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岩土研究院

桩基优化设计基本原则和原理

529 2021-03-19 11:42:03

一、桩基设计基本概念

1、桩基设计存在的主要问题及误区

随着工程技术进步和工程经验的积累,国内桩基工程不论在规模还是在技术方面都有了很大的进步和发展,桩基工程设计正朝专业化、设计施工一体化发展。但不可否认,在大量工程建设过程中,涉及桩基工程的问题数不胜数,其中不少原因是设计考虑不周、经验不足造成的,而造成设计问题的根源,则往往是设计上存在误区。总结下来,目前在设计上常存在如下误区。


(1)安全度越高越好

目前,我国采用的是以概率理论为基础的极限状态设计方法,在正常使用条件下,应确保建筑物具有相应的可靠概率。可靠度越高,意味着安全性越好,而为达到更高可靠率所需要的技术和质量储备代价也会越高,因此,我国根据现状生产力水平和技术水平,确定了适合我国国情的设计标准。当然,设计者在进行设计时,可针对建筑物使用性质、施工条件、场地特点等适当调整安全度,但总体可靠度不应低于规范要求最低标准。反过来说,遵照"技术可靠,经济合理"的设计原则,设计者也不能盲目提高安全度,造成资源浪费,增加投资成本。我们国家还处于经济欠发达、资源缺乏状态,节能减排、建设可持续发展的和谐社会是我们国家一直倡导的发展模式,设计者更应精心设计,优化结构。从以往大量工程经验看,设计人员试图在某方面提高安全储备,而忽略了其他因素影响,其效果往往是适得其反的。如某焦化厂设备车间,设备基础采用 PHC500 管桩,桩筏基础。

设计人员考虑到设备从国外进口,费用昂贵,为减少设备基础可能出现沉降偏大的可能性,采取了有意识降低单桩使用承载力、增加布桩数量的方法,使分担到每根桩的荷载减少,设备沉降可控制在较低水平。但是施工后基坑开挖发现,80%桩发生大面积偏斜(图3-1),最大偏斜量超过了 2m,低应变检测表明普遍存在桩脱节、断桩现象,后期为采取补救措施而延误了两个月,费用增加 300 多万。事后对设计施工进行重新审视,发现在有意识降低单桩承载力后,桩数骤增一半,同样范围内布桩面积系数增加了1倍,桩间距过密,桩间挤土效应明显,造成了大面积工程事故。

再如绍兴某住宅项目,考虑到土层较软,对于14~18层住宅设计采用 PC600管桩,桩长 56m,现场施工时由于沉桩困难,沉桩速度仅能达到4根/d,为加快施工速度,后来进行桩基优化设计,桩型不变,桩长改为 28m,静载荷试验表明,单桩承载力与原设计桩型相同,工期得以大大减少。这样的例子不胜枚举,其经验教训是∶蹩脚的设计师是依样画瓢的绘图员,优秀的设计师是量体裁衣的好裁缝。


(2)贯入度(终止压桩力)控制宜小不宜大

目前,桩基设计为确保单桩承载力充分发挥,并控制后期沉降,往往对桩基进入持力层深度要求较高,如对于预制桩,当桩侧土性较软,沉桩阻力不大时,均以标高控制,沉桩阻力大时以标高及贯入度(或终止压力)控制。但在关于贯入度(或终止压力)控制标准方面,许多设计人员缺乏相关经验,为保守起见,控制标准往往定得过于严格,以致于造成不必要的工程质量事故。


如昆山某超高层商住楼,采用 PHC 600 管桩,桩长 30m,采用 D80 柴油锤施工。由于地层复杂,持力层起伏较大,施工前设计人员确定了最后一阵(10击)贯入度 20mm 的停锤标准。施工单位"严格"按此标准施工至设计标高。基坑开挖后发现,大部分桩顶出现宽度超过10mm、深1~4m 的纵向裂缝。事实上在沉桩施工中桩头由于无法经受高能锤击,已经破损(图 3-2),该工程后期处理费用高达 100 多万元。

如昆山某超高层商住楼,采用 PHC 600 管桩,桩长 30m,采用 D80 柴油锤施工。由于地层复杂,持力层起伏较大,施工前设计人员确定了最后一阵(10 击)贯入度 20mm 的停锤标准。施工单位"严格"按此标准施工至设计标高。基坑开挖后发现,大部分桩顶出现宽度超过 10mm、深1~4m 的纵向裂缝。事实上在沉桩施工中桩头由于无法经受高能锤击,已经破损(图 3-2),该工程后期处理费用高达 100 多万元。


