預應力混凝土管樁與空心方樁比較分析

0 引言

隨著城市建設的迅速發展，各類高層建筑日益增多。眾所周知，基礎底面荷載隨著建筑物層數的增加而增大，特別是在我國一些沿海地區，存在大部分軟土地基，其承載力低、壓縮性大，不能作為天然地基。樁基是處理高層建筑地基和軟弱地基的常用方法之一，可滿足上述要求。

當建筑采用樁基礎時，其基礎部分的造價往往在整個建筑物投資中占據較大比例——樁基工程造價通常占土建工程總造價的1/4左右，其質量好壞將直接關系到整座建筑的安全，并直接影響工程造價。如何選擇合理的樁基礎形式，對于保證安全、節約投資、降低造價起著舉足輕重的作用。這就要求設計人員對每個建筑物的勘察報告進行仔細分析，選擇經濟合理的樁型，采用最優化的基礎方案。樁基礎設計最關鍵的一步就是確定持力層，選擇樁型并確定其形狀、截面尺寸和樁長。因此，合理選擇樁型與樁長，將產生較好的經濟效果。

1 常用樁型特點比較

目前，上海高層住宅常用的樁型主要有鉆孔灌注樁、預應力管樁和預應力混凝土空心方樁3種[1]。

鉆孔灌注樁是一種非擠土樁，對周圍環境要求低，對鄰近建筑及管線的影響小，可以和圍護樁同時施工以減少工期，可以進入PS值較大的砂土層，并充分利用砂土層的高摩阻力來提高單樁承載力。但由于采用現場混凝土地下澆筑，鉆孔泥漿護壁，使得成樁質量難以控制，施工工期長，且泥漿污染嚴重。

預應力管樁和預應力混凝土空心方樁共有的特點是設計選用范圍廣、對持力層起伏大的地質條件適用性強、施工現場整潔文明、接樁快捷可靠、施工速度快、監理和檢測方便、成樁質量較可靠，但沉樁時通過Ps較大的砂土層很困難。根據圖集[2、3]，工程中盡量減少接樁。接樁宜在樁尖穿過硬土層后進行，應避免樁尖接近硬持力層或處于硬持力層中接樁，且任一單樁的接頭不宜超過3個，故樁長受到限制。根據技術經濟指標的先進性和工程質量的一般要求，預應力混凝土管樁和預應力混凝土空心方樁不適宜于在孤石和障礙物多、石灰巖地層、有堅硬隔層及從松軟突變到特別堅硬的地層中施工，其適用的地層為流塑、軟塑狀態的軟弱地基,持力層宜為黏土層、砂層、深埋基巖，以及強風化巖層或風化殘積土層較厚的地層，尤其適用于軟弱土層較厚的地基。

可見，這3種樁型各有利弊，設計人員應根據工程實際情況選擇最優化的基礎方案。

2 工程概況

保集·美羅家園二期工程位于上海市寶山區羅店鎮的西部，總用地面積約25 320m2，總建筑面積約60 205.86m2。其主要建筑物包括4棟18層高層住宅樓、2棟14層高層住宅樓、1幢3層配套公建、2幢單層變電所和1座地下一層的獨立地下車庫（圖1）。

圖1 項目總平面圖

其中，1#、2#樓為地下1層、地上14層高層住宅樓，建筑總高度40.200m，局部樓梯及電梯機房處屋面高度44.3m。3#～6#樓為地下1層、地上18層高層住宅，建筑總高度51.6m，局部樓梯及電梯機房處屋面高度55.7m。住宅樓結構形式均為剪力墻結構，剪力墻及連梁抗震等級為三級。配套公建無地下室，結構形式為框架結構。地下車庫為框架結構，層高3m，頂板覆土1.2～1.5m。兩個單層變電所為單層框架結構，采用坡屋面，地下設1個設備夾層，層高2.5m，建筑高度為6.66m。

2.1 基礎形式

本場地抗震設防烈度為7度，設計基本地震加速度值為0.10g，設計地震分組為第一組，建筑場地類別為IV類，處于對建筑抗震不利地段。基礎設計等級均為乙級，安全等級為二級，樁基礎設計等級為乙級。1#～6#樓為筏板基礎，基礎持力層為⑧2-1層土；配套公建為樁基礎加獨立承臺，基礎持力層為⑦2層土；地下車庫和變電所為天然基礎，基礎形式為筏板基礎。

