浅谈单管塔桩基础设计

【摘 要】本文通过对单管塔基础工程设计实例的分析，讨论单管塔桩基础设计中有关m值取值、位移控制及桩身配筋等关键问题，并提出相关的建议。

【关键词】单管塔；基础；m值；位移控制；配筋

1 概述

单管塔是一种实用新颖铁塔，以外表美观，占地面积小，性价比高，施工周期短等优点，目前广泛应用于移动通信工程中，其高度一般在20~60 米之间。我院近年来已完成单管塔工程设计一百多项，取得了较好的经济效益和社会效益，也积累了一定的设计经验。本文拟通过对我院近年来完成的一些单管塔基础工程设计进行分析、总结，对设计的一些关键问题进行探讨，并提出相应的建议。

2 单管塔基础的选型

与一般高耸结构的基础相类似，单管塔基础可采用浅基础或桩基础。由于其上部结构为典型的悬臂结构，高度大且采用高强材料，故作用于基础的内力具有弯矩很大，剪力较小，压力很小的特点，不同于一般建筑，在基础选型时应特别注意。

2.1 天然地基上的浅基础

浅基础的优势在于施工简单，不需大型施工机械，工期一般较快。

由于单管塔基础所受的弯矩很大，轴力很小，基础大小及埋深通常是由抗倾覆承载力控制，按《高耸结构设计规范》（GBJ135－2006）要求其基础需满足基底脱开基土面积不大于全部面积的1/4。经计算所得的基础尺寸较大，地基承载力以及混凝土强度无法得到充分发挥；同时大量的原状土被开挖后再回填，使工程量也大大增加。因此在单管塔基底弯矩越大时采用浅基础越不经济，同时对场地面积要求较高。

2.2 桩基础

单管塔通过地脚螺栓与桩基础连接，一般采用人工挖孔桩或钻（冲）孔桩。人工挖孔桩，其施工设备简单，造价低廉，桩径较大（一般不小于1.6m），工人的施工条件较好，所以在地质条件许可的情况下，可优先采用人工挖孔桩。但对于有流沙、软弱土层，有较厚的卵石层的场地，在开挖过程中，易产生涌泥、涌水及塌孔等现象，则宜使用钻（冲）孔桩，但其造价相对较高。

根据以往设计经验来看，天然基础与桩基础比较在经济方面没有优势；从场地及施工方面考虑，业主选用单管塔通常是因为地处用地紧张的市区中，天然基础对场地面积要求较高，一般难以满足。综合来看桩基础一般优于天然基础。

3 单管塔桩基础设计主要相关问题的讨论

单管塔桩基础设计原理采用线弹性地基反力法（基床系数法）计算横向受荷桩的承载力和位移。该方法的基本原理是：假定桩侧土为Winkler离散性弹簧，不考虑桩土之间的粘着力和摩阻力，假定土的抗拉强度为零，即弹簧只受压不承受拉力。则桩顶在水平荷载（剪力、弯矩）下的基本挠曲微分方程为：

任一深度桩侧土反力与该点的水平位移成正比，表示为

其中k(z)为地基土水平抗力系数，根据大量试验和工程实践验证表明：k(z)随深度线性增加（ k(z)=mz ），即m法。其中m为地基土水平抗力系数随深度变化的比例系数。

单管塔桩基础的设计，目前已有商品化计算软件，如同济启明星ETools v2.0，其计算模型为m值法。计算关键在于如何控制输入参数，如何确定评判标准。

3.1 m值的确定

m值是桩侧土抗力系数的比例系数，亦称土体侧向基床比例系数，《建筑桩基技术规范》（JGJ94-2008）规范提供了两种方式：

第一种方式是通过桩的水平静载试验确定，但由于试验费用、时间等因素，对于类似单管塔基础这样的小型工程一般不可能进行试验。

另一种方式是查《建筑桩基技术规范》的表5.7.5确定m值。

从表中可看到，m值存在一个取值范围，需注意m取值应与实际荷载，允许位移相适应。实际上m值是对计算结果比较敏感的一个参数，m值正确与否，直接关系到计算结果的正确性。在工程设计当中存在着盲目取值的现象，部分设计人员，为了安全起见，一律取对应栏的最低值来计算。实际上，这个取值是有技巧的，根据我们的经验，可得出结论：当位移要求为表格中的较小值时，m应该取较大值。

