平房仓预应力管桩独立桩承台基础设计

◎ 刘广轩，郭建勇

（郑州中粮科研设计院有限公司，河南 郑州 450053）

1 工程概况

本文所说的工程为海南省某国家储备库的平房仓子项，跨度为24 m，柱距6 m，采用钢筋混凝土门架结构（梁柱截面均为500 mm×1 100 mm），装粮高度7.0 m，按散装平堆小麦计；墙体为非黏土烧结普通砖砌筑，双层顶屋面，下部为现浇钢筋混凝土板，顶部为预应力大型屋面板。抗震6度设防，纵向为排架结构，横向按大跨度框架计，钢筋混凝土刚架的抗震等级为3级。其结构剖面如图1所示。

图1 仓体剖面图

根据场地的岩土工程勘察报告，建筑场地地形平坦，表层为新近填土，松散粉质黏土，局部含有碎砖及水泥砂浆块等；下部为砾砂层及粉质黏土层，各土层的主要岩土力学特性，见表1。

表1 土层主要物理力学性质指标表

2 基桩竖向受荷分析

由于上部为新近填土，整个场区采用强夯处理，主夯采用4 000 kN·m夯击能，处理后上部填土地基承载力特征值可达到120 kPa，满足仓芯堆粮7.0 m的承载力要求，且消减了上部填土在粮食堆载下产生的负摩阻力。上部土层摩阻力取零，经计算平均桩长约20.0 m，单桩竖向承载力特征值为1 200 kN。

采用PKPM中的混凝土PK模块计算，在粮食侧向压力下，独立桩承台顶的标准组合内力为：Mk=1 830 kN·m，Nk=1 106.5 kN，Vk=620.2 kN，490 mm厚墙体传递重量Nk1=535 kN。

（1）当采用常规布置，承台与柱子中心对齐时，承台剖面如图2所示（四桩承台，桩间距为2 000 mm，承台厚度为900 mm），仅考虑墙体偏心的反弯矩，根据JGJ94-2008《建筑桩基技术规范》中的公式计算，公式如下：

计算得仓外侧最大桩顶反力为1 052 kN，仓内侧最大桩顶反力为-60.4 kN。由此可见，粮食侧压力导致桩承台为大偏心受压，设计时应注意桩基抗拔的问题。而管桩抗拔承载力受制于桩端接头焊缝质量的影响，较难控制和检测，因此应尽量避免。

图2 承台剖面图1

（2）利用柱轴力和墙体自重的偏心产生的弯矩平衡柱底弯矩，如图3所示（四桩承台，桩间距为2 000 mm，承台厚度为900 mm），柱子与承台中心的偏心为300 mm，经计算仓外侧最大桩顶反力为929 kN，仓内侧最大桩顶反力为62.7 kN。利用自重偏心可以使得大偏心受压承台的桩顶反力更均匀，而避免桩身拔力的出现。

图3 承台剖面图2

（3）柱子与承台的偏心会导致管桩内边缘与柱边间距加大，从而导致角桩抗冲切承载力的降低，图2所示承台剖面，采用C30混凝土，仓外侧角桩（最大桩顶反力处）的抗冲切承载力为1 799 kN，图3所示承台，仓外侧角桩（最大桩顶反力处）的抗冲切承载力为1 396 kN。

综上可知，大偏心受压承台应注意桩身可能受到上拔力，如设计为抗拔桩应注意对管桩接头焊缝的计算和要求。利用柱子与承台的相对偏心产生的弯矩可平衡承台顶弯矩，使得桩顶竖向反力更均匀而避免桩身抗拔，但同时应注意偏心会导致最大桩顶反力处角桩抗冲切承载力降低。

3 基桩水平受荷分析

根据董风保[1]的分析及桩基水平承载力计算的公式可知，在桩身强度一定的情况下，桩周上部2（d+1）范围内土体的抗力是基桩水平承载力主要影响因素。因此，本场地对填土采用强夯处理的方法，加速了填土的固结，也增强了土体的水平承载力系数，根据JGJ94-2008《建筑桩基技术规范》[2]表5.7.5的推荐水平抗力系数，结合以往工程经验，场地内土层抗力系数取值见表2。