(3)桩越长承载力越高

一般的认识是随着桩入土深度增加,桩侧阻力

增大,单桩承载力也随之增加,桩基也越安全,形成一种盲目的设计风气或趋势,造成桩基设计越来越深,造价越来越高。但是设计时如忽略其他因素影响,其结果却往往南辕北辙。如上海某商贸中心(图3-3),采用900钻孔灌注桩,桩长48.5m,进入密实砂层23m深,要求极限承载力 9200kN。由于设计要求进入砂层太深,造成施工时钻进困难,成孔时间太长,引起孔底沉渣过厚、桩侧泥皮过厚,最终实测极限承载力仅为4550kN。根据类似工程经验,同样地层条件下,同样直径灌注桩,桩长 35m,进入砂层控制在 5m 深以内,单桩承载力已能满足设计要求。


(4)规范无明确规定,设计五花八门

规范是对安全和技术要求的规定,并不是设计手册,不可能面面俱到,而且时代总是进步的,规范总是有所滞后,因此对于规范尚未涉及的内容,设计上就成为真空地带,不同设计单位做法差异很大。比较典型的是关于地下车库抗拔桩设计,由于对地下水位取值、上浮力计算并无明确规定,抗拔桩设计可谓五花八门。如天津某住宅小区有两个地下车库,体型、结构类型一致,仅因其中一车库兼作人防而分别由两家设计院完成。人防地下车库需考虑人防荷载,顶板、底板等均较另一普通地下车库厚,在埋深一致的情况下,设计结果是荷载重的人防地下车库采用了9600 灌注桩作为抗拔桩,桩长 15m,桩数160 根,而较轻的车库却直接采用了天然地基,筏板基础,未设置抗拔桩。对这一反常现象进行分析,发现勘察单位仅仅根据勘察阶段钻孔地下水位确定最高抗浮水位,由于分阶段勘察,水位变化相差1m,差之毫厘,谬以千里。


二、桩基优化设计基本原则和原理

1、桩基优化设计概念

正如所有设计一样,桩基设计本身是一个创作的过程,是根据上部结构需要创作桩基方案的实践。由于土体的复杂性,使桩基设计不是按图索骥、按部就班就能完成。合理的桩基设计方案需要设计者具有丰富的实践经验和类似工程参考,以及足够的判断能力,然后进行力学分析或按规范要求进行安全校核,修改设计。由于受个人经验制约,过程烦琐以及岩土复杂,往往方案难以称之为合理,甚至在可行性方面都存在问题,更毋论优化。由于桩基设计参数较多,难以建立简单的数学函数进行参数求解,因此传统的桩基设计,要求设计者根据设计要求和实践经验,参考类似工程设计,通过判断去创造设计方案,然后进行上述各项承载力、桩身强度、裂缝等计算。这里的计算实质上是对给定的方案进行分析,起一种安全校核的作用,仅仅是为验证设计方案的可行性。有时候为了获得相对合理的方案,会提出几个可能的方案进行比较,分别校核,但是在工程建设任务非常紧张的当今社会,这样的工作往往也会被忽略。哪怕经过比较的设计过程也仍有两方面缺点∶一是工作繁复、效率低下;二是严重依赖于设计者的经验和判断能力,确定的方案往往不是最优化的方案。


桩基优化设计则是把力学、岩土概念和优化技术有机地结合起来,利用数学、逻辑推理作为手段,在可能的设计方案域中找到满足预定要求的、可行的且是最好的设计方案。实践证明,桩基优化设计能缩短设计周期,提高设计质量和水平,取得显著的经济效益和社会效益。庄基优化设计与普通桩基设计采用的是相同的基本理论,使用的是同样的计算公式,遵守的是同样的设计规范和施工技术、构造要求或验收规程,因而具有相同的安全度。桩基优化设计具有常规桩基设计相同的设计流程,均需通过桩型选择后进行各项校核,所不同的是,传统设计在安全性、经济性方面缺乏衡量标准,而桩基优化设计是用一个或多个明确特定的指标(如造价最低、工期最短、环境影响最小、施工最方便等)来衡量。桩基优化设计是许多桩基关键技术的浓缩过程,其技术含量和效率是传统桩基设计所不可比拟的。


2、桩基优化设计基本原理及一般优化设计方法

最优准则法是最先发展起来的一种结构优化设计方法,从 20 世纪 50年代末开始用于工程设计,其基本出发点是∶预先规定一些优化设计必须满足的准则,然后根据这些准则建立达到优化设计的迭代公式,这些准则一般为强度准则、刚度准则等。


(1)满应力设计

满应力设计(FullStressed Design,简称 FSD)是准则法的一种,也是最先发展和工程设计的优化设计方法,它不用数学上的极值原理,而是直接从力学的基本原理出发,以满应力为准则,保证桩的材料强度和土体强度得到充分利用。所谓满应力就是各桩和土在一组确定的看载组合下承受荷载等于或接近单桩承载力特征值。


于于桩基优化设计,满应力设计对上部应力传递明确、桩基施工方式、桩基类型、桩基持力层已经确定的情况比较适用。下面介绍框架结构在竖向作用下桩基的满应力设计(不考虑弯矩影响)。


(2)应力比法