建筑桩基设计合理化探析

上海市建工设计研究院有限公司 上海 200235

0 引言

随着建筑业的快速发展，桩基础在建筑结构领域中的运用已非常普遍。尤其像上海这种浅层土承载力比较小的软土地基，有时为了节约造价，已将桩基用于跨度较大的2层建筑物。

而我们在实际设计过程中，往往由于地质条件土层分布不均匀或局部土层缺失等不确定因素，对桩基设计造成许多不利条件，并可能导致设计人员偏于保守，使得工程造价大大提高。本文将结合往年工程案例，就桩基设计中值得注意的方面进行探讨。

1 工程概况

各工程地质层由上往下依次为：

1层杂填土、②1层黏质粉土、②2层砂质粉土夹粉质黏土、②3层砂质粉土、②4层粉砂、③层淤泥质粉质黏土、⑤层粉质黏土、⑥层粉砂夹粉质黏土、⑦1层圆砾、⑦2层卵石、⑧1层全风化砂砾岩、⑧2层强风化砂砾岩、⑧3层中风化砂砾岩。

2 桩型的选择

桩型的选择直接影响到工程的成本控制和单桩承载力的确定。所以在项目初期我们考虑了2种方案。

1）采用预应力混凝土预制管桩。优点是桩身质量上的可控性相对较好，施工速度快，而且工艺简单，无污染无噪声，最重要的是造价低廉。但沉桩过程中会产生较大的挤土作用，易对已施工完的工程桩或周边已有建筑设施产生影响，而且坚硬土层的穿透能力比较差，遇到砂土等贯入度较大的土层若不借助引孔等其他技术手段就无法穿透[1,2]。

2）采用钻孔灌注桩。优点是不会产生挤土影响，而且穿越较坚硬土层的能力也更强，只是工期长且造价较高，不利于控制成本。

本工程项目由于大多数主楼层数较高，可满足承载力要求的持力层仅为⑦2层卵石层或其以下的风化砂砾岩层，而持力层以上的⑥层粉砂夹粉质黏土层的标准贯入击数为21.3击/30 cm，⑦1层圆砾层的重型动探击数为12.6击/10 cm。若用预制管桩很难穿透土层，故较高主楼选择钻孔灌注桩。但地库、裙房及较低主楼采用预制管桩，选择较易打入的浅层土作为持力层，以保证工程进度并控制成本。

图1所示为单相PWM整流的拓扑图,Un和In分别为电路交流侧的电压和电流,Rn为线路电感,Ln为交流侧电流,Udc为直流侧电压,C2为直流侧储能电容,单相PWM整流电路主要通过将交流能量通过IGBT的开关状态转换成直流能量,通过调整不同开关状态的持续时间,可以控制直流侧电压的大小,同时保证交流侧的输入电压和输入电流为同相位,保证单位功率因数的能量传输。

3 桩径的选择

桩径的大小与单桩承载力的大小有着直接关系。一般在设计时往往希望采用更大的单桩承载力，这样有利于减少桩的总数。但很多时候并不适合通过增大桩径来获得更大的承载力[3,4]。

本项目中，我们考虑了φ800 mm和φ1 000 mm两种钻孔灌注桩，并根据不同号房的位置选择了相应的孔点，并且对其承载力作了比较，得出具体结果汇总如表1所示。

表1 承载力汇总

由表1得知，相同桩长、持力层的前提下，φ800 mm和φ1 000 mm的承载力相差在37%左右。但实际布桩后我们发现承载力较高的φ1 000 mm桩更难布置，经常会有桩无法布置在墙下的情况出现，这样就需要额外加强基础，造成不必要浪费。

经分析后发现，这是由于φ1 000 mm桩的桩间距较大，单桩作用面积增加了56%。即承载力的增长跟不上作用面积增长，反而减小了单位面积下的承载力。同时单桩承载力的提高也会造成更多的承载力浪费。故不论是在设计合理性上，还是在施工成本上，φ1 000 mm桩均不如φ800 mm桩[5-7]。

4 桩长的选择

桩长的合理选择会在基础的设计过程中产生相当的经济效益。在设计桩基的时候一定要多考虑几种不同的桩长方案，并从中挑选出相对更合理的做法。

本项目地库采用PHC600管桩，设计初期我们以地勘报告中推荐的⑥层粉砂夹粉质黏土层作为持力层，但后期我们发现采用②4层粉砂层作为持力层较前者更经济。具体对比如表2所示。

由于该项目顶板覆土较厚，最终柱底以抗压为主，抗拔承载力均可满足要求。单柱轴力在2 700 kN左右，若用②4层作为持力层需一柱三桩，总桩长为51 m；而若用⑥层作为持力层则需一柱二桩，总桩长68 m。地库框架柱总数280根左右，工程桩总长度可相差4 760 m。

