中压成套厂房混凝土灌注桩结构设计计算书

浅谈混凝土灌注桩的结构设计关键词：桩基、混凝土灌注桩、预制桩桩基是高层建筑、大型公共建筑及某些中型、重型工业厂房常用的地基处理方法，因其承载力高、沉降量小且沉降较均匀等特点，尤其适用于建筑在软弱地基上的重型建（构）筑物。因此，在沿海以及软土地区，桩基应用比较广泛。实际工程中基础部分往往在整个土建投资中占据了很大的比例，因而选择合理的基础形式，对节约工程造价、降低施工难度、加快工程进度至关重要。桩基有预制桩和灌注桩之分。下面就以“天津三源电力科技产业园建设项目一期

中压成套厂房”为例详细介绍一下混凝土灌注桩的设计。工程简介：“天津三源电力科技产业园建设项目一期

中压成套厂房”工程天津市北辰科技产业园区，高新大道与景祥路交汇处。平面尺寸为：横向柱距9.00米，共15×9.00=135.00米，纵向3×24.00+2×18.00=108.00米，柱顶高度10.00米，每跨均设3t的电动单梁吊车一台，轨顶▽7.200米。根据《建筑抗震设计规范》（GB50011-2001），厂区抗震设防烈度为7度，设计地震加速度0.15g，设计地震分组为第一组。场地类别为Ⅲ类。地质报告给出桩基设计参数：

附表一层序号地层岩性顶板标高（米）层

厚（米）钻孔灌注桩（标准值）qsik（kPa）qpk（kPa）1素填土2.62~1.750.50~2.30021粉质粘土1.46~-0.371.90~4.003231粉土-1.14~-3.083.50~6.504532淤泥质粘土-5.65~-7.852.40~4.502241粉质粘土-9.38~-10.702.00~3.303842粉质粘土-12.11~-13.272.50~3.804251粉质粘土-14.89~-16.482.30~5.504650052-1粉质粘土-18.15~-20.096.00~9.105255052-2粉土-17.79~-21.115.50~8.5060850注：地质报告建议32层淤泥质粘土可降低承载力或者完全作为安全储备。工程地质局部剖面图：

桩基选型：根据勘察结果，结合拟建建筑物的类型及荷重，该厂区下存在淤泥质粘土不宜采用天然地基，宜采用混凝土桩基进行地基处理。又因厂区内桩端持力层51粉质粘土层以上存在31粉土层，该层侧壁摩阻力较大，目前天津地区没有与此相匹配的打桩（压桩）机械，若采用混凝土预制桩则会造成一定的沉桩困难。若采用52层作为拟建建筑物桩端持力层，其岩性在水平方向上变化较大，分布有52-1粉质粘土层及52-2粉土层，采用预制桩不但会造成沉桩困难，还会发生压桩后桩顶标高变化较大，并且桩端土层52-1粉质粘土层及52-2粉土层的桩端阻力相差较大，进而单桩竖向极限承载力标准值相差较大，故建议拟建建筑物选用钻孔灌注桩。根据天津地区实际工程经验，钻孔灌注桩的成孔直径最小为600mm。综上所述，本工程选用直径为600mm的钻孔灌注桩，桩端持力层为51粉质粘土层，且桩端进入51粉质粘土层的深度不小于两倍的桩身直径。结构计算：1、单桩竖向极限承载力标准值计算：根据《建筑桩基技术规范》公式

(5.3.5)

qsik——桩侧第i层土的极限侧阻力标准值；qpk——极限端阻力标准值；li

——桩身进入第i层土的土层厚度；μ——桩截面周长；Ap——桩截面面积；本工程▽±0.000对应于大沽高程▽3.000（绝对高程），短柱顶标高▽-0.500，承台底标高▽-2.000，桩顶标高▽-1.900（对应大沽高程▽1.100）。计算过程如下：

灌注桩承载力计算

附表二±▽0.00=大沽▽3.00桩截面Φ600mm根据《建筑桩基技术规范》5.3节经验参数法周长u(m)1.88m桩端面积Ap(m*m)0.28m2孔口编号qsik孔2

孔6土层各层底标高liqsik*li各层底标高liqsik*li桩顶▽1.101.10101.090.010.001.080.020.00232-2.013.1099.20-2.423.50112.003145-5.913.90175.50-6.323.90175.50320-10.014.100.00-9.923.600.004138-12.612.6098.80-12.923.00114.004242-15.412.80117.60-16.223.30138.6051461.201.2055.201.201.2055.20桩长（m）17.7118.52⑤1层桩端qpk500Σqsik*li546.30Σqsik*li595.30Qpk=qpk*Ap(kN)141.30Qsk=uΣqsik*li