在工程上，采用查表法确定m值来计算位移的步骤如下：先假定位移¬¬――查表确定m值――计算位移――计算值与假定值比较 重新确定m值――再计算位移（直到计算位移与假定位移相符）。

3.2 桩顶位移的控制

根据桩在水平荷载下的工作性状，一般短桩（刚性桩），常以桩侧土的破坏来控制桩的水平承载力；当桩的入土深度达到一定数值后（弹性桩），对于低配筋率的混凝土灌注桩常以桩身首先出现裂缝为控制，此时相应的水平荷载称临界开裂荷载，相应的桩顶位移（桩顶自由）约3~6mm左右；对于钢筋混凝土预制桩、钢桩，由于桩的抗弯性能较好，则往往以桩侧土的破坏为控制，一般常以对应的桩顶位移（例如10mm）来确定桩的水平承载力。

根据以往工程应用来看，单管塔大多采用混凝土灌注桩基础，位移采用m值法计算，其桩顶位移一般控制在6mm左右；对于个别工程，若桩周上部土层很差，位移可放松控制在8~10mm范围内。

下面通过以下三个工程实例对减小位移的几种方法进行讨论：

（1）洛溪匹克50米单管塔，杆底内力：弯矩M＝3539kN.m，剪力Q＝112kN，轴力N=159kN。

（2）西河沙坑35米单管塔，杆底内力：弯矩M＝2730kN.m，剪力Q＝92 kN，轴力N=103kN。

（3）灌口东辉45米单管塔，杆底内力：弯矩M＝4863kN.m，剪力Q＝168kN，轴力N=173kN。

各站点地质情况如下图所示：

图1 温江匹克基站土质情况

图2 西河沙坑基站土质情况

图3 灌口东辉基站土质情况

3.2.1 增加桩长

下面将以温江匹克50米单管塔来计算桩长的影响。本工程的杆底弯矩较大，桩周上部土质较差，我们假定桩顶水平位移的控制值为x0=10mm，据此查表确定各土层m值如下：

h1=2.8m，m1=4 MN/m2；h2=7m，m2=3 MN/m2；h3=3.2m，m3=10 MN/m2；h4=7m，m4=17 MN/m2。

假定不同的桩径（D=1.7m～2.0m），再分别取不同的桩长，用ETools v2.0软件计算出对应位移如表1：

从表1中可看到，位移的变化从7.0mm到19.4mm，大部分的位移值与假定的x0=10mm相差较远，须对相应的m值作出调整。对应表格中不同的计算位移，我们分别取不同的m值，重新计算位移，最后得出表2。

对照表1及表2，我们可以发现，调整前后的计算位移差别很大，说明m值的取值对位移的计算结果影响是很大的，设计时应适当取值。

根据表2得出桩长与位移的关系图（图4），从图中可以看出，大约在桩长与桩径的比值L/D7后，增加桩长对位移的减小基本上不再起作用。我们在设计时应留意这个界限，当增大桩长算出来的位移减小不多时，应考虑采用其他方法来减小位移，以免造成不必要的浪费。

图4 温江匹克50米单管塔杆 桩长/桩径与位移的关系图

3.2.2 增大桩径

我们采用相同的计算步骤，先分别假定一个桩顶水平位移，据此确定各土层的m值，计算出相应位移后，再根据计算位移重新调整m值，如此反复调整与计算，我们得出三个工程的数据和图表：

图5 桩径与位移的关系图

从图5可以看出，增大桩径对减小位移作用比较明显。但出于造价方面的原因考虑，我们不宜在一开始就考虑选用大桩径，而应对较小桩径、较长桩长与较大桩径、较短桩长这两种情况下的混凝土用量作出比较后再作选择。

