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岩土研究院

宁波某大厦桩基优化设计实例

372 2020-12-08 14:24:52

 桩基选型多方案论证,精细化设计管控。



前言


从地勘初稿完成至选定工程桩桩型及明确设计试桩要求,前期设计部一直致力于项目桩基选型及优化设计工作,秉承经济性、安全性及适用性原则,实行多方案对比论证,精细化设计管控,力求最大限度节省造价成本,方便现场施工。如若此文有冒犯或侵权,请联系本人删除。


项目及地质概况

笔者所管控项目位于宁波国家高新区,为商务办公用地(B2),总用地面积30871㎡,总建筑面积约13万㎡,其中地上建筑面积9.5万㎡,地下建筑面积3.5万㎡。项目设置一层地下室,部分区域设置夹层,整体开挖深度约7.5米。项目由三栋高层及部分两层裙房组成,其中1#楼(24F)结构高度97.8米,框架核心筒结构体系,2#楼(20F)结构高度96米,3#楼(19F)结构高度91.2米,均为框架剪力墙结构体系,地库及裙房均为框架结构体系。


本项目用地浅部二十米范围内大多分布海相沉积的粘性土、淤泥质土、粉砂,是典型的软土,具有高含水量、高孔隙比、高压缩性、低强度、低渗透性、极易发生蠕动和扰动等工程地质特性。该层软土的存在,会产生较多岩土工程问题,主要表现为:软土的物理力学性质较差,能提供的侧摩阻力较小,势必增加桩基工程的桩数、桩长或增大桩径,从而增加桩基施工费用。


桩基选型分析

目前宁波地区公建及住宅项目使用的桩型主要有:静钻根植桩、钻孔灌注桩及预应力混凝土管桩/方桩/竹节桩,笔者大概罗列了各自的优缺点及成本、进度比较。


经设计院初步计算,24层商务办公1#楼最大柱荷载约为18000KN,20层商务办公2#楼最大柱荷载约为12000KN,19层商务办公3#楼最大柱荷载约为12000KN,配套商业用房区域最大柱荷载约为5000KN,纯地库最大柱荷载约为4000KN。


据地勘报告土层厚度及参数分析,主楼桩基持力层宜选择9-1层中砂,桩长约75米,地库及裙楼桩基持力层宜选择8-1层粉砂,桩长约60米较为经济合理。本项目桩基类型为端承摩擦桩,单桩承载力特征值主要由其侧摩阻力提供。

根据项目业态及周边环境,本项目高层主楼部分首先排除预应力混凝土管桩主要原因有:1、高层主楼采用管桩,最经济的单桩承载力特征值约为5000KN,压桩力至少为8000KN,无法静压,只能锤击,宁波市政府严禁在市区采用锤击法施工。2、高层主楼采用800桩径管桩,最大桩长约76米,长细比接近100,管桩成桩质量差,桩身完整性易受影响。3、地块存在老基础,对管桩施工有较大影响,易造成桩基偏位且补救困难。4、项目距离南侧管廊最近约14米,距离南侧高压铁塔最近约11米,距离东侧道路最近约10米,市政管线较多,管桩施工产生的挤土效应会对其产生严重的影响。

2019年11月8日,前期设计部组织施工图设计单位对1#楼及周边裙房进行钻孔灌注桩、静钻根植桩及预应力混凝土竹节桩(仅地库及裙楼部分,用于抗拔兼抗压)的桩基方案布置,并由成本招采部进行成本测算。

根据成本部门提供的测算数据,静钻根植桩(方案二)较钻孔灌注桩(方案一)节省造价成本约46万元,整个项目可节省成本约为150万元。静钻根植桩为近几年新兴起的一种桩型,因成桩质量好,单桩承载力高,且泥浆排放量少而被广泛应用,但其桩架庞大,对场地要求较高(结合本项目,每栋主楼只可布置一台桩架),且施工速度缓慢,一台桩架一天只能成桩2枚。钻孔灌注桩在宁波地区有成熟的施工经验,机械化作业,施工简单,市场价格透明,桩架小,对场地要求较低,可多台桩架同时作业,适合项目抢工。另一方面,因本项目支护桩采用的是钻孔灌注桩,为方便现场施工及管理,最终选定钻孔灌注桩为本项目高层主楼的工程桩。


地库及裙房采用竹节桩(方案三)较全部采用钻孔灌注桩(方案一)节省成本约12.3万元,整个项目仅节省成本约40万元。竹节桩施工工艺为静压,对周边环境及主楼的工程桩有挤土效应,势必影响主楼工程桩的成桩质量,另外考虑到两种桩型对现场施工管理也会带来一定的难度,综合考量后,最终选定钻孔灌注桩为本项目地库及裙房的工程桩。

