0 引言

隨著城市建設(shè)的迅速發(fā)展，各類高層建筑日益增多。眾所周知，基礎(chǔ)底面荷載隨著建筑物層數(shù)的增加而增大，特別是在我國(guó)一些沿海地區(qū)，存在大部分軟土地基，其承載力低、壓縮性大，不能作為天然地基。樁基是處理高層建筑地基和軟弱地基的常用方法之一，可滿足上述要求。

當(dāng)建筑采用樁基礎(chǔ)時(shí)，其基礎(chǔ)部分的造價(jià)往往在整個(gè)建筑物投資中占據(jù)較大比例——樁基工程造價(jià)通常占土建工程總造價(jià)的1/4左右，其質(zhì)量好壞將直接關(guān)系到整座建筑的安全，并直接影響工程造價(jià)。如何選擇合理的樁基礎(chǔ)形式，對(duì)于保證安全、節(jié)約投資、降低造價(jià)起著舉足輕重的作用。這就要求設(shè)計(jì)人員對(duì)每個(gè)建筑物的勘察報(bào)告進(jìn)行仔細(xì)分析，選擇經(jīng)濟(jì)合理的樁型，采用最優(yōu)化的基礎(chǔ)方案。樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)最關(guān)鍵的一步就是確定持力層，選擇樁型并確定其形狀、截面尺寸和樁長(zhǎng)。因此，合理選擇樁型與樁長(zhǎng)，將產(chǎn)生較好的經(jīng)濟(jì)效果。

1 常用樁型特點(diǎn)比較

目前，上海高層住宅常用的樁型主要有鉆孔灌注樁、預(yù)應(yīng)力管樁和預(yù)應(yīng)力混凝土空心方樁3種[1]。

鉆孔灌注樁是一種非擠土樁，對(duì)周?chē)h(huán)境要求低，對(duì)鄰近建筑及管線的影響小，可以和圍護(hù)樁同時(shí)施工以減少工期，可以進(jìn)入PS值較大的砂土層，并充分利用砂土層的高摩阻力來(lái)提高單樁承載力。但由于采用現(xiàn)場(chǎng)混凝土地下澆筑，鉆孔泥漿護(hù)壁，使得成樁質(zhì)量難以控制，施工工期長(zhǎng)，且泥漿污染嚴(yán)重。

預(yù)應(yīng)力管樁和預(yù)應(yīng)力混凝土空心方樁共有的特點(diǎn)是設(shè)計(jì)選用范圍廣、對(duì)持力層起伏大的地質(zhì)條件適用性強(qiáng)、施工現(xiàn)場(chǎng)整潔文明、接樁快捷可靠、施工速度快、監(jiān)理和檢測(cè)方便、成樁質(zhì)量較可靠，但沉樁時(shí)通過(guò)Ps較大的砂土層很困難。根據(jù)圖集[2、3]，工程中盡量減少接樁。接樁宜在樁尖穿過(guò)硬土層后進(jìn)行，應(yīng)避免樁尖接近硬持力層或處于硬持力層中接樁，且任一單樁的接頭不宜超過(guò)3個(gè)，故樁長(zhǎng)受到限制。根據(jù)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的先進(jìn)性和工程質(zhì)量的一般要求，預(yù)應(yīng)力混凝土管樁和預(yù)應(yīng)力混凝土空心方樁不適宜于在孤石和障礙物多、石灰?guī)r地層、有堅(jiān)硬隔層及從松軟突變到特別堅(jiān)硬的地層中施工，其適用的地層為流塑、軟塑狀態(tài)的軟弱地基,持力層宜為黏土層、砂層、深埋基巖，以及強(qiáng)風(fēng)化巖層或風(fēng)化殘積土層較厚的地層，尤其適用于軟弱土層較厚的地基。

可見(jiàn)，這3種樁型各有利弊，設(shè)計(jì)人員應(yīng)根據(jù)工程實(shí)際情況選擇最優(yōu)化的基礎(chǔ)方案。

2 工程概況

保集·美羅家園二期工程位于上海市寶山區(qū)羅店鎮(zhèn)的西部，總用地面積約25 320m2，總建筑面積約60 205.86m2。其主要建筑物包括4棟18層高層住宅樓、2棟14層高層住宅樓、1幢3層配套公建、2幢單層變電所和1座地下一層的獨(dú)立地下車(chē)庫(kù)（圖1）。