表2 各土层厚度和水平抗力系数表

3.1 管桩水平承载力特征值计算

根据表2中土层的m值，由JGJ94-2008《建筑桩基技术规范》公式5.7.2-2，如下：

取桩顶水平位移为10 mm，经计算单桩水平承载力特征值Rha=140.1 kN。承台四周采用土夹石（碎石含量30%）分层夯实回填，压实系数不小于0.96，取承台侧向土水平抗力系数为5.5 MN/m4，根据JGJ94-2008《建筑桩基技术规范》5.7.3条，经计算，群桩效应系数ηh=1.78，故Rh=ηhRha，即249.4 kN，四桩承台，可承担总水平剪力为997.5 kN，大于Vk=620.2 kN，基桩水平承载力满足要求。

3.2 管桩桩身强度验算

管桩选自国家标准图集10G409《预应力混凝土管桩》，管桩编号PHC-500AB125-x，桩身受剪承载力设计值为273 kN，桩身受弯承载力设计值为186 kN·m，桩身受压承载力设计值为3 701 kN。经计算，独立桩承台底的基本组合内力为：Ml=2 914 kN·m，Nl=2 116 kN，Vl=754 kN。根据JGJ94-2008《建筑桩基技术规范》附录C的相关公式，按桩顶固结考虑，经计算桩身弯矩和剪力曲线如图4所示，弯矩作用方向基桩最大轴力设计值为1 235 kN，对应最大弯矩设计值为84 kN·m，距离桩顶标高2.70 m，最大剪力为86 kN，位于桩顶处。均小于桩身受弯承载力设计值186 kN·m，受剪承载力设计值273 kN，且1 235 kN轴力对应84 kN·m弯矩位于PHC-500AB125-x管桩偏心受压N～M曲线范围内（N=3 701 kN，M=186 kN·m），桩身强度满足。

图4 桩身弯矩、剪力图

4 管桩承台构造措施

由于粮食侧压力的作用，粮食平房仓柱底弯矩和剪力较常规建构筑物都要大，针对此受力特性，一般通过如下构造措施确保管桩承台设计安全。①根据上述计算结果，最大弯矩距桩顶约为2.70 m，因此通常管桩锚入承台100 mm，且管桩与承台的填芯高度一般取2.0～4.0 m。增加填芯高度可加强管桩与承台的锚固，也增大了上部桩身的抗弯和抗剪承载力。②大量研究表明，影响基桩变形及水平承载力的主要土层是地面以下深度3～4倍桩径范围内的土体，如桩水平承载力计算时m值取桩顶以下2（d+1）范围内土层的加权平均。因此，实际工程可通过强夯、置换等方法增加上部土层密实性，且应特别注意承台基槽土的回填。本工程若不采用强夯处理上部填土，参照JGJ94-2008《建筑桩基技术规范》表5.7.5的推荐水平抗力系数，取上部松散填土m值为2.0 MN/m4计算，桩身最大弯矩为150 kN·m，最大剪力为119.5 kN，且均出现在桩顶位置，较上部土层m值取5.5 MN/m4时弯矩剪力分别增大44%、28%。

5 结语

本文简要介绍了某粮库预应力管桩承台基础的设计分析，大偏心受压承台可以通过柱子与承台的偏心，使得桩顶反力更加均匀，同时也可避免桩身抗拔；粮食荷载作用下，独立桩承台承受较大的弯矩和剪力，应注意校核桩身强度；同时，应针对此类承台的受力特点，采用相应的构造措施，如增加桩顶填芯高度，承台基槽回填采用土夹石、碎石等材料，增强桩顶土体的抗力，可增大基桩水平承载力，降低桩身弯矩和剪力，从而保证设计的安全、经济、合理性。