上海市建工設(shè)計(jì)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(chǔ)在建筑結(jié)構(gòu)領(lǐng)域中的運(yùn)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(shí)為了節(jié)約造價(jià)，已將樁基用于跨度較大的2層建筑物。

而我們?cè)趯?shí)際設(shè)計(jì)過(guò)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(duì)樁基設(shè)計(jì)造成許多不利條件，并可能導(dǎo)致設(shè)計(jì)人員偏于保守，使得工程造價(jià)大大提高。本文將結(jié)合往年工程案例，就樁基設(shè)計(jì)中值得注意的方面進(jìn)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(fēng)化砂礫巖、⑧2層強(qiáng)風(fēng)化砂礫巖、⑧3層中風(fēng)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(xiàng)目初期我們考慮了2種方案。

1）采用預(yù)應(yīng)力混凝土預(yù)制管樁。優(yōu)點(diǎn)是樁身質(zhì)量上的可控性相對(duì)較好，施工速度快，而且工藝簡(jiǎn)單，無(wú)污染無(wú)噪聲，最重要的是造價(jià)低廉。但沉樁過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生較大的擠土作用，易對(duì)已施工完的工程樁或周邊已有建筑設(shè)施產(chǎn)生影響，而且堅(jiān)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(shù)手段就無(wú)法穿透[1,2]。

2）采用鉆孔灌注樁。優(yōu)點(diǎn)是不會(huì)產(chǎn)生擠土影響，而且穿越較堅(jiān)硬土層的能力也更強(qiáng)，只是工期長(zhǎng)且造價(jià)較高，不利于控制成本。

本工程項(xiàng)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(fēng)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(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)為21.3擊/30 cm，⑦1層圓礫層的重型動(dòng)探擊數(shù)為12.6擊/10 cm。若用預(yù)制管樁很難穿透土層，故較高主樓選擇鉆孔灌注樁。但地庫(kù)、裙房及較低主樓采用預(yù)制管樁，選擇較易打入的淺層土作為持力層，以保證工程進(jìn)度并控制成本。

圖1所示為單相PWM整流的拓?fù)鋱D,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(chǔ)能電容,單相PWM整流電路主要通過(guò)將交流能量通過(guò)IGBT的開(kāi)關(guān)狀態(tài)轉(zhuǎn)換成直流能量,通過(guò)調(diào)整不同開(kāi)關(guān)狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間,可以控制直流側(cè)電壓的大小,同時(shí)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(guān)系。一般在設(shè)計(jì)時(shí)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(shí)候并不適合通過(guò)增大樁徑來(lái)獲得更大的承載力[3,4]。

本項(xiàng)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(hào)房的位置選擇了相應(yīng)的孔點(diǎn)，并且對(duì)其承載力作了比較，得出具體結(jié)果匯總?cè)绫?所示。

表1 承載力匯總

由表1得知，相同樁長(zhǎng)、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(shí)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(huì)有樁無(wú)法布置在墻下的情況出現(xiàn)，這樣就需要額外加強(qiáng)基礎(chǔ)，造成不必要浪費(fèi)。

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(zhǎng)跟不上作用面積增長(zhǎng)，反而減小了單位面積下的承載力。同時(shí)單樁承載力的提高也會(huì)造成更多的承載力浪費(fèi)。故不論是在設(shè)計(jì)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(zhǎng)的選擇

樁長(zhǎng)的合理選擇會(huì)在基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)過(guò)程中產(chǎn)生相當(dāng)?shù)慕?jīng)濟(jì)效益。在設(shè)計(jì)樁基的時(shí)候一定要多考慮幾種不同的樁長(zhǎng)方案，并從中挑選出相對(duì)更合理的做法。

本項(xiàng)目地庫(kù)采用PHC600管樁，設(shè)計(jì)初期我們以地勘報(bào)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(jì)。具體對(duì)比如表2所示。

由于該項(xiàng)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(zhǎng)為51 m；而若用⑥層作為持力層則需一柱二樁，總樁長(zhǎng)68 m。地庫(kù)框架柱總數(shù)280根左右，工程樁總長(zhǎng)度可相差4 760 m。

表2 杭州項(xiàng)目不同持力層的對(duì)比

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

表3 川沙項(xiàng)目不同持力層的對(duì)比

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

通過(guò)上述2個(gè)項(xiàng)目比較可知，不同的地質(zhì)情況，對(duì)樁長(zhǎng)的選擇方式完全不同。是選擇長(zhǎng)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(duì)更合理的方案[8-10]。