(kN)1029.23QSK=uΣqsik*li

(kN)1121.55单桩竖向极限承载力标准值Quk=Qpk+Qsk1170.531262.85桩长（m）18.52m注：不考虑32层淤泥质粘土的工程性，桩侧阻力取为0。

为方便施工，桩长统一取为19.00米，调整计算过程如下：

灌注桩承载力计算

附表三±▽0.00=大沽▽3.00桩截面Φ600mm根据《建筑桩基技术规范》5.3节经验参数法周长u(m)1.88m桩端面积Ap(m*m)0.28m2孔口编号qsik孔2

孔6土层各层底标高liqsik*li各层底标高liqsik*li桩顶▽1.101.10101.090.010.001.080.020.00232-2.013.1099.20-2.423.50112.003145-5.913.90175.50-6.323.90175.50320-10.014.100.00-9.923.600.004138-12.612.6098.80-12.923.00114.004242-15.412.80117.60-16.223.30138.6051462.492.4955.201.681.6855.20桩长（m）19.0019.00⑤1层桩端qpk500Σqsik*li546.30Σqsik*li595.30Qpk=qpk*Ap(kN)141.30Qsk=uΣqsik*li

(kN)1029.23QSK=uΣqsik*li

(kN)1121.55单桩竖向极限承载力标准值Quk=Qpk+Qsk1282.331304.44桩长（m）19.00m注：不考虑32层淤泥质粘土的工程性，桩侧阻力取为0。

从上表计算结果分析，取单桩竖向极限承载力标准值为1200（kN）。

附表四单桩竖向极限承载力标准值单桩竖向极限承载力特征值单桩竖向极限承载力设计值1200(kN)

↓1200/2=600(kN)

↓1200/1.65=727(kN)

↓试桩最大压力标准组合基本组合2、由柱底力计算的基桩净反力上部结构计算采用中国建筑科学研究院编制的PKPM/钢结构/门式刚架模块进行单榀建模计算，得出边柱（此处仅以边柱为例说明）的柱底反力如下：柱底力标准组合（弯矩M——kN.m

轴力N——kN

剪力V——kN）附表五1MmaxMmax=132.04N=

76.01V

=34.592MminMmin=-198.79N=191.76V

=-53.913NmaxM=-167.90Nmax=238.69V

=-48.504NminM=127.75Nmin=75.46V

=34.265VmaxM

=132.04N=76.01Vmax=

34.596VminM=-198.79N=191.76Vmin=-53.91注：轴力

N

压为正，弯矩

M

顺时针为正，剪力

V

顺时针为正。按《建筑桩基技术规范》，桩距取3d（d为桩身直径），边距取d。承台底标高为▽-2.000，桩身混凝土强度为C30，fc=14.3N/mm2，ft=1.43N/mm2；主受力钢筋为HRB335—，箍筋为HPB235—。承台自重为：（0.6×2+1.8）×1.2×2.0（基底标高）×20=144.00(kN),含基础自重的柱底力标准组合（弯矩M——kN.m

轴力N——kN

剪力V——kN）

附表六1MmaxMmax=132.04F=

76.01+144.00=220.01V

=34.592MminMmin=-198.79F=191.76+144.00=335.76V

=-53.913FmaxM=

-167.90Fmax=238.69+144.00=382.69V

=-48.504FminM

=127.75Fmin=

75.46+144.00=219.46V

=34.265VmaxM

=132.04F=76.01+144.00=220.01Vmax=

34.596VminM

=-198.79F

=191.76+144.00=335.76Vmin=-53.91注：轴力

N

压为正，弯矩

M

顺时针为正，剪力

V

顺时针为正。计算简图：

★

Mmax组合下：作用在承台底部的弯矩：绕Y轴弯矩：

M0y

=My＋V·H=132.04＋34.59×1.50=183.93(kN·m)基桩净反力设计值：计算公式：《建筑桩基技术规范》（JGJ94－2008）

（5.1.1－2）N1

=F/n＋M0y·y1/∑yi2=220.01/2＋183.93×0.90/(2×0.92)

=212.19(kN)↓N2

=F/n－M0y·x2/∑yi2=220.01/2－183.93×0.90/(2×0.92)

