某地下车库预应力实心方桩抗拔静载试验分析与试桩选型探讨

某地下车库预应力实心方桩抗拔静载试验分析与试桩选型探讨

叶晓泷

（上海山南勘测设计有限公司，上海   201206）

摘要：本文结合上海地区某地下车库施工前、施工后以及基坑开挖后不同施工阶段抗拔静载试验的数据分析、处理和判断，并结合小应变桩身完整性检测结果进行验证，探讨预制预应力方桩的承载力合理取值以及接桩的连接方式可靠性等问题，根据试验结果和相关计算分析，为相关类似抗浮工程设计、检测和施工提供参考和借鉴。

关键词：静载试验；预应力实心方桩；抗拔承载力；连接计算；地下车库

引言

21世纪是地下空间开发利用的时代，地下空间的可持续发展与高质量开发已成为国际共识。随着我国对地下空间开发利用的程度越来越大，工程建筑结构的抗浮安全尤为重要。住房和城乡建设部标准定额研究所组织制定的行业标准《建筑工程抗浮技术标准》(JGJ476-2019)，对新建、扩建与改建建筑和既有建筑抗浮工程的勘察、设计、施工、检验与验收、监测及维护提供了明确要求[1]。

预制预应力方桩具有承载力高、抗裂性好、刚度大。由于对构件施加预应力，大大推迟了裂缝的出现，在荷载作用下，构件可不出现裂缝，或使裂缝推迟出现，提高了构件的刚度，增加了桩基的耐久性，根据其自身的优点尤其适合用于地下工程抗浮。由于采用预制桩作为抗拔桩，根据上海地区的地下水位比较高的特点以及岩土地质情况，一般抗浮设计水位为地面以下-0.500mm，常规的单层地下车库埋深为6米左右，地库承受的水浮力较大，通过设置预制预应力抗拔桩进行抗浮，为了充分利用抗拔桩的桩身强度一般抗拔桩多数采用2节设计，上、下节桩之间的连接设计和验算起到控制作用。本文通过实际工程预制预应力实心方桩工程桩施工前、施工后以及基坑开挖后的抗拔承载力静载试验的检测数据进行分析得到的抗拔承载力并与设计要求进行对比，根据试桩结果得到的实际的承载力未能达到设计计算要求的情况进行了分析，通过对桩身强度、接桩位置端板焊缝强度以及端板锚固孔抗剪承载力验算，结合对桩身完整性小应变检测结果的综合判断，探讨抗拔承载力不足的原因，对类似抗拔桩的设计和施工提供借鉴和参考。

1 上海市浦东新区某住宅小区工程概况

本项目为上海市浦东新区某住宅小区，上部为多栋高层住宅，地下为大底盘单层地下车库，单层车库层高3700mm,车库建筑完成面标高为-5.500m，高层住宅室内外高差为150mm，地库顶板覆土深度为1350mm。高层住宅采用预制预应力管桩作为抗压桩，地库车库采用预制预应力混凝土实心方桩作为抗拔桩兼抗压桩。

根据设计单位提供的工程前试桩图纸要求，为设计提供依据的施工前抗拔试桩桩型采用YRS300C28，YRS预制方桩选用上海市建设协会标准图集《先张法预应力混凝土实心方桩》（T/SCDA020-2020）[2]，施工前试桩为破坏性试桩，试验停止条件为土体破坏或达到桩身强度，静载试验桩在试验前后均应进行低应变动测检测。根据施工图设计图纸，工程桩均采用采用国家标准图集《预制混凝土方桩》 (20G361)中的YZH-300B-12-11实心方桩[3]，施工后验收性试桩桩型为YZH-300B-14-14、YZH-300B-12-11。具体试桩参数如下表1所示。

表1 试桩参数表

2 单桩竖向抗拔静载荷试验数据分析

2.1 试验要求及目的

根据设计图纸要求，本工程进行了施工前和施工后试桩。打桩施工前的静载荷试验为破坏性试验，其目的是为设计提供依据，为后续工程桩出图提供可靠的数据支撑；而工程桩施工后的验收性试桩目的是检测承载力是否满足设计要求，为项目验收用。

