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岩土研究院

桩基选型、桩基优化、桩基工程优化方案分析

381 2020-12-29 15:18:19

桩基选型工程案例

前言:

随着我国人口的城镇化,城市建设用地越来越紧张,高层、超高层已是城市普及的建筑形式。与基础是整个建筑物荷载最终的承受者,占着最重要的位置,在地质条件差或浅基础无法满足建筑荷载时,桩基础的选择直接影响到建筑物的安全性和经济性。

一、 项目简介

本项目位于长沙市开福区,占地面积133317㎡,总建筑面积322000㎡,由A/B/C/D四个地块组成。其中:

A地块总建筑面积87000㎡,含高层(33F)建面45000㎡、小高层(14F-18F)建面24000㎡、底商及配套建面1850㎡,地下室建面14000㎡;目前在建;

B地块总建筑面积105100㎡,含高层(32F)建面69000㎡、叠拼(4F)建面11160㎡、底商及配套(含幼儿园)建面5886㎡,地下室建面15300㎡;目前在建;

C地块总建筑面积90700㎡,含叠拼(4F)建面52000㎡、底商及配套建面1300㎡,地下室建面19800㎡;目前在建;

D地块总建筑面积42700㎡,含高层(34F)建面29567㎡、叠拼(4F)建面1920㎡、底商及配套建面1000㎡,地下室建面8166㎡;待建。

二、案例背景

目前A地块桩基(灌注桩)已施工完成,BC地块管桩施工中;BD地块高层桩基选型阶段;因前期A地块桩基单位退场事宜,甲方对A地块之外其他地块桩基选型显得尤为重视;BD地块高层桩基方案选定前,针对桩基选型做成本造价对比;

三、需解决问题

需综合考虑采用管桩或灌注桩的成本造价及优缺点;

四、多方案比选

1. 地质情况:

本项目淤泥质粉质粘土层顶埋深约3.7~4.1m,层厚约7.3~8.1m,初步设计时按照高层埋深控制承台底标高后,承台底部淤泥厚度约5.3~6.5m厚;


根据地方标准《建筑地基基础技术规范》DB42/242-2014的要求:

①、灌注桩:采用灌注桩的高度超过50m的高层建筑,当承台下存在厚度大于2m的淤泥(淤泥质土)或fak<60kPa饱和软土时,应对承台下和承台间软土进行加固或换填处理。承台间和承台下可采用搅拌桩格构式加固,承台下处理深度不应小于2m,加固范围为承台周边外不少于1m;

②、管桩:高度100m及以上的高层建筑物不应采用预应力管桩或者空心方桩;高度小于100m当层数为30层及以上的高层建筑物,在采用桩筏基础等措施的条件下方可采用预应力管桩或者空心方桩;高度超过75m的高层建筑采用管桩或空心方桩基础时应通过专项论证;

2. 技术参数对比

根据地标要求对软土加固,因换填会增加开挖深度,造成土方、基坑支护费用大幅增加,参考当地工程经验,选用粉喷桩对承台底软土进行加固;


灌注桩桩位布置及承台加固如下图:


管桩桩位布置图及基础加固如下图:



按照常规合约界面划分,桩基工程仅包含桩基施工(桩基单位施工至桩顶标高),承台及底板属于土建总包合同,基础工程的人为割裂造成基础工程经济指标测算时出现偏差。故本次方案对比范围为底板标高以下所有费用,包括桩、筏板(承台+底板)及地基加固费用;

3. 经济性对比


由上表可知:

1)桩基单项对比,管桩比灌注桩省25%;

2)基础费用(桩+底板)对比,管桩比灌注桩省11%;

3) 基础费用+地基加固合计对比,管桩比灌注桩贵13%。

4) 整体费用对比时,管桩比灌注桩造价更高,基加固费用的增加(加固费用占比管桩整体费用高达23%),导致整体费用对比,管桩更高,此项费用由于区域性因素,严格执行地标规范的要求增加满堂粉喷桩地基加固费用而影响了整体结果;

四、小结

经济对比时,通过固化可固定因素条件,突出差异性因素条件,得到的结论可能不同。如本项目的桩净尺、底板砼、底板钢筋等为可固化因素,因项目处于湖南地标,设计规范加固要求导致在综合成本上,管桩较灌注桩贵。如项目地标改变、地质条件变化,对比结果可能会不同;综上可得出如下结论:

1. 从结构方案角度,推荐使用灌注桩。承台下淤泥较厚,且地层深处存在软弱层,考虑施工顺序、土方开挖等结构专业不可控因素,储备桩顶水平荷载承载力,推荐使用灌注桩;