2.2 土質情況

根據本場地的勘探資料，場地內15m左右以上主要由軟-流塑狀黏性土組成，地基土強度較低；而⑥層硬土層的PS幅度值為2.52～3.26MPa，⑦1、⑦2層粉性土的PS幅度值分別為2.95～4.62MPa、6.47～10.85MPa，場地內分布的⑧2-1層粉質黏土與砂質粉土互層，為稍密狀，PS平均值為3.88MPa；而⑧1-1、⑧1-2層主要以軟塑狀黏性土為主，PS平均值在0.96～1.33MPa。因此，按目前樁基的實際施工能力，對于樁端穿過⑦1和⑦2層土，進入⑧2-1層的擠土樁基，在合理配置沉樁機具的前提下，沉樁可以實現。

由于擬建場地周邊環境比較簡單，無密集或重要建筑物分布，結合上部結構剪力墻布置、荷載分布及施工條件等因素，綜合分析后決定采用預制樁方案，樁尖采用開口型鋼樁尖。根據圖集[2]中預應力管樁選用范圍，“用于抗震設防烈度7度、8度地區的管樁基礎工程，宜選用AB型或B型、C型管樁，且所選樁型的各項力學指標應滿足設計要求及有關規范的規定”。預應力管樁用作摩擦型樁時，其長徑比不宜大于100mm；用作端承型樁時，其長徑比不宜大于80mm。預應力混凝土空心方樁用作端承樁時，其長細比（樁長與截面邊長之比）不宜大于100mm，摩擦樁的長細比不宜大于120mm。當其穿越厚度小于2m的硬土層時，可選用A型或AB型樁；當其穿越厚度大于2m的堅硬土層時，宜選用AB型或B型樁，且樁的長細比不宜大于100mm。為了在此4種樁型中選擇最合適的樁型，筆者以4#高層住宅樓(剪力墻結構)為研究對象，對此4種樁基方案進行分析比較。

3 計算分析

3.1 樁型計算

根據浙江省工程勘察院提供的《保集·美羅家園二期工程巖土工程勘察資料》（詳細勘察階段）中的樁基承載力設計參數表（表 1）和《建筑樁基技術規范》（JGJ 94—2008）第5.3.8條確定的敞口預應力混凝土空心單樁豎向極限承載力標準值，取孔點J1、J2、J3計算。計算結果和樁型詳見表2。

式中，A —空心樁樁端凈面積，管樁

j空心方樁d、b、d分別為空心樁外徑、邊

41長和內徑；

λp—樁端土塞效應系數；當hb/d1＜5時，λp=0.16hb/d1；當hb/d1≥5時，λp=0.8。

根據表2和單樁豎向靜載荷試驗結果：樁型①HKFZ-AB 350(170)豎向承載力特征值最終取1 300kN，樁型②HKFZ-AB 400(220)豎向承載力特征值最終取1 530kN，樁型③PHC 400 AB 95豎向承載力特征值最終取1 190kN，樁型④PHC 500 AB 100豎向承載力特征值最終取1 515kN。則單樁豎向承載力特征值從大到小依次為：樁型②＞樁型④＞樁型①＞樁型③。

表1 樁基承載力設計參數表

表2 4#樓單樁豎向承載力計算表

3.2 樁基方案造價對比分析

表3對4種樁基方案的造價進行了對比。分析表3可知：所用樁的數量由多到少依次為樁型③＞樁型①＞樁型④＞樁型②，混凝土用量由多到少依次為樁型④＞樁型②樁型＞樁型③＞樁型①，總造價由多到少依次為樁型④＞樁型①＞樁型③＞樁型②。

