建筑樁基設計合理化探析

上海市建工設計研究院有限公司 上海 200235

0 引言

隨著建筑業(yè)的快速發(fā)展，樁基礎在建筑結構領域中的運用已非常普遍。尤其像上海這種淺層土承載力比較小的軟土地基，有時為了節(jié)約造價，已將樁基用于跨度較大的2層建筑物。

而我們在實際設計過程中，往往由于地質(zhì)條件土層分布不均勻或局部土層缺失等不確定因素，對樁基設計造成許多不利條件，并可能導致設計人員偏于保守，使得工程造價大大提高。本文將結合往年工程案例，就樁基設計中值得注意的方面進行探討。

1 工程概況

各工程地質(zhì)層由上往下依次為：

1層雜填土、②1層黏質(zhì)粉土、②2層砂質(zhì)粉土夾粉質(zhì)黏土、②3層砂質(zhì)粉土、②4層粉砂、③層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、⑤層粉質(zhì)黏土、⑥層粉砂夾粉質(zhì)黏土、⑦1層圓礫、⑦2層卵石、⑧1層全風化砂礫巖、⑧2層強風化砂礫巖、⑧3層中風化砂礫巖。

2 樁型的選擇

樁型的選擇直接影響到工程的成本控制和單樁承載力的確定。所以在項目初期我們考慮了2種方案。

1）采用預應力混凝土預制管樁。優(yōu)點是樁身質(zhì)量上的可控性相對較好，施工速度快，而且工藝簡單，無污染無噪聲，最重要的是造價低廉。但沉樁過程中會產(chǎn)生較大的擠土作用，易對已施工完的工程樁或周邊已有建筑設施產(chǎn)生影響，而且堅硬土層的穿透能力比較差，遇到砂土等貫入度較大的土層若不借助引孔等其他技術手段就無法穿透[1,2]。

2）采用鉆孔灌注樁。優(yōu)點是不會產(chǎn)生擠土影響，而且穿越較堅硬土層的能力也更強，只是工期長且造價較高，不利于控制成本。

本工程項目由于大多數(shù)主樓層數(shù)較高，可滿足承載力要求的持力層僅為⑦2層卵石層或其以下的風化砂礫巖層，而持力層以上的⑥層粉砂夾粉質(zhì)黏土層的標準貫入擊數(shù)為21.3擊/30 cm，⑦1層圓礫層的重型動探擊數(shù)為12.6擊/10 cm。若用預制管樁很難穿透土層，故較高主樓選擇鉆孔灌注樁。但地庫、裙房及較低主樓采用預制管樁，選擇較易打入的淺層土作為持力層，以保證工程進度并控制成本。

圖1所示為單相PWM整流的拓撲圖,Un和In分別為電路交流側(cè)的電壓和電流,Rn為線路電感,Ln為交流側(cè)電流,Udc為直流側(cè)電壓,C2為直流側(cè)儲能電容,單相PWM整流電路主要通過將交流能量通過IGBT的開關狀態(tài)轉(zhuǎn)換成直流能量,通過調(diào)整不同開關狀態(tài)的持續(xù)時間,可以控制直流側(cè)電壓的大小,同時保證交流側(cè)的輸入電壓和輸入電流為同相位,保證單位功率因數(shù)的能量傳輸。

3 樁徑的選擇

樁徑的大小與單樁承載力的大小有著直接關系。一般在設計時往往希望采用更大的單樁承載力，這樣有利于減少樁的總數(shù)。但很多時候并不適合通過增大樁徑來獲得更大的承載力[3,4]。

本項目中，我們考慮了φ800 mm和φ1 000 mm兩種鉆孔灌注樁，并根據(jù)不同號房的位置選擇了相應的孔點，并且對其承載力作了比較，得出具體結果匯總?cè)绫?所示。

表1 承載力匯總

由表1得知，相同樁長、持力層的前提下，φ800 mm和φ1 000 mm的承載力相差在37%左右。但實際布樁后我們發(fā)現(xiàn)承載力較高的φ1 000 mm樁更難布置，經(jīng)常會有樁無法布置在墻下的情況出現(xiàn)，這樣就需要額外加強基礎，造成不必要浪費。

經(jīng)分析后發(fā)現(xiàn)，這是由于φ1 000 mm樁的樁間距較大，單樁作用面積增加了56%。即承載力的增長跟不上作用面積增長，反而減小了單位面積下的承載力。同時單樁承載力的提高也會造成更多的承載力浪費。故不論是在設計合理性上，還是在施工成本上，φ1 000 mm樁均不如φ800 mm樁[5-7]。

4 樁長的選擇

樁長的合理選擇會在基礎的設計過程中產(chǎn)生相當?shù)慕?jīng)濟效益。在設計樁基的時候一定要多考慮幾種不同的樁長方案，并從中挑選出相對更合理的做法。

本項目地庫采用PHC600管樁，設計初期我們以地勘報告中推薦的⑥層粉砂夾粉質(zhì)黏土層作為持力層，但后期我們發(fā)現(xiàn)采用②4層粉砂層作為持力層較前者更經(jīng)濟。具體對比如表2所示。

由于該項目頂板覆土較厚，最終柱底以抗壓為主，抗拔承載力均可滿足要求。單柱軸力在2 700 kN左右，若用②4層作為持力層需一柱三樁，總樁長為51 m；而若用⑥層作為持力層則需一柱二樁，總樁長68 m。地庫框架柱總數(shù)280根左右，工程樁總長度可相差4 760 m。