5 靜載荷試驗(yàn)的必要性

我們?cè)跇痘臋z測(cè)中發(fā)現(xiàn)大多數(shù)工程的工程樁其實(shí)際的承載力均大于設(shè)計(jì)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(cè)報(bào)告估算的承載力來(lái)布置樁相比，根據(jù)靜載試驗(yàn)獲得的實(shí)際承載力來(lái)布置樁能節(jié)約不少造價(jià)。

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(yàn)來(lái)確定單樁承載力。試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 確定單樁承載力的試驗(yàn)結(jié)果

上述試驗(yàn)結(jié)果表明在扣除表層6 m的覆土層后，單樁的實(shí)際抗壓承載力極限值在8 600 kN以上。而根據(jù)地勘報(bào)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(jì)效益明顯。

多年來(lái)，設(shè)計(jì)人員往往受到工程進(jìn)度或設(shè)計(jì)周期過(guò)短等時(shí)間因素的制約，在設(shè)計(jì)時(shí)只能按地勘報(bào)告中所提供的各項(xiàng)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(lái)布樁。

但目前絕大部分地質(zhì)勘察報(bào)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(jié)合地方經(jīng)驗(yàn)取得的經(jīng)驗(yàn)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(shí)也因?yàn)楸Ｊ囟鴵p失了經(jīng)濟(jì)效益。事實(shí)上，以往眾多工程案例顯示，通過(guò)試驗(yàn)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(yàn)來(lái)確定承載力是十分必要的。

6 壓樁過(guò)程中的情況處理

一般樁基施工的時(shí)候，最常遇到的情況是壓樁力已超過(guò)極限承載力，但是仍無(wú)法壓到設(shè)計(jì)標(biāo)高。一種情況是土層問(wèn)題，如飽和砂土中的孔隙水壓力使樁難以壓入等情況，此時(shí)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(wèn)題，如壓樁順序不合理，造成嚴(yán)重的擠土現(xiàn)象等，對(duì)于這種情況首先應(yīng)該有合理的施工順序，若確實(shí)難以避免擠土現(xiàn)象，可考慮采用一些技術(shù)手段幫助壓樁達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)高。

在本項(xiàng)目中，有一棟20層的住宅樓采用φ600 mm的管樁，在壓樁時(shí)局部有5根樁的標(biāo)高與設(shè)計(jì)相差5 m以上，為保證工程質(zhì)量，對(duì)這5根樁均進(jìn)行了補(bǔ)樁。補(bǔ)樁時(shí)發(fā)現(xiàn)雖加大了配重但樁頂標(biāo)高與設(shè)計(jì)相差8 m，更難壓下，經(jīng)分析應(yīng)該是擠土過(guò)于嚴(yán)重造成的，最終只得以引孔方式幫助壓樁達(dá)到標(biāo)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(lèi)樁的程度，此時(shí)由于補(bǔ)樁壓樁困難，考慮進(jìn)行灌芯處理，讓混凝土灌芯代替裂縫部位傳力。并最終通過(guò)靜載試驗(yàn)證明，該方法確實(shí)可達(dá)到強(qiáng)度要求。

此外，在以往的項(xiàng)目中曾出現(xiàn)過(guò)施工實(shí)際壓樁力遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)承載力就打到設(shè)計(jì)標(biāo)高的情況，相差最大的時(shí)候壓樁力只有單樁承載力極限值的70%。由于地勘本身并無(wú)明顯誤差，造成這一情況的原因基本都是由于壓樁機(jī)配重較大，壓樁速度較快，在穿越黏聚力較小的土層時(shí)將土體直接剪壞，不過(guò)一段時(shí)間后土體能自行恢復(fù)。最終靜載試驗(yàn)顯示實(shí)際承載力滿足設(shè)計(jì)值[11,12]。

7 單樁水平承載力

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

在本項(xiàng)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(shè)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(xiàng)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(huì)在水平抗震性能上產(chǎn)生安全隱患。

近年來(lái)由于預(yù)應(yīng)力空心樁已幾乎完全取代了實(shí)心方樁，截面積降低，樁長(zhǎng)越來(lái)越長(zhǎng)。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(jié)語(yǔ)

樁基礎(chǔ)是當(dāng)前建筑領(lǐng)域中最主要的基礎(chǔ)形式，如何在保證建筑安全的前提下，兼顧到經(jīng)濟(jì)合理性，這需要我們?cè)O(shè)計(jì)人員綜合考慮場(chǎng)地及技術(shù)等各方面客觀條件，把握好每一個(gè)環(huán)節(jié)，盡可能進(jìn)行全面合理的考慮，是需要我們不懈努力的方向。