桩基优化设计

2019年10月18日,地勘单位完成本项目地质勘探工作并提供勘察报告(初稿),前期设计部及时将资料传递至设计院,并要求设计院根据地勘报告于本月底之前完成桩位扩初图纸,用于桩基成本测算。
10月23日,前期设计部组织工程部、成本部及地勘单位、设计院召开桩基设计讨论会,会议明确了桩基初步选型及持力层的选取,同时明确设计试桩的相关要求。
10月30日,方案设计单位根据地勘报告初稿完成第一版桩位扩初图。高层主楼采用800桩径75米钻孔灌注桩,总桩数547枚,地库及裙房采用700桩径60米钻孔灌注桩,总桩数638枚,两种桩型设计试桩设置6枚。

根据《建筑桩基技术规范》(JGJ94-2008)3.1.2条规定:本项目桩基设计等级为甲级。5.3.1条规定:设计等级为甲级的建筑桩基,应通过单桩静载试验确定单桩竖向极限承载力标准值(宁波地区规定施工图送审时需提交设计试桩静载报告)。

在地质勘察报告(初稿)的基础上,结合项目已具备现场作业的有利条件,前期设计部于2019年11月4日编制针对本项目的设计试桩可行性分析报告,并进行多方案比较:
方案一:利用工程桩做设计试桩,不做破坏性试验。
利:节省6枚试桩的工程费用(总造价约32万元);
弊:a、需在施工图具备相应深度和相应工程桩施工完成并达到检测强度后才能进行设计试桩静载,工作周期长,不利于加快推进施工图审查工作;b、单桩承载力特征值完全由地勘报告的数据做理论支撑,对实际承载力缺乏准确判断。
方案二:根据地勘报告进行原位试桩,做破坏性试验。
利:a、经与设计院、地勘单位交流沟通,参照周边类似项目,采用此方案能够准确判断桩基承载力极限值,单桩承载力特征值约可提高20%左右;b、设计试桩单位提前进场,能够及时提供设计试桩报告,保障施工图审查顺利进行。
弊:增加6枚试桩费用。

为准确掌握地质情况,为桩基优化设计提供最科学、最详实的基础依据,也为降低工程造价提供更大的空间,前期设计部建议采纳方案二,并组织开展下阶段工作。


2019年11月29日,根据地勘单位主动请示关于本项目地勘参数可根据实际经验提高15%左右的建议,本着确保工程质量、有效降低工程造价的原则,前期设计部组织工程、成本部门及地勘单位、设计院召开了地质勘察报告优化及设计试桩工作安排论证会议。会议研究认为正式地勘报告相关参数提高15%左右,与通过设计试桩做破坏性试验可能得到的单桩承载力极限值比例差距在5%左右,综合考虑设计单位提出的按正式报告计算得出的承压桩单桩承载力已基本达到桩身极限强度的情况下,提出并组织实施了“利用工程桩做设计试桩,静压满足单桩承载力极限值,不做破坏性试验”的方案。

前期设计部还通过对周边道路标高的调研,结合本项目场地设计标高,研究提出降低抗浮设计水位的方案,经跟地勘单位充分交流沟通,抗浮水位由3.0米调整为2.7米。多举措优化桩基设计条件,降低工程造价。

调整后抗浮水位


调整后的地勘参数摩阻力及端阻力均不同程度提升,相同桩型单桩抗压承载力特征值可提高约12%。抗浮水位由3.0米调整至2.7米,可减小拔力,节约抗拔桩桩身及基础底板配筋。


会议同时要求设计院加强与地勘单位的沟通协作,根据最新地勘参数尽快完成桩基优化工作,以便业主单位开展相应成本测算与分析工作。

2019年12月6日,施工图设计单位根据最新地勘参数完成桩基设计优化工作。较方案设计单位10月30日提供的桩位图纸,主要变化有:
1、地库桩由60米700桩径改为58米600桩径,桩数量由638枚增加至757枚;
2、主楼桩型不变,数量由550枚减少至438枚。


成本部门同时展开对两版桩位图纸的测算对比分析工作,经比较,地勘参数调整后的桩位图纸较调整前造价成本节省8%,约430万元。


前期设计部通过对方案院1030版及施工图设计院1206版桩位图的分析对比,认为地库及裙楼部分桩位排布存在较大差异,虽然桩径由700改为了600,但在抗压特征值仅减少200KN、抗拔特征值增加200KN、抗浮水位下调的情况下,众多单桩承台变成双桩承台,双桩承台变成三桩承台,桩数量增加119枚,在上部总荷载变化不大的情况下增加了桩基承载力,显然不经济。

笔者在与两家设计单位相关负责人充分交流沟通后,得知两家单位并未统一计算模式,施工图设计单位在抗浮设计时对覆土恒载进行0.9折算,并不计入顶板梁、框架柱及承台、桩基的重量,地库桩基主要以抗拔为主,这基本符合宁波地区审图的要求。而方案院在抗浮设计时荷载均按实输入(包括抹灰荷载),计算结果为地库桩基主要以抗压为主,这在一定程度上能节省桩基数量及桩身配筋,经济性较为明显,但同时需要提前做好跟审图老师的沟通工作。