圖1 項(xiàng)目總平面圖

其中，1#、2#樓為地下1層、地上14層高層住宅樓，建筑總高度40.200m，局部樓梯及電梯機(jī)房處屋面高度44.3m。3#～6#樓為地下1層、地上18層高層住宅，建筑總高度51.6m，局部樓梯及電梯機(jī)房處屋面高度55.7m。住宅樓結(jié)構(gòu)形式均為剪力墻結(jié)構(gòu)，剪力墻及連梁抗震等級(jí)為三級(jí)。配套公建無(wú)地下室，結(jié)構(gòu)形式為框架結(jié)構(gòu)。地下車(chē)庫(kù)為框架結(jié)構(gòu)，層高3m，頂板覆土1.2～1.5m。兩個(gè)單層變電所為單層框架結(jié)構(gòu)，采用坡屋面，地下設(shè)1個(gè)設(shè)備夾層，層高2.5m，建筑高度為6.66m。

2.1 基礎(chǔ)形式

本場(chǎng)地抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.10g，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，建筑場(chǎng)地類別為IV類，處于對(duì)建筑抗震不利地段?；A(chǔ)設(shè)計(jì)等級(jí)均為乙級(jí)，安全等級(jí)為二級(jí)，樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級(jí)為乙級(jí)。1#～6#樓為筏板基礎(chǔ)，基礎(chǔ)持力層為⑧2-1層土；配套公建為樁基礎(chǔ)加獨(dú)立承臺(tái)，基礎(chǔ)持力層為⑦2層土；地下車(chē)庫(kù)和變電所為天然基礎(chǔ)，基礎(chǔ)形式為筏板基礎(chǔ)。

2.2 土質(zhì)情況

根據(jù)本場(chǎng)地的勘探資料，場(chǎng)地內(nèi)15m左右以上主要由軟-流塑狀黏性土組成，地基土強(qiáng)度較低；而⑥層硬土層的PS幅度值為2.52～3.26MPa，⑦1、⑦2層粉性土的PS幅度值分別為2.95～4.62MPa、6.47～10.85MPa，場(chǎng)地內(nèi)分布的⑧2-1層粉質(zhì)黏土與砂質(zhì)粉土互層，為稍密狀，PS平均值為3.88MPa；而⑧1-1、⑧1-2層主要以軟塑狀黏性土為主，PS平均值在0.96～1.33MPa。因此，按目前樁基的實(shí)際施工能力，對(duì)于樁端穿過(guò)⑦1和⑦2層土，進(jìn)入⑧2-1層的擠土樁基，在合理配置沉樁機(jī)具的前提下，沉樁可以實(shí)現(xiàn)。

由于擬建場(chǎng)地周邊環(huán)境比較簡(jiǎn)單，無(wú)密集或重要建筑物分布，結(jié)合上部結(jié)構(gòu)剪力墻布置、荷載分布及施工條件等因素，綜合分析后決定采用預(yù)制樁方案，樁尖采用開(kāi)口型鋼樁尖。根據(jù)圖集[2]中預(yù)應(yīng)力管樁選用范圍，“用于抗震設(shè)防烈度7度、8度地區(qū)的管樁基礎(chǔ)工程，宜選用AB型或B型、C型管樁，且所選樁型的各項(xiàng)力學(xué)指標(biāo)應(yīng)滿足設(shè)計(jì)要求及有關(guān)規(guī)范的規(guī)定”。預(yù)應(yīng)力管樁用作摩擦型樁時(shí)，其長(zhǎng)徑比不宜大于100mm；用作端承型樁時(shí)，其長(zhǎng)徑比不宜大于80mm。預(yù)應(yīng)力混凝土空心方樁用作端承樁時(shí)，其長(zhǎng)細(xì)比（樁長(zhǎng)與截面邊長(zhǎng)之比）不宜大于100mm，摩擦樁的長(zhǎng)細(xì)比不宜大于120mm。當(dāng)其穿越厚度小于2m的硬土層時(shí)，可選用A型或AB型樁；當(dāng)其穿越厚度大于2m的堅(jiān)硬土層時(shí)，宜選用AB型或B型樁，且樁的長(zhǎng)細(xì)比不宜大于100mm。為了在此4種樁型中選擇最合適的樁型，筆者以4#高層住宅樓(剪力墻結(jié)構(gòu))為研究對(duì)象，對(duì)此4種樁基方案進(jìn)行分析比較。

