【从“工程匠”到“工程师”】强风化岩层地区桩基优化

白纬

　　白纬从事工业与民用建筑设计四十多年，感觉自己的工作像是“工程匠”，并不需要多少创意，只要套用教科书与规范上的规定就可以了。

　　直到白纬在复合桩基设计与计算方面有所感悟后，才开始感觉自己这个工程师可以说是名副其实的了。

　　本文介绍白纬参加浙北强风化岩层地区桩基优化的经验与探讨。

 

　　2005年，设计院设计的浙北地区某市富康高层住宅小区工程，由白纬参加结构设计部分的校核。

　　富康高层住宅小区工程的地面以下是厚度45～50米左右的淤泥质黏土与粉质黏土，其下是厚度10~15米左右的圆砾与卵石层，然后是厚度15米左右的全风化花岗岩、厚度5米左右的强风化花岗岩，最后才是中风化花岗岩。

 

　　　　一、一期工程抗浮桩设计争议

　　富康高层住宅小区的一期工程为六幢二十四层住宅，整个小区地下设置一层地下室。

　　一期工程地质勘察报告的“结论与建议”建议采用中风化花岗岩作为桩端持力层，采用0.8米直径的钻孔灌注桩；建议抗浮桩采用预应力钢筋混凝土管桩或钻孔灌注桩。

　　一期工程的结构设计人宋工依照地质勘察报告的“结论与建议”，对二十四层住宅主楼的桩基，采用0.8米直径、70米长的钻孔灌注桩，桩端持力层为中风化花岗岩；对各幢高层住宅之间的外扩地下室抗浮桩采用0.55米直径，长50米的预应力钢筋混凝土管桩，抗拔承载力90吨。

　　白纬看了设计图后，认为主楼的桩基设计部分虽然没有考虑地下水浮力的影响，但也算是中规中矩，但是抗浮桩的设计明显有问题，一是管桩的单桩抗拔承载力取值太高，二是外扩地下室的抗浮计算值明显偏大。等到仔细查看了宋工的结构计算书后，就心中有数了，于是请宋工来解释他的抗浮桩设计思路。

　　宋工解释说：“这个工程外扩地下室的抗浮计算是按地下室底板与侧墙板完成、地下水位达到室外地坪标高的最危险情况算出来的。按每根柱下布置一根抗拔桩，因此单桩抗拔承载力就需要达到90吨。比采用钻孔灌注桩作抗拔桩要降低50%。”

　　白纬指出：“第一点，宋工假设的抗浮计算这种工况实际上是不大可能出现，因为前提是暴雨或洪水袭来时，工地上却必须保证敞开的地下室内没有进水，难道是在敞开的地下室顶上加盖了一顶大帐篷？即使出现地下室顶板尚未施工时，井点抽水因故停止，而地下水位达到室外地坪标高的最危险情况，只要往地下室灌水就能够解决问题了。因此完全没有必要设置抗拔承载力这么高的抗浮桩。

　　“第二点，按你们的设计图，管桩作为抗拔桩增加6根直径25毫米的非预应力钢筋，并焊接在端板上；50米长的管桩有5节，对端板之间的焊接也要满足抗拔要求。现在可以估算了一下，每根钢筋与端板的焊接长度为 875毫米，6根钢筋与端板的焊接长度为共5.25米，端板上根本就挤不下！还有，每根50米长的抗浮管桩分成5节，有4对端板要相互进行焊接，焊接要求最高能够承受500吨的拉力；所有的抗浮桩加起来有上千个管桩接头，这种焊接要求根本是不可能达到的。我打听了一下，管桩厂说生产这样的管桩几乎是不可能的，一定要定做的话，造价肯定会很高的；施工单位说，这么高的端板焊接要求，单独做十根八根还是能够做出来了，大规模的做根本就是骗人。

　　“因此，我认为抗浮计算的工况还是按地下室全部完成、地下水位达到室外地坪标高的工况进行计算；万一施工阶段出现井点抽水停止、地下室尚未完工的情况，就要求施工单位往地下室灌水。抗浮桩可以考虑采用直径0.426米的沉管灌注桩，造价应该比钻孔灌注桩低得多了。”

　　大家讨论下来，决定采用白纬的建议。

　　　　二、二期工程桩基础设计争议

　　富康高层住宅小区的二期工程为十五幢十八层住宅，整个小区地下设置一层地下室。

　　二期工程地质勘察报告的“结论与建议”同样建议采用中风化花岗岩作为桩端持力层，采用0.8米直径的钻孔灌注桩；建议抗浮桩采用预应力钢筋混凝土管桩或钻孔灌注桩。

　　设计二期工程的是杨工，她汲取了一期工程的经验教训，在初步设计时，拟对二期工程的十八层住宅采用0.8米直径、70米长的钻孔灌注桩，桩端持力层为中风化花岗岩；对各幢高层住宅之间的外扩地下室抗浮桩采用直径0.426米、40米长的的沉管灌注桩。

　　业主正好在此时来设计院，反应一个大问题，就是一期工程的钻孔灌注桩施工进度很慢，严重影响整个工程的施工进度。

　　同来的施工单位技术人员说：“主要原因是钻头钻进到中风化花岗岩时，一个小时只能钻进不到１厘米，而且钻头磨损严重，差不多钻一根桩后就必须换钻头，成本太高了。”