笔者以为,恒载满算的情况下,施工单位尤其要做好地下室的降水及顶板覆土及时回填工作。地下室封闭至覆土回填会有时间间隔,期间如果地下室水位抬高(江南地区梅雨季节),而又不及时做好降水工作,会导致地下室整体往上抬,致使底板出现大面积裂缝及梁柱节点破坏。设计单位务必做好施工图设计交底工作。


前期设计部认真研读地勘报告,发现本项目3#楼部分区域9-1中砂层持力层较薄,仅为1米~3米,无法满足桩基持力层的选取,按桩基进入持力层2倍桩径计算,有可能凿穿9-1层,经跟设计单位充分交流沟通,一致认为3#楼部分区域以9-1、9-1a做联合持力层较为合适,因9-1a土层端阻力仅为9-1层的一半,对3#楼单桩承载力做适当折减(具体以试桩结果为准)。2#楼9-1持力层厚度满足设计要求,但埋置较深,最低处达到黄海高层-80.54米,对2#楼部分区域桩长做适当调整。

同时前期设计部要求设计院对纯地库部分尽可能实现一柱一桩,除能简化结构构造设计,降低工程造价外,还能一定程度降低施工难度,加快施工进度。另外做好对地库区域抗压抗拔桩的区分设计,对纯抗压的桩基做好钢筋的优化设计工作。


前期设计部充分利用地勘报告提供的设计参数,实行精细化设计管理,最大限度降低工程造价。


根据前期设计部对之前两版桩位图的意见反馈及要求,方案院于2019年12月24日完成最新一轮的桩位图设计修改工作,设计部同时要求施工图设计院做好对设计成果的校核工作。

此版图纸较之前桩位扩初图主要有如下区别:
1、地库采用600跟800两种桩型,纯地库区域大部分做到一柱一桩,总桩数减少127枚。
2、区分地库抗拔抗压桩型,地库纯抗压桩数为158枚,抗压兼抗拔为455枚。
3、因地库新增800桩型(59米),加之原先的600桩型(59米)以及主楼800桩型(75米左右),根据《建筑桩基技术规范》,设计试桩数量为每种桩型3枚,故本项目设计试桩数量为9枚。施工图设计院在校核过程中提出因3#楼地质情况较差,希望在3#楼内增加一枚设计试桩,考虑到桩基成本及静载费用的增加,前期设计部不予采纳。同时前期设计部及时做好对工程部的设计交底工作,强调务必做好3#楼的设计试桩施工管理,以期静载结果达到设计要求;
4、因2#楼地质情况较1#楼稍差,虽然单桩承载力特征值均取值5600KN(具体以试桩结果为准,后期会微调),但桩长做了精细化区分
5、本工程采用工程桩做设计试桩,不进行破坏性静载检测,所以本次所选择的试桩均位于柱中心,且承载力有富余处。

笔者在对方案院提供的桩位图进行审核时发现抗拔试桩桩身配筋过大,立即与方案院结构负责人进行沟通,并审核配筋计算书。通过对计算书的校核发现,设计院对抗拔试桩以0.3mm桩身裂缝控制进行配筋(桩基规范只对抗拔工程桩进行裂缝控制),考虑到试桩加载为短时间荷载,而且裂缝一般只出现在桩身顶部,做工程桩用的时候会被截断,对桩基质量无影响,提出对试桩桩身裂缝按0.3-0.4mm控制为宜,同时对配筋进行优化。


在审查主楼抗压试桩配筋计算书时,发现800桩径只要配置12根20的钢筋,其提供的桩基承载力结合混凝土自身抗压承载力就能满足试桩极限承载力要求,而图纸上布置的是12根22的钢筋,显然不经济。经过沟通,了解到主楼试桩长度达到了80米左右,桩长细比超过100,考虑到桩身稳定性及成桩质量,设计院刻意加强了配筋,对此,笔者予以认可。


同时,成本部门对施工图设计院12月6日提供的桩位图与方案设计院经修改后,于12月24日提供的桩位图进行成本造价分析对比,经比较,可节省成本4.2%,约210万元。


结束语


通过对本项目桩基的全过程设计管控,前期设计部认真总结工作经验,梳理工作流程,实行精细化设计管理,做到有的放矢,取得了一定的工作成果。笔者以为设计管控需要有质疑精神,从设计层面不轻易放过任何一个可以节约造价成本的因素,以经验为向导,以数据做支撑,同时加强与设计单位的交流沟通,并向其灌输成本控制意识。
最后,感谢本项目施工图设计单位和方案设计单位相关负责人对笔者工作的大力支持与配合!