=7.83(kN)↓★

Mmin组合下：作用在承台底部的弯矩：绕Y轴弯矩：M0y

=My＋V·H

=－198.79＋(－53.91)×1.50

=－279.66(kN·m)基桩净反力设计值：计算公式：《建筑桩基技术规范》（JGJ94－2008）

（5.1.1－2）N1=F/n＋M0y·y1/∑yi2=335.76/2＋(-279.66)×0.90/(2×0.92)=12.51(kN)↓N2

=F/n－M0y·x2/∑yi2=335.76/2－(-279.66)×0.90/(2×0.92)=323.25(kN)↓★

Fmax组合下：作用在承台底部的弯矩：绕Y轴弯矩：M0y

=My＋V·H

=－167.90＋(－48.50)×1.50

=－240.65(kN·m)基桩净反力设计值：计算公式：《建筑桩基技术规范》（JGJ94－2008）

（5.1.1－2）N1=F/n＋M0y·y1/∑yi2=382.69/2＋(-240.65)×0.90/(2×0.92)=57.66(kN)↓N2

=F/n－M0y·x2/∑yi2=382.69/2－(-240.65)×0.90/(2×0.92)=325.04(kN)↓★

Fmin组合下：作用在承台底部的弯矩：绕Y轴弯矩：

M0y

=My＋V·H

=127.75＋34.26×1.50

=179.14(kN·m)基桩净反力设计值：计算公式：《建筑桩基技术规范》（JGJ94－2008）

（5.1.1－2）N1=F/n＋M0y·y1/∑yi2=219.46/2＋179.14×0.90/(2×0.92)=209.25(kN)↓N2

=F/n－M0y·x2/∑yi2=219.46/2－179.14×0.90/(2×0.92)=10.21(kN)↓由附表六分析得知，最大（最小）剪力不起控制作用。综合以上计算结果，可以得到：Nmax=325.04(kN)↓，Nmin=7.83(kN)↓，可以看出基桩均为受压桩，且基桩桩身的混凝土抗压强度fc·Ap=14.3×3.14×6002/4=4041.18(kN)>>Nmax=325.04(kN)，故可按《建筑桩基技术规范》（JGJ94-2008）第4.1.1条规定“1、当桩身直径为300~2000mm时，正截面配筋率可取0.65%～0.2%（小直径桩取高值）；对受荷载特别大的桩、抗拔桩和嵌岩桩端承桩应根据计算确定配筋率，并不小于上述规定值。4、箍筋应采用螺旋式，直径不应小于6mm，间距宜为200~300mm；受水平地震作用的桩基以及考虑主筋作用计算桩身受压承载力时，桩顶以下5d范围内的箍筋应加密，间距不应大于100mm；当钢筋笼长度超过4m时，应每隔2m设一道直径不小于12mm的焊接加强箍筋”。根据以上原则，本工程桩身配筋均可按构造要求设置，具体配筋如下：最小配筋面积As=Ap·0.2%=3.14×6002/4×0.2%=565.2mm2。实际配筋812（As=905mm2），配筋长度为2/3的桩长，箍筋为8@200，桩顶以下5d范围内箍筋加密为8@100，且在桩身的配筋范围内，每隔2m设一道14的焊接加劲钢筋。混凝土保护层厚度为50mm。结束语1、从附表三可以看出，孔2中侧壁阻力占桩身总阻力的1029.23/1282.33=80%，孔6中侧壁阻力占桩身总阻力的1121.55/1304.44=86%，由此可见，基桩的侧壁阻力远远大于端阻力，故本工程的基桩为“端承摩擦型混凝土灌注桩”。2、从基桩净反力的计算结果可以看出，基桩净反力Nmin=7.83(kN)>0，可见本工程的基桩全部为受压桩，且桩身的混凝土强度已满足设计要求，故桩身的主筋仅需按《建筑桩基技术规范》（JGJ94-2008）中要求的构造配筋即可。若桩身混凝土强度不能满足抗压要求，则桩身的配筋需根据计算确定。读到这里有些读者会问“若出现抗拔桩，即Nmin<0时，如何处理？”这里作者简单谈一谈抗拔桩的设计问题：★

单桩竖向极限承载力标准值计算。抗拔桩的单桩竖向极限承载力不计桩端的端阻力，以本工程为例，Quk=Qsk=min(1029.23、1121.55)=1029.23（kN），设计时取Quk=1000.00（kN）进行设计。各项数据如下表：