAD S-5独基、条基、钢筋混凝土地基梁、桩基础和筏板基础设计软件用户手册[M] .2010
[5]朱炳寅 娄宇 杨琦.建筑地基基础设计方法及实例分析（第二版）[M]. 北京：中国建筑工业出版社，2013
论文作者:欧阳苏登
论文发表刊物:《工程建设标准化》2015年8月供稿
论文发表时间:2015/12/2
标签：刚度论文; 底板论文; 浮力论文; 荷载论文; 承载力论文; 标高论文; 抗压论文; 《工程建设标准化》2015年8月供稿论文;