基于静载试验的桩基优化设计

刘小虎 罗建鹏 宋修平 陈新喜 王晨伟 张双龙

中国建筑股份有限公司阿尔及利亚公司 北京 100125

1 桩基设计基本信息

1.1 基本信息

阿尔及利亚机场项目建筑面积200 000 m2，基底面积60 000 m2，为3层框架结构，主楼部分地下1层，层高6 m，地上2层，层高9 m，顶部为跨度120 m的钢箱梁结构；基础采用φ1.5 m×30 m桩基，根据荷载要求，设计为4桩承台、6桩承台、9桩承台。

指廊部分地下1层，地上2层，层高4 m，顶部为跨度30 m的钢箱梁结构；基础采用φ1.5 m×40 m和φ1.2 m×40 m桩基，根据荷载要求，均采用4桩承台。各类桩基的单桩设计承载力如表1所示。

表1 原设计桩基基本信息

1.2 基本土质参数

地质勘察试验包括取芯试验、旁压试验、静力穿透试验。地质勘探报告表明，项目地质勘查深度为40 m，下部地层土质特征为“黄色硬质黏土”，位于此次勘查的最深处；另外，该区域南部（指廊区域）表面覆盖有一层厚度约为20 m的“灰色松软黏土”。

1）黄质硬黏土包括黏土和淤泥质黏土，可塑性差，褐色，零星分散着厚约1 m、含有砂砾的碎石层和紧密结实的沙子。

2）灰质软黏土由黏土和淤泥质黏土组成，归为CL，软塑性。该土壤存在于指廊区域表面部分，厚度约为20 m，呈灰色至灰蓝色，并含有丰富的有机物质，有时呈现出泥炭土的外观。

1.3 桩基设计所使用的基本参数

本项目桩基设计所使用的基本参数来源为阿尔及利亚规范的相关规定，对于黄质硬黏土，其极限侧摩阻力特征值和极限桩端阻力特征值分别为40 kPa和1 575 kPa；而灰质软黏土均为0 kPa。

2 桩基优化可行性分析

由于缺少在当地类似土层的实践经验，只能通过对已有地勘资料进行分析，以及参考各类设计规范、设计手册的经验值，对桩基的实际承载力进行初步的估算，以确定最终的优化目标[1-2]。

2.1 阿尔及利亚国家规范

本项目的桩基设计依据为阿尔及利亚当地标准，按照当地规范给定的经验参数，无法进行优化。

2.2 中国桩基规范

根据JGJ 94—2008《建筑桩基技术规范》5.3.5，对于黄质硬黏土，其液性指数IL=－0.6，土体状态属于坚硬，则极限侧摩阻力特征值qsik=96～102 kPa，极限桩端阻力特征值qpk=1 600～1 800 kPa。

2.3 欧洲标准

根据EN1997-2:2007：对于粗粒土，可以根据相关表格确定单桩的承载力；对于黏土，只能通过试验方法进行确定。

2.4 《基础工程分析与设计》(第5版）

《基础工程分析与设计》是国际上比较权威的关于地基与基础的参考资料，据此对场地的承载力进行分析与估算，具备一定的可靠性。经计算，桩侧摩阻力为158.4 kPa，桩端承载力为9 818 kPa（安全系数为3）。