2.2 静载荷试验统计分析

该项目在施工前进行了4根试桩的单桩竖向抗拔静载荷试验，试验结果均超过设计预计承载力，试验加载值也均超出桩身强度的承载力范围。在基坑开挖前进行了试桩的验收性检测，但由于验收性试桩承载力未达到设计承载力要求，在基坑开挖至设计标高后又进行了部分工程桩的抗拔静载荷试验，两次试桩桩长不同。根据试桩结果显示，施工后验收试桩共计完成26根，其中25根抗拔承载力均未达到设计承载力要求，仅有1根满足设计承载力要求，施工后验收性试桩结果详见图1、2所示，典型的典型上拔荷载-上拔量曲线、上拔量-持荷时间曲线详见下图3、4所示，抗拔静载荷试验前、后的低应变动测曲线详见图5、6所示。

图1  28m抗拔验收性试桩结果               图2  23m抗拔验收性试桩结果 

图3  典型上拔荷载-上拔量曲线             图4  典型上拔量-持荷时间曲线 

图5 静载试验前的地应变动测曲线

图6 静载试验后的低应变动测曲线

2.3 静载荷试验结果

根据以上静载试桩试验数据分析，在加载到一定阶段，在持荷一段时间后，上拔位移急剧增加，结合抗拔静载荷试验前后小应变进行桩身完整性分析判断，小应变波形图显示在一定深度位置存在明显的缺陷反射波，而该深度位置对应就是第一节桩长位置，对26组试桩均进行了静载荷试验后的低应变检测，逐一对静载前、后的低应变曲线进行对比分析，综合得出上拔位移急剧增加的原因为接桩连接问题。

3 地基基础中基桩的选型

根据抗拔桩的受力特点以及试桩加载要求，抗拔桩的选型应综合考虑桩身强度、接桩位置的连接计算等因素选择合适的桩型[4、5]。本工程的抗拔试桩分别选用了上海市地方团标图集以及现行的国标图集，其中团标图集接桩提供三种连接方式，接桩连接详图一主要用于抗压桩，如用于抗拔桩可根据设计需要增加端部锚固筋和端板厚度或增加坡口焊尺寸。连接详图二、三主要用于抗拔桩，连接角钢与预埋的连接采用整体边缘焊接，且要求端板与端板间采用整圈焊接。

国标图集接桩提供三种连接方式，焊接法端板甲连接不得用于抗拔桩；焊接法端板乙、丙连接对端板与端板间的连接没有要求，且说明中要求抗拔桩接头设计人员需根据承载力另行复核。

3.1 桩身强度计算

根据委托方提供的资料，施工前抗拔静载试验试桩选用上海市建设协会《先张法预应力混凝土实心方桩》（T/SCDA020-2020）图集，桩型为YRS300C28，工程桩最终选用国家标准图集《预制混凝土方桩》(20G361)，桩型为YZH-300B-14S-14，预应力混凝土实心方桩抗拔桩桩身正截面受拉承载力设计值计算值：

式中 (下文同)分别为施工前、施工后试桩预应力方桩桩身轴向拉力设计值； 为钢棒的抗拉强度设计值； 分别为施工前、施工后试桩预应力钢棒面积；为考虑预应力钢筋墩头与端板连接处受力不均匀等因素的影响而取的折减系数，按0.85取值。

3.2 焊缝的连接强度

地方团标图集T/SCDA020-2020提供三种接桩详图，其中详图一为端板焊接连接，主要用于抗压桩，当用于抗拔连接时可根据需要增加端部锚固筋和加厚端板厚度，详图二、三分别是预埋角钢和钢套箍外部采用角钢焊接连接，同时明确要求端板与端板采用整圈焊接，同时要求接头部位抗拔承载力不小于桩身抗拔承载力，该两种方式主要用于抗拔桩连接；国家标准图集20G361焊接法连接接头形式共有三种分别为焊接法端板甲、端板乙和端板丙三种详图，其中端板甲详图采用端板焊接连接，说明中明确预应力抗拔桩在接桩时不可采用此接头形式。端板乙和端板丙连接均采用预埋角钢，接桩位置采用角钢与预埋角钢焊接连接，两种连接方式的区别在于预埋角钢之间的连接方式，端板乙采用焊接钢筋连接，端板丙采用焊接钢板连接，说明中均说明承压桩接头选用Q235B级钢，抗拔桩接头设计人员需根据承载力另行复核，此外对于上下端板的连接没有提及。