2. 从工程施工角度,推荐使用管桩。管桩具有施工速度块,效率高,桩基工期短,对于开盘节点略有利。若能保证基坑支护及加固质量,以及土方规范开挖、转运及回填,可推荐使用管桩;

3. 从综合成本角度,推荐使用灌注桩。本案例灌注桩方案下的桩基工程成本高,但在系统性成本上(桩基与基础一并考虑)较优;

五、执行成就

桩基选型初步确定为灌注桩;

六、案例总结

桩基方案的选择与地方标准、地质情况密切相关,单件性尤其明显;同时,不能就桩基谈桩基,而是要把桩基放到整个结构系统中去,把成本放到整个项目系统中去考虑。在这样系统性分析下的方案选择就更接近最优解。


桩基优化方案分析

一、项目概况


X 项目位于城市中心区地段,我司承接其全过程跟踪审计。该项目X期工程规划总用地17656.36m2,总建筑面积80306.12m2,地上建筑面积69843.77 m2,地下建筑面积10462.35 m2。拟建建筑物由2栋40层(编号为1#、3#)、1栋45层(编号为2#)民用建筑组成,下设一层整体地下车库,其中1#、3#楼高度为112.30m;2#楼高度为126.30m,业态均为超高层建筑,该区地块为项目尾期。

二、方案调整背景

1、现场情况:地下室底板处于4层粉质粘土(fak=400kPa)或5层粘土(fak=420kPa)内。在此基础上,本工程塔楼部分基础设计采用φ900钻孔灌注桩+筏板基础,车库地下室部分采用筏板基础。

2、土质分析:根据地勘报告(详见下表)项目现场土质性质显示,场区地下水主要为孔隙上层滞水和裂隙水两种:孔隙上层滞水赋存于人工填土中,大气降水及周边生活用水是其主要补给来源;裂隙水赋存于下伏岩层裂隙中,该地下水埋藏较深,场区地下水和土对混凝土及混凝土中的钢筋具微腐蚀性,建筑场地类别为Ⅱ类,可不考虑液化影响。


3、方案优化设想:我司在拿到桩基图测算时发现,该区地块桩基是按φ900mm钻孔灌注桩进行设计的,而前期地块因地质情况良好采用天然地基方案,于是我司从成本角度出发向业主方提出了方案优化设想。

4、会议商榷:经地质方面专家、设计院、业主方及咨询方开会商议,根据现场实际施工条件、施工质量要求、施工技术等,并结合经济性投资原理,将φ900钻孔灌注桩调整为φ800钻孔灌注桩方案,结构筏板基础不变,混凝土等级由原来的C35和C40全部调至C35,其余未调整,具体详见方案调整对比分析。

三、方案调整对比分析

1、方案对比:


2、经济对比:


3、方案分析结论:

通过方案对比测算显示,两者相差金额约87.45万元,占原造价的16.70%,经设计院论证,该方案可行。

四、二次方案调整背景

1、二次方案优化设想:根据现场实地勘察情况,地质方面专家、设计院发现该区地块地基承压能力表现良好,可能高于前期地块地基的承压能力,于是项目商议讨论先做试桩,对1、3号楼进行浅层平板荷载试验后,再商议是否调整优化桩基方案。

2、平板荷载试验:本地块地基类型为天然地基,检测方法为堆载法,加载方式为慢速维持荷载法,最大加载值为破坏性试验,承载面积为1m2,在1#楼检测点数为3个点,编号为S1#、S2#、S3#,在3#楼检测点数为4个点,编号为S1#、S2#、S3#、S4#,详见下表:

1#楼浅层平板载荷试验结果表


3#楼浅层平板载荷试验结果表


3、二次方案优化:根据平板载荷试验显示结果,该区地块地基承压能力确实优于前期,考虑前期住宅业态均为高层建筑,未做过超高层建筑,而本地块均为超高层建筑,故住宅部分必须采用桩基工程,但通过平板载荷试验显示结果可调整桩基类型,由原方案钻孔灌注桩优化调整为CFG桩,具体详见二次方案对比分析。

五、二次方案调整对比分析

1、方案对比:


2、经济对比:


3、方案分析结论:

通过方案对比测算显示,两者相差金额约115.40万元,调整比例15.79%,由上述可知,从原图设计的φ900钻孔灌注桩调整至最终的φ600的CFG桩,成本共优化202.85万元。

六、总结

1、考察与了解项目前期与周边项目的地质勘察情况,可对拟建项目地块基础优化方案数据提供合理支撑;

2、桩基工程优化方向可从:选型——数量——尺寸——材质等级这几个角度考虑出发;

3、认真分析勘察报告和设计,看其是否存在可优化空间。单桩承载力设计值主要是设计师根据地质报告提供的参数来进行确定,根据这个估算的单桩承载力直接进行桩基础设计;