表2 杭州項目不同持力層的對比

但在另一個川沙新市鎮(zhèn)城南社區(qū)商品房項目中，情況卻與杭州項目相反，該項目采用PHC400管樁。具體對比如表3所示。

表3 川沙項目不同持力層的對比

川沙項目單柱所需承載力為1 200～1 300 kN。若取樁長21 m，則需3根，總長63 m，若取樁長27 m，則需2根，總長54 m。該項目總柱數(shù)為300根左右，即工程樁總長度相差2 700 m。

通過上述2個項目比較可知，不同的地質(zhì)情況，對樁長的選擇方式完全不同。是選擇長樁還是選擇短樁，必須將幾種方案充分考慮并相互比較后，從中挑選出相對更合理的方案[8-10]。

5 靜載荷試驗的必要性

我們在樁基的檢測中發(fā)現(xiàn)大多數(shù)工程的工程樁其實際的承載力均大于設計估算值，甚至有的相差幅度還比較大，因此和根據(jù)地質(zhì)勘測報告估算的承載力來布置樁相比，根據(jù)靜載試驗獲得的實際承載力來布置樁能節(jié)約不少造價。

由于本工程主樓采用鉆孔灌注樁，成本控制比較困難，經(jīng)與業(yè)主協(xié)商后決定采用破壞性靜載試驗來確定單樁承載力。試驗結果如表4所示。

表4 確定單樁承載力的試驗結果

上述試驗結果表明在扣除表層6 m的覆土層后，單樁的實際抗壓承載力極限值在8 600 kN以上。而根據(jù)地勘報告所提供的參數(shù)可算得單樁承載力極限值在7 200 kN左右。兩者相差20%，經(jīng)濟效益明顯。

多年來，設計人員往往受到工程進度或設計周期過短等時間因素的制約，在設計時只能按地勘報告中所提供的各項參數(shù)大致估算單樁承載力，并直接以此估算值為依據(jù)來布樁。

但目前絕大部分地質(zhì)勘察報告中提供的側(cè)阻力及端阻力等參數(shù)均是根據(jù)規(guī)范中的表格結合地方經(jīng)驗取得的經(jīng)驗值，且往往偏于保守。雖然這樣的做法保證了單樁承載力，但同時也因為保守而損失了經(jīng)濟效益。事實上，以往眾多工程案例顯示，通過試驗可有效確定單樁承載力，并可節(jié)約10%～25%的工程樁數(shù)量。因此，在處處要控制土建成本的今天，盡可能采用靜載試驗來確定承載力是十分必要的。

6 壓樁過程中的情況處理

一般樁基施工的時候，最常遇到的情況是壓樁力已超過極限承載力，但是仍無法壓到設計標高。一種情況是土層問題，如飽和砂土中的孔隙水壓力使樁難以壓入等情況，此時可以采用跳打的方式，讓先打的樁所產(chǎn)生的孔隙水壓力消散后再打下一根；還有就是施工問題，如壓樁順序不合理，造成嚴重的擠土現(xiàn)象等，對于這種情況首先應該有合理的施工順序，若確實難以避免擠土現(xiàn)象，可考慮采用一些技術手段幫助壓樁達到設計標高。

在本項目中，有一棟20層的住宅樓采用φ600 mm的管樁，在壓樁時局部有5根樁的標高與設計相差5 m以上，為保證工程質(zhì)量，對這5根樁均進行了補樁。補樁時發(fā)現(xiàn)雖加大了配重但樁頂標高與設計相差8 m，更難壓下，經(jīng)分析應該是擠土過于嚴重造成的，最終只得以引孔方式幫助壓樁達到標高。而且由于壓樁困難，部分樁的樁身出現(xiàn)了裂縫，已發(fā)展到Ⅲ類樁的程度，此時由于補樁壓樁困難，考慮進行灌芯處理，讓混凝土灌芯代替裂縫部位傳力。并最終通過靜載試驗證明，該方法確實可達到強度要求。

此外，在以往的項目中曾出現(xiàn)過施工實際壓樁力遠小于設計承載力就打到設計標高的情況，相差最大的時候壓樁力只有單樁承載力極限值的70%。由于地勘本身并無明顯誤差，造成這一情況的原因基本都是由于壓樁機配重較大，壓樁速度較快，在穿越黏聚力較小的土層時將土體直接剪壞，不過一段時間后土體能自行恢復。最終靜載試驗顯示實際承載力滿足設計值[11,12]。

7 單樁水平承載力

以往規(guī)范中對單樁水平承載力一直都有明確要求，但很多時候我們只著重考慮單樁豎向承載力，很少會復核水平承載力是否滿足要求。但實際情況中，一旦在抗震時產(chǎn)生較大水平剪力，就有可能造成安全隱患。

在本項目中由于杭州為Ⅵ度低烈度區(qū)，抗震水平力比較小，故都能滿足要求。但在上海等抗震設防烈度在Ⅶ度及Ⅶ度以上的地區(qū)，就完全不同。

以上海川沙新市鎮(zhèn)城南社區(qū)項目為例，本工程采用PHC400管樁，主樓共17層。單樁水平承載力約為42 kN，全樓基地水平剪力為X向4 792 kN、Y向5 034 kN。按水平承載力至少需要120根樁才能滿足要求，而根據(jù)豎向承載力只需要布置112根。若按豎向承載力布樁就會在水平抗震性能上產(chǎn)生安全隱患。

近年來由于預應力空心樁已幾乎完全取代了實心方樁，截面積降低，樁長越來越長。在這種情況下，抗震工況下的單樁水平承載力也必須受到重視。

8 結語

樁基礎是當前建筑領域中最主要的基礎形式，如何在保證建筑安全的前提下，兼顧到經(jīng)濟合理性，這需要我們設計人員綜合考慮場地及技術等各方面客觀條件，把握好每一個環(huán)節(jié)，盡可能進行全面合理的考慮，是需要我們不懈努力的方向。