上述分析表明，原有桩基设计的安全系数（估算值与设计值比较）为1.5～2.2（表2），可以通过必要的方法来获得更为经济和安全的设计参数。

表2 桩基实际承载力估算

2.5 优化目标的确定

优化目标的确定须综合考虑以下因素：

1）地基基础的重要性能，以及计算数据的可靠性。

2）建设单位、原设计单位、政府审查机构的心理可接受程度。

最终确定的优化目标以总体上提高承载力30%为基准。具体优化目标如下：

1）φ1.2 m×25 m的桩的极限抗压承载力达到原设计φ1.2 m×30 m（6 079 kN）的要求（15%）。

2）φ1.2 m×30 m的桩的极限抗压承载力达到原设计φ1.5 m×30 m（8 155 kN）的要求（30%）。

3）φ1.2 m×35 m的桩的极限抗压承载力达到原设计φ1.2 m×40 m（4 573 kN）的要求（33.3%）。

4）φ1.2 m×40 m的桩的极限抗压承载力达到原设计φ1.5 m×40 m（6 038 kN）的要求（30%）。

3 桩基优化过程

3.1 实现方案

为实现所设定的优化目标，在通过理论分析后，一个最重要的程序是，按照阿尔及利亚标准以及欧标的相关规定，建立一套各方认可的实施方案，作为试验的依据。

3.1.1 静载试验的法理依据

1）阿尔及利亚设计规范DTR B.E.1.32《深基础工程》第六章第2.1条规定：检查地质研究结论的预先试验是对钻孔基桩或打桩进行静态加载的一些试验。这些基桩为独立于工程和有代表性的工程基桩。

2）欧洲规范EN1997-1:2004《地基基础设计规范》7.4.1条规定，设计应基于以下方法：

① 静载试验结果，已通过计算得以证明，否则应符合其他相关经验。

② 经验方法或分析计算方法，已通过可比情形下的静载试验证明其有效性。

上述2款规范构成了静载试验的法理依据，依据规范规定，进行静载试验，优化设计参数是可行的。

3.1.2 静载试验的目的

试验的目的，即2.5节要实现的优化目标，不再赘述。

3.1.3 试验方法

试验的加载程序均依据阿标相关规定进行，试验桩的定位按照欧标要求，尽量靠近地勘点。

3.2 程序批准

由上述3部分内容（法理依据、试验目的、试验方法）组成的规程性文件正式报审建设单位，并经过建设单位、设计方、政府审查机构审批完成后，整个试验的规程性文件就被各方认可，成为开展下一步工作的法规性文件。

3.3 试验结果

试验桩施工完毕后，静载试验由阿尔及利亚当地最大的国家试验室（简称LCTP）实施，以确保试验过程的权威性和试验结果的可靠性（表3）。

表3 φ1.2 m×30 m试验桩记录数据

按照各方认可的流程，第10阶段的承载力为工作程序设定的极限承载力QL，即9 730 kN；各试桩的极限承载力如表4所示。

试验表明，在给定的设计荷载下，单桩的竖向变形最大为6 mm（规范允许的极限变形为120 mm），最小为3 mm，具备很高的安全储备，事实上具有更多的优化空间；但受制于我们前期工作程序的设定，更多的优化无法被各方接受。

表4 各试桩的极限承载力

3.4 优化设计

根据试验结果，来验证先前各方所设定的优化目标是否满足，以原设计φ1.5 m×30 m（8 155 kN）为例。

1）优化目标：φ1.2 m×30 m实现φ1.5 m×30 m的设计目标，即φ1.2 m×30 m的桩的极限承载力需要达到8 155 kN，且极限位移不能超过120 mm。

2）试验结果：极限承载力达到9 730 kN的条件下，极限位移为6.37 mm。

3）结论：试验结果达到了方案所预计的目标，优化目标获得认可。

4 结语

在国际工程项目中，通过优化设计，实现价值工程，是总承包商获得经济效益的一个重要手段。而工程师作为实现这一目标的主要技术操控者，需具备如下三点能力：国际化的思维模式和程序化的工作模式；在国内丰富的工程经验和工程判读能力，对工程细节的掌控能力；对当地规范和国际规范的了解以及灵活的使用。

在本次价值工程实践中，各类规范被按照以下逻辑进行使用[3-4]：

1）通过国标以及参考手册提供的经验参数、计算分析方法，对价值工程的可实施性进行技术预判——技术可行性确认。

2）通过阿国标准、欧标，为价值工程的可实施性提供法理依据——路线合法性确认。