表2 杭州项目不同持力层的对比

但在另一个川沙新市镇城南社区商品房项目中，情况却与杭州项目相反，该项目采用PHC400管桩。具体对比如表3所示。

表3 川沙项目不同持力层的对比

川沙项目单柱所需承载力为1 200～1 300 kN。若取桩长21 m，则需3根，总长63 m，若取桩长27 m，则需2根，总长54 m。该项目总柱数为300根左右，即工程桩总长度相差2 700 m。

通过上述2个项目比较可知，不同的地质情况，对桩长的选择方式完全不同。是选择长桩还是选择短桩，必须将几种方案充分考虑并相互比较后，从中挑选出相对更合理的方案[8-10]。

5 静载荷试验的必要性

我们在桩基的检测中发现大多数工程的工程桩其实际的承载力均大于设计估算值，甚至有的相差幅度还比较大，因此和根据地质勘测报告估算的承载力来布置桩相比，根据静载试验获得的实际承载力来布置桩能节约不少造价。

由于本工程主楼采用钻孔灌注桩，成本控制比较困难，经与业主协商后决定采用破坏性静载试验来确定单桩承载力。试验结果如表4所示。

表4 确定单桩承载力的试验结果

上述试验结果表明在扣除表层6 m的覆土层后，单桩的实际抗压承载力极限值在8 600 kN以上。而根据地勘报告所提供的参数可算得单桩承载力极限值在7 200 kN左右。两者相差20%，经济效益明显。

多年来，设计人员往往受到工程进度或设计周期过短等时间因素的制约，在设计时只能按地勘报告中所提供的各项参数大致估算单桩承载力，并直接以此估算值为依据来布桩。

但目前绝大部分地质勘察报告中提供的侧阻力及端阻力等参数均是根据规范中的表格结合地方经验取得的经验值，且往往偏于保守。虽然这样的做法保证了单桩承载力，但同时也因为保守而损失了经济效益。事实上，以往众多工程案例显示，通过试验可有效确定单桩承载力，并可节约10%～25%的工程桩数量。因此，在处处要控制土建成本的今天，尽可能采用静载试验来确定承载力是十分必要的。

6 压桩过程中的情况处理

一般桩基施工的时候，最常遇到的情况是压桩力已超过极限承载力，但是仍无法压到设计标高。一种情况是土层问题，如饱和砂土中的孔隙水压力使桩难以压入等情况，此时可以采用跳打的方式，让先打的桩所产生的孔隙水压力消散后再打下一根；还有就是施工问题，如压桩顺序不合理，造成严重的挤土现象等，对于这种情况首先应该有合理的施工顺序，若确实难以避免挤土现象，可考虑采用一些技术手段帮助压桩达到设计标高。

在本项目中，有一栋20层的住宅楼采用φ600 mm的管桩，在压桩时局部有5根桩的标高与设计相差5 m以上，为保证工程质量，对这5根桩均进行了补桩。补桩时发现虽加大了配重但桩顶标高与设计相差8 m，更难压下，经分析应该是挤土过于严重造成的，最终只得以引孔方式帮助压桩达到标高。而且由于压桩困难，部分桩的桩身出现了裂缝，已发展到Ⅲ类桩的程度，此时由于补桩压桩困难，考虑进行灌芯处理，让混凝土灌芯代替裂缝部位传力。并最终通过静载试验证明，该方法确实可达到强度要求。

此外，在以往的项目中曾出现过施工实际压桩力远小于设计承载力就打到设计标高的情况，相差最大的时候压桩力只有单桩承载力极限值的70%。由于地勘本身并无明显误差，造成这一情况的原因基本都是由于压桩机配重较大，压桩速度较快，在穿越黏聚力较小的土层时将土体直接剪坏，不过一段时间后土体能自行恢复。最终静载试验显示实际承载力满足设计值[11,12]。

7 单桩水平承载力

以往规范中对单桩水平承载力一直都有明确要求，但很多时候我们只着重考虑单桩竖向承载力，很少会复核水平承载力是否满足要求。但实际情况中，一旦在抗震时产生较大水平剪力，就有可能造成安全隐患。

在本项目中由于杭州为Ⅵ度低烈度区，抗震水平力比较小，故都能满足要求。但在上海等抗震设防烈度在Ⅶ度及Ⅶ度以上的地区，就完全不同。

以上海川沙新市镇城南社区项目为例，本工程采用PHC400管桩，主楼共17层。单桩水平承载力约为42 kN，全楼基地水平剪力为X向4 792 kN、Y向5 034 kN。按水平承载力至少需要120根桩才能满足要求，而根据竖向承载力只需要布置112根。若按竖向承载力布桩就会在水平抗震性能上产生安全隐患。

近年来由于预应力空心桩已几乎完全取代了实心方桩，截面积降低，桩长越来越长。在这种情况下，抗震工况下的单桩水平承载力也必须受到重视。

8 结语

桩基础是当前建筑领域中最主要的基础形式，如何在保证建筑安全的前提下，兼顾到经济合理性，这需要我们设计人员综合考虑场地及技术等各方面客观条件，把握好每一个环节，尽可能进行全面合理的考虑，是需要我们不懈努力的方向。