　　白纬在旁插话说：“你们用的是合金钢钻头吧？换金刚石钻头钻进速度一定会快的。”

　　施工单位技术人员说：“原来你是内行啊。确实用的是合金钢钻头，但是我们整个公司都没有用过金刚石钻头，因此没有这种钻头。”

　　白纬说：“我以前在地质队干过。关于这个工程的桩施工问题，我个人的意见是，这种长度达到70米长的钻孔灌注桩，实际上主要是摩擦桩了，端阻力已经不是关键因素。因此建议先选几根达到静载荷试桩要求的桩，进行静载荷试桩，并且必须压到极限承载力，估计压桩结果将远超设计值。如果结果如我所料，则可以将桩端进入中风化花岗岩0.8米的要求，修改为进入0.1米。”

　　业主与施工单位接受了白纬的建议。

　　注：后续结果正如白纬所料，于是设计院总工决定对富康高层住宅小区整个工程的钻孔灌注桩施工要求，都修改成桩端进入0.1米。

 

　　这次业主来设计院的另一个主要目的，是对十八层高层住宅的桩基设计提出意见，他说：“现在采用钻孔灌注桩的进度无论如何也快不起来。我们工程附近的威远小区都是十三层的小高层住宅，采用的是50米长的预应力管桩，桩端持力层就是圆砾与卵石层。现在已经竣工两年多了，竣工时实测沉降量一般都在2厘米以内，虽然没有进行长期沉降观测，但现在目测沉降量几乎没有多少发展。我们这里的十三、四层高层住宅基础，一般都是采用预应力管桩的，至今没有听说出现过问题的。现在请设计院考虑一下，我们的二期工程能否采用预应力管桩基础？”

　　设计院为此组织论证会。二期工程的结构负责人杨工说：“现在最主要的问题是，我用JCCAD软件计算了一幢采用50米长预应力管桩的十八层住宅沉降，计算值达到25厘米，超过规范规定。这一点不解决的话，实际沉降结果先不说，设计审查是通不过的。”

　　白纬说：“我曾在上海设计单位工作过十一年，遇到过类似丰盛苑这样‘浅埋硬土’的桩基工程。如上海闸北区三幢廿层住宅，在地面以下7.5米处为9米厚的中密—密实状态粉细砂，粉细砂层下为8.5米厚粉质黏土，良好的桩端持力层在地面以下25米处。采用8米长的预制钢筋混凝土方桩，建成后进行长期沉降观测，实测推算最终沉降为34厘米。

　　“而与这三幢廿层住宅隔路相望、相距仅数百米处，我在上海工作的设计院设计了一幢八层（局部十层）办公楼，地质条件与廿层住宅类似，采用6.5米长的预制钢筋混凝土方桩，竣工时实测沉降小于2厘米。４年后我曾去过现场，看不出这幢办公楼的沉降有继续发展的任何迹象。

　　“后来我又收集了上海的21例‘浅埋硬土层’工程实例，发现‘浅埋硬土层’地区桩基沉降计算的精度，与‘浅埋硬土层’的厚度有关，厚度越大，沉降计算值越偏大。 当‘浅埋硬土层’厚度大于5米，6~7层住宅的桩基沉降计算值明显大于实测推算最终沉降值；当‘浅埋硬土层’厚度接近10米时，10层以下住宅的桩基沉降计算值明显大于实测推算最终沉降值。

　　“现在业主提供的威远小区地下‘浅埋硬土层’厚度为10~15米，十三层住宅的桩基实测沉降值远小于计算值。由此可见丰盛苑的桩基沉降计算，也可以参考当地的实践经验进行修正。何况卵砾石层桩基础的沉降收敛速度远快于软土桩基础。因此，即使丰盛苑二期工程的实际最终沉降达到10厘米左右，也可以考虑在施工阶段完成了70～80%的最终沉降量。这样的话，只要在主楼与外扩地下室之间设置后浇带，并在整个工程完工时浇筑后浇带，并在配筋计算时考虑沉降差，就能够满足要求的。”

　　设计院总师室讨论下来，决定接受业主的意见，对二期工程采用50米长的预应力管桩，桩端持力层就是圆砾与卵石层，并要求工程竣工后还要进行沉降观测；关于沉降计算方面的问题，由业主出面与设计审查人进行沟通。

　　富康高层住宅小区二期工程竣工时的实测沉降值为２厘米左右，竣工后的沉降观测延续了两年，实测推算最终沉降值不超过4厘米。

　　二期工程的管桩桩基造价比原定的钻孔灌注桩基础降低45％左右，而且建设工期所缩短了四五个月。业主表示非常满意。

 

　　　　　　　三、感想

　　由于碎石土、卵砾石、全风化岩与强风化岩均很难取得不扰动土样，并通过室内试验求得其压缩性等工程特性数据。因此，计算高层建筑卵砾石层桩基沉降所需的计算参数之获取，存在着天然的困难，一时难以得到完美的结果。

　　由此可见，高层建筑卵砾石层桩基的沉降计算，应该在长期沉降观测数据的支持下，取得适合本地地质情况的沉降计算修正系数。

　　不过，由于卵砾石层桩基的沉降收敛远快于软土地基，因此一般只要进行三～五年的沉降观测，就能够获得合适的结果。