端板焊接连接(按Q235B对接焊缝计算)：

预埋角钢连接(按Q235B角焊缝计算)：

根据以上计算结果，角钢连接的承载力均大于端板焊接连接的承载力，团标抗拔连接除采用角钢连接外还要求端板焊接连接，进一步增加了焊缝连接的可靠性。实际工程现场施工中，由于焊接工人的操作技术水平、责任心、自然冷却时间等不能严格按照图集和规范要求执行，均会造成焊缝施工质量差、焊缝不饱满等问题，接桩位置处施工质量控制尤为重要。

3.3 端板锚固孔抗剪强度验算

根据两种桩型的规格参数，根据端板锚固孔抗剪强度验算单桩抗拔承载力，参照《预应力混凝土管桩技术标准》[6]，分别按下式进行验算：

由于两种桩型的规格不同，端板厚度和开孔尺寸不同，B型的端板连接强度小于C型桩，施工后验收性试桩的抗剪强度未达到设计要求加载量的要求。对于试桩桩型的选择，应考虑对端板进行加厚或者提高钢材的强度，以满足端板锚固孔抗剪承载力的要求。

4结论与建议

综上所述，本工程抗拔试桩两次的结果完全不同，施工前的试桩全部满足承载力要求，说明桩型的选择以及地块的土层力学参数能够达到承载力要求，施工后的验收性试桩由于桩型的调整，接桩位置的承载力有所下降，完整性检测也证实了接桩部位的连接出现问题，从本工程中我们可以得到以下几点启示，对类似工程的设计和施工提供一定的借鉴和参考。

（1）预应力实心方桩桩身强度较高，能够提供具有较高的抗拔承载力，适用于工程抗拔，能够实现较高承载力的同时，对接桩位置的连接可靠性要求也相应提高了。

（2）对于抗拔试桩桩型的选择，施工前试桩和施工后试桩应一致，并保证施工工艺的一致性，从而实现施工前试桩的目的和意义。由于本工程桩型的变化，对于最终承载力的大大降低，由于试桩的加载量是工程桩单桩承载力的两倍，对试桩应采取一定的加强处理和必要的设计计算。

（3）设计应根据试桩和工程桩在不同阶段承担的荷载不同，明确试桩以及工程桩采取正确的连接方式以及试桩相应的加强措施，尤其是图集中需要设计通过计算确定的内容，避免影响试桩（兼做工程桩）在后期的使用性能 。

（4）如果抗拔桩选用国标图集建议应明确采用端板乙、丙连接时，对于上下端板采取整圈焊接，进一步提高连接的可靠性。

（5）通过本工程的实际检测结果，现场对接桩的施工质量应进行进一步的控制，尤其是接桩的焊缝质量的控制和检查。采用抗拔桩抗浮工程，接桩位置的设计和施工是抗拔桩能否充分发挥作用，有效抵抗水浮力的关键，应该给与充分的重视。

参考文献

[1] 建筑工程抗浮技术标准:JGJ476-2019[S].北京:中国建筑工业出版社,2019.

[2] 先张法预应力混凝土实心方桩:T/SCDA020-2020[S].

[3] 预制混凝土方桩:20G301[S].北京:中国计划出版社,2020.

[4] 徐枫,顾国荣,陈岱杰.上海地区PHC管桩抗拔设计实录[J].土木工程学报,2007,40(增刊):213-218.

[5] 侯胜男,刘陕南,黄绍铭.浅谈预应力管桩作为抗拔桩时的桩身结构强度验算[J].岩土工程学报,2010,32(增刊2):294-297.

[6] 预应力混凝土管桩技术标准:JGJT 406-2017[S].北京:中国建筑工业出版社,2017.

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