如何安全合理的进行桩基设计

王 宾

随着经济的发展,城市中各类高层建筑拔地而起,作为高层的基础部分往往在整个建筑物投资中占据了很大的比例。而高层基础往往采用桩基础,因此,如何选择合理的桩基础形式,对于保证安全、节约投资、降低造价起着举足轻重的作用。笔者就以下几方面对桩基础设计中值得注意的问题进行了探讨。

1 桩基设计中静载荷试验的重要性

目前的桩基础设计过程往往受到时间的约束,首先根据地质报告提供的参数确定单桩承载力设计值,根据估算的单桩承载力直接进行桩基础设计并施工,等工程桩施工结束后再挑选试桩进行静载荷试验。这个过程具有相当的不科学性,结果符合估算要求则皆大欢喜,否则因工程已施工完毕补桩也会很困难,且有时因地质报告有出入会给施工带来相当的不便。这里主要有两个问题,下面举例来说明:1)根据地质报告提供的桩周土摩擦力标准值及桩端土承载力标准值,由规范JGJ 94-94计算的场区单桩承载力标准值是一个经验数值,不宜直接采用。近几年来笔者通过各类桩基础中试桩及工程桩的检测,发现绝大多数桩的实际承载力均大于计算值,有些相差幅度较大,因此按试桩获得的实际承载力来布置基础将会比按勘察报告估算的承载力来布置基础产生巨大的经济效益。2)在场地不均匀或地质报告数值有偏差的情况下,不进行试桩而直接按地质报告进行工程桩施工将给施工带来巨大的困难且造成不必要的浪费。桩基础设计过程中静载荷试验是一个十分重要的环节。因为此项工作的质量直接影响到桩基形式、桩规格和桩入土深度的确定,同时也对施工难易有密切影响。通过科学试验,取得准确数据,能使设计方案更加合理、可行和经济,远远超过缩短工期所获得的效益。

2 桩基设计中桩型、桩长设计的重要性

桩基础设计中对桩型及桩长的合理选择均会对基础设计产生重大的影响,合理的桩型、桩长选择将产生巨大的经济效益。笔者在“幸福家园”住宅设计中,开始由于考虑时间原因,甲方要求采用 D400的预应力管桩,根据地质报告采用桩长L=16 m,单桩承载力极限标准值为850 kN,预算基础部分造价约为160元/m2,在整个住宅造价中占了相当大的比例。在其后的设计中,桩长不变,笔者结合当地的设计经验,将桩型改为D400的CFG桩,单桩承载力极限标准值约为600 kN。CFG桩在当地的施工价约50元/m,而预应力管桩的单价约为100元/m。采用CFG桩后预算造价约为90元/m2,综合经济价值明显。可见选择合理的桩型,将对工程的造价产生巨大影响。同样桩基设计中对桩长的选择也至关重要,在某一高层住宅桩筏基础设计中,根据勘察报告采用D500预应力管桩,可选桩长有:桩长25 m,单桩承载力特征值 Ra=900 kN;桩长34 m,单桩承载力特征值 Ra=1300 kN。采用25 m桩,约需要桩数290根;而采用34 m桩,则需要工程桩 200根。从桩本身而言,两种方案总的工程桩延米数量相当,但我们分析一下由此而相对应的筏板设计,采用25 m桩为满堂布桩,所需筏板厚约为1200 mm;而采用34 m桩为墙下布桩,筏板厚可减至900 mm,经济效益明显。因此,我们设计人员在桩基础设计中一定要采用多方案比较,选择合理的桩型与桩长,这都将对整个基础设计的合理性与经济性产生巨大的影响,当然我们也应考虑施工可行性等多方面因素。