3.2.3 对场地表层进行处理

从以上计算可以看出，位移与m值近似成反比关系，要减小位移，可采用增大m值的方法,而土质越好，m值就越大。所以，若遇到土质特别差的场地，通常可考虑在表层回填约500mm厚的密实、级配良好的砂石，面层再捣制200mm厚的素混凝土地骨。

现将以前的几个工程在处理前后桩顶位移进行对比如表4：

可见表层回填砂石对于减小桩顶位移的效果比较明显，这种方法施工方便，可以结合场地内地面的地骨处理一起进行，两者相结合的效果较好，在造价方面增加很少。

3.2.4 以上三种方法的应用原则

增大桩长、增大桩径及场地表层回填砂石这三种措施均可以减小桩顶位移，在工程设计中，应根据不同场地条件进行综合分析。根据我们的经验，有以下心得：（1）若场地土质较差，首先应考虑让桩穿越软弱土层，桩端进入相对较稳定的土层，以加强桩底的嵌固作用；在这个前提下，当增大桩长无法再减小位移时，考虑增大桩径；（2）若桩周上部土质较好，可考虑采用大直径短桩的形式，但此时仍应比较两种方法的混凝土用量；（3）当上述两种方法均无法令计算位移满足规范要求时，可考虑在场地表层回填砂石。

3.3 桩身配筋

图6 桩身截面弯矩示意图

单管塔桩基础的配筋与一般建筑物桩基础的配筋稍有不同，一般灌注桩的截面配筋率大多在0.20%~0.40%之间即可满足水平承载力的要求，而单管塔的桩基础承受水平荷载较大且水平位移限制不很严（不超过10mm），其配筋率宜根据计算结果再适当增加，以提高桩身的抗裂能力。对于土质较好，位移较小的灌注桩，可按计算结果配筋；若桩周上部土层很差，计算桩顶位移超过了6mm，此时的桩身配筋除按压弯计算外，尚应保证其配筋率不小于0.65%。

单管塔桩基础的桩身配筋按圆形受弯截面考虑计算，计算时须找出最大弯矩及最大弯矩所在深度，按最大弯矩确定配筋，同时考虑是否属于要求配筋率不小于0.65%的情况。对于长度较长的桩，可分段配筋。根据经验，一般当深度超过12m后，桩身弯矩已很小，钢筋可减半配置，这样可大大减少焊接钢筋的工作量，既降低了造价，又方便施工。

4 结论与建议

通过近年来完成的大量单管塔基础工程设计进行分析、总结，可以得出以下结论与建议：

4.1 单管塔的基础形式，一般来说是桩基础优于天然基础；

4.2 单管塔桩基础设计的主要计算模型是m值法。采用m值法时关键要注意m值的取值原则，使计算位移与假定位移相符合。

4.3 减小桩顶位移一般有以下方法：增大桩长、增大桩径和场地表层回填砂石，设计时应根据具体情况综合考虑。一般的考虑次序为：优先考虑增大桩长，其次考虑增大桩径，最后考虑场地表层回填砂石。

桩基础配筋时，除按受力计算选配钢筋外，还应确保桩身的抗裂能力。对于计算桩顶位移超过6mm的桩基础，建议其桩身配筋率不小于0.65%。桩长较长时，可以根据其桩身弯矩曲线考虑分段配筋。

参考文献

[1]建筑桩基技术规范（JGJ94-2008）.

[2]高耸结构设计规范（GBJ135－2006）.

[3]王肇民，高耸结构设计手册，中国建筑工业出版社，1995年11月第一版.

[4]同济大学地下建筑与工程系，深基坑支挡结构分析计算软件FRWS v4.0用户手册.

作者简介

李：论文撰写人，国家一级注册结构工程师；2000年毕业于重庆建筑大学，现于四川通信科研规划设计有限责任公司建筑设计院从事管理及设计工作。