（1）樁型①的單樁豎向承載力特征值、樁的數量和總造價介于樁型③和樁型④之間，混凝土用量最少。

（2）樁型②的單樁豎向承載力特征值最大，用樁數量最少，總造價最低，混凝土用量比樁型③多、比樁型④少。

（3）樁型③的單樁豎向承載力特征值最小，用樁數量最多，總造價低于樁型①、高于樁型②，混凝土用量比樁型①多、比樁型②少。

（4）樁型④的總造價最高，樁的數量比樁型②多1根，其單樁豎向承載力特征值小于樁型②、大于樁型①，混凝土用量最多。

3.3 沉樁擠土效應分析

預應力管樁和預應力混凝土空心方樁為擠土樁，沉樁過程是一個非常復雜的過程。在此過程中，會同時產生擠土效應和土賽效應, 且兩者是相互影響、相互制約的。成樁過程中的擠土作用,使樁周土擾動重塑,土體結構破壞，側向壓應力增加, 對于非飽和土, 由于土受擠而增密, 土越松軟黏性越低, 擠密效應越明顯；對于飽和黏性土，由于瞬時排水固結效應不顯著, 體積壓縮變形小, 引起超空隙水壓力土體產生橫向位移和豎向隆起，并對周圍建筑物及地下管線產生一定的影響。總之沉樁產生的擠土效應對施工的影響是無法忽略的。因此設計人員在樁基設計選型時應選擇擠土效應小的樁型，在施工中采取減小擠土效應的施工措施（例如：控制壓樁速度、布設應力釋放孔、預磚排水孔、開挖防擠溝、合理安排沉樁順序等）。

4種樁型的擠土量見表4,可以看出：單樁排土量由小到大依次為樁型①＜樁型③＜樁型②＜樁型④；而總排土量由小到大為：樁型①＜樁型②＜樁型③＜樁型④。由此我們可以得出：樁型①擠土量最少, 擠土效應也最小。

3.4 最佳樁基方案確定

使用中國建筑科學研究院建筑工程軟件研究所編制的《多層及高層建筑結構空間有限元分析與設計軟件之SATWE》和《獨基、條基、鋼筋混凝土地基梁、樁基礎和筏板基礎設計軟件JCCAD》（2012年6月版），對本工程進行結構整體分析和基礎設計計算。

由表4可以看出，樁型②和樁型④樁的數量雖少，但擠壓土量并不是最少的；但是根據上部結構剪力墻的布置，從受力角度來講，樁型①更為合適。經綜合分析比較，確定樁型①是最合適的樁型，其樁位平面布置圖見圖2。

由此可見，最經濟的方案不一定是最合理的，這就要求結構設計師在設計過程中，根據實際情況綜合分析進行多方案比選，選擇最適合的樁型。為節約成本，避免截樁造成不必要的浪費，在繪制施工圖時，一定要精確定義樁的長度、樁頂標高及樁底標高。

表3 4種樁基方案的造價對比表

表4 四種樁型的擠土量

圖2 樁型①樁位平面布置圖

4 結語

一般來說,高層住宅樁基的單樁承載力不宜選擇過高或過低。若單樁設計承載力選用過大，樁的總根數就會太少，不好布置；若單樁設計承載力選用過低，則可能會由于樁數太多，而無法滿足規范規定的樁間距要求，給沉樁帶來困難，并且會增大預制樁的擠土效應。因此，設計時應選擇合適的單樁承載力，即選擇合適的樁長、樁徑和樁基持力層。

本案例對4種樁型的對比選用，為今后地基基礎樁型的選擇設計提供了寶貴經驗。但這并不是說我們今后對樁基的設計都必須選用預應力混凝土空心方樁。每一種樁型都有其合理性和局限性。在樁基工程設計中，設計人員要根據實際的場地條件、地質情況、工期、建設區域抗震設防烈度、上部結構特點、荷載大小及性質、施工條件、沉樁設備、綜合造價、環境等因素，采用多方案比選，揚長避短，選擇合理的樁型。同時， 我們也應重視新技術、新材料的開發和利用，研發應用新型樁基，努力發掘成本更低、適用范圍更廣的樁型。

參考文獻：

[1]王新.上海地區高層住宅的樁型選擇[J].住宅科技,2001(01):12-15.

[2]中國建筑標準設計研究院.10G409,預應力混凝土管樁圖集[S].

[3]2012滬G/T—502,HKFZ/KFZ先張法預應力混凝土空心方樁[S].