3 关于桩偏差的控制和处理

桩基施工中对桩的偏差必须严格控制,特别是对于承台桩及条形桩,桩位的偏差都将产生很大的附加内力而使基础设计处于不安全状态。对于桩位偏差我们主要控制两个方面:1)竖向偏差。根据JGJ 94-94第7.4.12条我们控制桩顶标高的允许偏差为-50 mm～+100 mm,但实际施工中偏差这么大将引起繁重的施工任务及损失。当桩顶标高高于设计标高,则需要劈桩,特别对于预应力管桩等空心桩来说,桩顶有桩帽,劈桩既困难又不经济;而当桩顶标高低于设计标高时,又需要补桩头,这既影响工期又浪费金钱。这就要求施工单位在施工过程中必须严格控制桩顶标高,尽可能地使工程桩标高同设计一致,特别是施工过程中必须考虑到桩在卸载后的回降量,若不加考虑则每根桩都将高于设计标高。而我们设计人员在设计过程中对施工误差亦应有所考虑,笔者建议针对目前的施工质量,设计中可以考虑2 mm左右的容许偏差,这样就可以免除大量小偏差桩的劈桩,这在实践工程中具有相当的可操作性,避免了大量不必要的工作。2)桩位的水平偏差。根据JGJ 94-94第7.4.11条控制各桩位偏差,施工过程中发现桩位偏差较大则应及时进行补桩处理。这里针对4根～16根承台的桩基,JGJ 94-94规范第7.4.11条中规定允许偏差为1/3桩径或 1/3边长,而根据GB 50202-2002第 5.1.3条则规定允许偏差为1/2桩径或边长。这显然是矛盾的,在实际过程中很容易与施工验收方产生不同的理解,因此笔者强调在设计过程中可以明确桩位偏差允许值所执行的标准。当然桩位偏差满足规范或设计要求仅仅代表桩基本身验收合格,而对于由此引起的承台整体偏心或基础高度损失,我们必须另行处理。对于桩偏心我们可以采取增加承台刚度或加大拉梁刚度、配筋来解决,这在实际工程中需针对具体情况相应处理。

4 施工中特殊情况处理

1)桩基达到其极限承载力而无法压至设计标高。这里可能存在两种情况:a.地质报告有误,桩实际承载力大于计算值,必须先做试桩以确定其合理的桩长及承载力。b.可能由于土层本身原因,譬如饱和砂土产生的孔隙水压力使桩基根本无法压入,这就需要我们从施工措施上去解决。首先必须制定合理的施工顺序,如跳打,使先期施工的桩产生的水压力消散后再施工下一根桩;其次对静力压桩必须选择有足够压桩力的施工机械,要避免抬机等现象出现;另外可以采取引孔,设置排水孔等措施尽量减小空隙水压力。当然压桩时必须注意压桩力应控制在桩身极限强度范围以内,且应注意压桩挤土作用对周边建筑物的影响。2)桩基静载荷试验不合格。某工程由于时间限制,甲方要求试桩与工程桩同时进行,待试桩满足JGJ 94-94附录C.0.6条时进行静载荷试验,结果三组试桩有一组满足设计要求,而另外两组试桩均在小于设计承载力时产生破坏。这就要求我们从设计、施工和试验等各方面去分析这两组试桩,但经过与周边工程比较及现场施工试验记录分析,均未发现特殊情况,即不存在施工,试验中的失误。笔者对第一组合格试桩的情况进行了比较,终于发现后两组试桩本身的停歇时间已够,但周边的其余工程桩施工在试验前两天才完成,完全有理由认为是因为工程桩施工时将试桩周边的土破坏而没有固结,影响了试桩的承载力。因此等工程桩停歇时间也满足JGJ 94-94附录C.0.6条时再次对两根试桩进行了静载荷试验,结果与我们判断完全一致,试桩均满足设计要求。3)管桩裂缝处理。预应力管桩以其强度高,制作周期短,比预制桩节省材料等优点在工程设计中受到普遍应用,但也存在受剪能力差的不足之处。在工程实践中,由于垂直度偏差或挤土等原因经常会使管壁产生裂缝而影响质量。在太原某一工程中由于场地天然地面标高较低,在桩施工前场地回填了约2 m的土,而施工中又未对上述情况采取合适的措施,使压桩机械在施压过程中对桩产生了不均匀的侧压,施工结束后发现局部桩位产生了侧偏,经小应变检测发现这些管桩都不同程度地产生了裂缝,如何处理显得相当关键。我们对偏差资料经过分析归类后,对于垂直度偏差小于0.5%的管桩,管壁基本无裂缝,我们认为承载力应不受损失,故在增加了一组试桩证明承载力满足设计条件后不再进行处理。而对垂直度偏差大于0.5%的管桩,可以认为管壁均已产生裂缝,承载力已受影响,我们对此类桩采用了先纠偏再进行灌芯处理,使裂缝部位的传力通过灌芯部分混凝土传递,经最终静载荷试验证明是切实可行的。因此我们在管桩的实际施工中一定要注意垂直度的控制,因为管桩的抗剪能力较差,很容易因破坏而引起不必要的经济损失。

桩基工程是一繁重而复杂的过程,我们设计人员一定要考虑到每一个环节,统筹兼顾,从各方面使之合理化。好的设计不仅仅是要保证建筑物安全,更要使设计经济合理。

[1]JGJ 94-94,建筑桩基技术规范[S].

[2]史佩栋.实用桩基工程手册[M].北京:中国建筑工业出版社,1999.

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[4]徐至均,李智宇.预应力混凝土管桩基础设计与施工[M].北京:机械工业出版社,2005.

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