4、黏土或风化岩土可不做护壁,对于杂土或松散土需随挖随打护壁,每节护壁的长度以及壁厚、钢筋的布置等都应经济合理,避免不必要的浪费;

5、成本前置的必要性,尤为在设计阶段,可以通过不同基础形式组合的对比,选出最优最合理的方案,既能满足结构要求,也能最大限度减少成本浪费


桩基工程优化

一、项目概况

XX项目位于太原市尖草坪区金桥西街以南、和平北路以西,用地面积87367.59m2,总建筑面积252750.83m2。

其中:9栋高层(155333.4m2)+15栋别墅(25363.16m2)+1栋独商(2298.15m2)+1栋办公楼(21943.51m2)+1栋公寓(14746.27m2)+地库(29110.74 m2)+幼儿园(3955.6m2)。

二、背景介绍

地质情况:根据《太原市XX项目岩土工程勘察报告(详勘)》,拟建场地所处地貌单元为汾河西岸Ⅰ级阶地,场地为农田,地形较平坦,起伏不大。本次勘察揭露场地地下水类型为孔隙潜水,主要以大气降水及侧向径流补给。勘察期间为丰水期,地下水位季节性变化幅度约1.5m。稳定水位标高在786.29~788.20m之间。岩土构成及主要物理力学指标如下表:

地基土分层及主要物理力学指标


注:本场地地基液化等级轻微,2、3、5层为液化土层,侧阻力液化折减系数分别为:2/3、2/3、1。

事项经过:本项目工程勘察报告结论建议采用灌注桩。因灌注桩成本较高、施工周期长、现场污染严重,为寻求最优桩基方案,现场工程师联动成本、设计院出具三种桩基图纸,咨询单位根据方案测算不同桩基形式的指标,寻求最优的桩型方案,搜集同地质条件下其它项目的桩基形式,形成对标数据。

结论:大部分项目桩基形式采用了勘察报告结论中建议的方案,如果变更须召开专家论证会。本项目经过方案对比、专家论证会后最终选用管桩,既可缩短工期又可节约成本。

三、具体方案对比情况

方案1:灌注桩

图纸及做法:

桩端持力层选用第6层圆砾,桩端伸入第6层应不小于1.0d。

工程桩GCZ桩身混凝土强度等级采用C30;

锚桩MZ桩身混凝土强度等级采用C30;

试桩SZ桩身混凝土强度等级采用C40;

试桩、锚桩桩长16.00m,工程桩有效桩长14.0m,桩径均为0.70m,共106根,其中试桩3根,锚桩12根。桩头混凝土超灌长度不小于0.80m,且需有严格的桩身质量保障。


优点:承载能力大,施工难度低,不需进行土方大开挖

缺点:一般会有泥浆,对环境有污染,施工速度较慢,成本较高

方案2:管桩

图纸及做法:

桩端持力层选用第7层卵石,桩端伸入第7层应不小于1.0d。

工程桩选用预应力高强混凝土管桩(代号PHC桩)混凝土强度等级C80,外径500mm,型号A型,壁厚100,桩长23.0米。


优点:质量易保证,单桩承载力较高,施工工期短

缺点:不宜穿透较厚坚硬土层、桩身截面面积小,抗弯抗剪能力相对较弱、受吊装、运输和沉桩机械等条件限制,单节预制桩长度不大,长桩需接桩,接头处常形成桩身的薄弱环节,甚至制约其承载性能。


方案3:CFG桩

CFG桩由碎石、石屑、粉煤灰掺适量水泥加水拌和而成。

图纸及做法:

CFG桩直径为400mm,CFG桩有效桩长为12.5m(且桩端进入第六层圆砾层不小于2d),电梯井道处局部凿至基底标高,桩体混凝土采用C20。正方形布桩,桩距为1350mm(局部标明桩距者除外)。


优点:设计、施工简便,噪音低,泥浆少,进度快

缺点:桩承载力低、受机械影响大,只能用做复合地基,不能用做桩基础,桩内无钢筋,抗水平力差

同地质条件下三种不同桩基形式的技术指标对比情况:


同地质条件下三种不同桩基形式的经济指标对比


四、总结

1、经多方面比选,该项目最终选用管桩施工,可节约成本约100.51万元;后期开发的二期、三期均可采用管桩施工。

2、各项目地质条件不同,选用方案均不同,通常设计院根据勘察报告都会选用保守思路,因此在项目前期要多参与沟通,以达到项目成本双赢。

3、成本管控前置,从勘察报告入手,根据不同桩基形式进行数据对比,选取最优方案,在满足结构需求的前提下,尽可能的优化现场管理、节约成本。