3 計(jì)算分析

3.1 樁型計(jì)算

根據(jù)浙江省工程勘察院提供的《保集·美羅家園二期工程巖土工程勘察資料》（詳細(xì)勘察階段）中的樁基承載力設(shè)計(jì)參數(shù)表（表 1）和《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》（JGJ 94—2008）第5.3.8條確定的敞口預(yù)應(yīng)力混凝土空心單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值，取孔點(diǎn)J1、J2、J3計(jì)算。計(jì)算結(jié)果和樁型詳見(jiàn)表2。

式中，A —空心樁樁端凈面積，管樁

j空心方樁d、b、d分別為空心樁外徑、邊

41長(zhǎng)和內(nèi)徑；

λp—樁端土塞效應(yīng)系數(shù)；當(dāng)hb/d1＜5時(shí)，λp=0.16hb/d1；當(dāng)hb/d1≥5時(shí)，λp=0.8。

根據(jù)表2和單樁豎向靜載荷試驗(yàn)結(jié)果：樁型①HKFZ-AB 350(170)豎向承載力特征值最終取1 300kN，樁型②HKFZ-AB 400(220)豎向承載力特征值最終取1 530kN，樁型③PHC 400 AB 95豎向承載力特征值最終取1 190kN，樁型④PHC 500 AB 100豎向承載力特征值最終取1 515kN。則單樁豎向承載力特征值從大到小依次為：樁型②＞樁型④＞樁型①＞樁型③。

表1 樁基承載力設(shè)計(jì)參數(shù)表

表2 4#樓單樁豎向承載力計(jì)算表

3.2 樁基方案造價(jià)對(duì)比分析

表3對(duì)4種樁基方案的造價(jià)進(jìn)行了對(duì)比。分析表3可知：所用樁的數(shù)量由多到少依次為樁型③＞樁型①＞樁型④＞樁型②，混凝土用量由多到少依次為樁型④＞樁型②樁型＞樁型③＞樁型①，總造價(jià)由多到少依次為樁型④＞樁型①＞樁型③＞樁型②。

（1）樁型①的單樁豎向承載力特征值、樁的數(shù)量和總造價(jià)介于樁型③和樁型④之間，混凝土用量最少。

（2）樁型②的單樁豎向承載力特征值最大，用樁數(shù)量最少，總造價(jià)最低，混凝土用量比樁型③多、比樁型④少。

（3）樁型③的單樁豎向承載力特征值最小，用樁數(shù)量最多，總造價(jià)低于樁型①、高于樁型②，混凝土用量比樁型①多、比樁型②少。

（4）樁型④的總造價(jià)最高，樁的數(shù)量比樁型②多1根，其單樁豎向承載力特征值小于樁型②、大于樁型①，混凝土用量最多。

3.3 沉樁擠土效應(yīng)分析

預(yù)應(yīng)力管樁和預(yù)應(yīng)力混凝土空心方樁為擠土樁，沉樁過(guò)程是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程。在此過(guò)程中，會(huì)同時(shí)產(chǎn)生擠土效應(yīng)和土賽效應(yīng), 且兩者是相互影響、相互制約的。成樁過(guò)程中的擠土作用,使樁周土擾動(dòng)重塑,土體結(jié)構(gòu)破壞，側(cè)向壓應(yīng)力增加, 對(duì)于非飽和土, 由于土受擠而增密, 土越松軟黏性越低, 擠密效應(yīng)越明顯；對(duì)于飽和黏性土，由于瞬時(shí)排水固結(jié)效應(yīng)不顯著, 體積壓縮變形小, 引起超空隙水壓力土體產(chǎn)生橫向位移和豎向隆起，并對(duì)周?chē)ㄖ锛暗叵鹿芫€產(chǎn)生一定的影響?？傊翗懂a(chǎn)生的擠土效應(yīng)對(duì)施工的影響是無(wú)法忽略的。因此設(shè)計(jì)人員在樁基設(shè)計(jì)選型時(shí)應(yīng)選擇擠土效應(yīng)小的樁型，在施工中采取減小擠土效應(yīng)的施工措施（例如：控制壓樁速度、布設(shè)應(yīng)力釋放孔、預(yù)磚排水孔、開(kāi)挖防擠溝、合理安排沉樁順序等）。

4種樁型的擠土量見(jiàn)表4,可以看出：?jiǎn)螛杜磐亮坑尚〉酱笠来螢闃缎廷伲紭缎廷郏紭缎廷冢紭缎廷?；而總排土量由小到大為：樁型①＜樁型②＜樁型③＜樁型④。由此我們可以得出：樁型①擠土量最少, 擠土效應(yīng)也最小。

3.4 最佳樁基方案確定

使用中國(guó)建筑科學(xué)研究院建筑工程軟件研究所編制的《多層及高層建筑結(jié)構(gòu)空間有限元分析與設(shè)計(jì)軟件之SATWE》和《獨(dú)基、條基、鋼筋混凝土地基梁、樁基礎(chǔ)和筏板基礎(chǔ)設(shè)計(jì)軟件JCCAD》（2012年6月版），對(duì)本工程進(jìn)行結(jié)構(gòu)整體分析和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)計(jì)算。

由表4可以看出，樁型②和樁型④樁的數(shù)量雖少，但擠壓土量并不是最少的；但是根據(jù)上部結(jié)構(gòu)剪力墻的布置，從受力角度來(lái)講，樁型①更為合適。經(jīng)綜合分析比較，確定樁型①是最合適的樁型，其樁位平面布置圖見(jiàn)圖2。

由此可見(jiàn)，最經(jīng)濟(jì)的方案不一定是最合理的，這就要求結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)過(guò)程中，根據(jù)實(shí)際情況綜合分析進(jìn)行多方案比選，選擇最適合的樁型。為節(jié)約成本，避免截樁造成不必要的浪費(fèi)，在繪制施工圖時(shí)，一定要精確定義樁的長(zhǎng)度、樁頂標(biāo)高及樁底標(biāo)高。

表3 4種樁基方案的造價(jià)對(duì)比表

表4 四種樁型的擠土量

圖2 樁型①樁位平面布置圖

4 結(jié)語(yǔ)

一般來(lái)說(shuō),高層住宅樁基的單樁承載力不宜選擇過(guò)高或過(guò)低。若單樁設(shè)計(jì)承載力選用過(guò)大，樁的總根數(shù)就會(huì)太少，不好布置；若單樁設(shè)計(jì)承載力選用過(guò)低，則可能會(huì)由于樁數(shù)太多，而無(wú)法滿足規(guī)范規(guī)定的樁間距要求，給沉樁帶來(lái)困難，并且會(huì)增大預(yù)制樁的擠土效應(yīng)。因此，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)選擇合適的單樁承載力，即選擇合適的樁長(zhǎng)、樁徑和樁基持力層。

本案例對(duì)4種樁型的對(duì)比選用，為今后地基基礎(chǔ)樁型的選擇設(shè)計(jì)提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)。但這并不是說(shuō)我們今后對(duì)樁基的設(shè)計(jì)都必須選用預(yù)應(yīng)力混凝土空心方樁。每一種樁型都有其合理性和局限性。在樁基工程設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員要根據(jù)實(shí)際的場(chǎng)地條件、地質(zhì)情況、工期、建設(shè)區(qū)域抗震設(shè)防烈度、上部結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、荷載大小及性質(zhì)、施工條件、沉樁設(shè)備、綜合造價(jià)、環(huán)境等因素，采用多方案比選，揚(yáng)長(zhǎng)避短，選擇合理的樁型。同時(shí)， 我們也應(yīng)重視新技術(shù)、新材料的開(kāi)發(fā)和利用，研發(fā)應(yīng)用新型樁基，努力發(fā)掘成本更低、適用范圍更廣的樁型。

參考文獻(xiàn)：

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