【從“工程匠”到“工程師”】強風化巖層地區(qū)樁基優(yōu)化

白緯

白緯從事工業(yè)與民用建筑設計四十多年，感覺自己的工作像是“工程匠”，并不需要多少創(chuàng)意，只要套用教科書與規(guī)范上的規(guī)定就可以了。　　直到白緯在復合樁基設計與計算方面有所感悟后，才開始感覺自己這個工程師可以說是名副其實的了。　　本文介紹白緯參加浙北強風化巖層地區(qū)樁基優(yōu)化的經(jīng)驗與探討。? 　　2005年，設計院設計的浙北地區(qū)某市富康高層住宅小區(qū)工程，由白緯參加結(jié)構(gòu)設計部分的校核。　　富康高層住宅小區(qū)工程的地面以下是厚度45～50米左右的淤泥質(zhì)黏土與粉質(zhì)黏土，其下是厚度10~15米左右的圓礫與卵石層，然后是厚度15米左右的全風化花崗巖、厚度5米左右的強風化花崗巖，最后才是中風化花崗巖。? 　　　　一、一期工程抗浮樁設計爭議　　富康高層住宅小區(qū)的一期工程為六幢二十四層住宅，整個小區(qū)地下設置一層地下室。 　　一期工程地質(zhì)勘察報告的“結(jié)論與建議”建議采用中風化花崗巖作為樁端持力層，采用0.8米直徑的鉆孔灌注樁；建議抗浮樁采用預應力鋼筋混凝土管樁或鉆孔灌注樁。　　一期工程的結(jié)構(gòu)設計人宋工依照地質(zhì)勘察報告的“結(jié)論與建議”，對二十四層住宅主樓的樁基，采用0.8米直徑、70米長的鉆孔灌注樁，樁端持力層為中風化花崗巖；對各幢高層住宅之間的外擴地下室抗浮樁采用0.55米直徑，長50米的預應力鋼筋混凝土管樁，抗拔承載力90噸。　　白緯看了設計圖后，認為主樓的樁基設計部分雖然沒有考慮地下水浮力的影響，但也算是中規(guī)中矩，但是抗浮樁的設計明顯有問題，一是管樁的單樁抗拔承載力取值太高，二是外擴地下室的抗浮計算值明顯偏大。等到仔細查看了宋工的結(jié)構(gòu)計算書后，就心中有數(shù)了，于是請宋工來解釋他的抗浮樁設計思路。　　宋工解釋說：“這個工程外擴地下室的抗浮計算是按地下室底板與側(cè)墻板完成、地下水位達到室外地坪標高的最危險情況算出來的。按每根柱下布置一根抗拔樁，因此單樁抗拔承載力就需要達到90噸。比采用鉆孔灌注樁作抗拔樁要降低50%?！?lt;/p>　　白緯指出：“第一點，宋工假設的抗浮計算這種工況實際上是不大可能出現(xiàn)，因為前提是暴雨或洪水襲來時，工地上卻必須保證敞開的地下室內(nèi)沒有進水，難道是在敞開的地下室頂上加蓋了一頂大帳篷？即使出現(xiàn)地下室頂板尚未施工時，井點抽水因故停止，而地下水位達到室外地坪標高的最危險情況，只要往地下室灌水就能夠解決問題了。因此完全沒有必要設置抗拔承載力這么高的抗浮樁。　　“第二點，按你們的設計圖，管樁作為抗拔樁增加6根直徑25毫米的非預應力鋼筋，并焊接在端板上；50米長的管樁有5節(jié)，對端板之間的焊接也要滿足抗拔要求?，F(xiàn)在可以估算了一下，每根鋼筋與端板的焊接長度為 875毫米，6根鋼筋與端板的焊接長度為共5.25米，端板上根本就擠不下！還有，每根50米長的抗浮管樁分成5節(jié)，有4對端板要相互進行焊接，焊接要求最高能夠承受500噸的拉力；所有的抗浮樁加起來有上千個管樁接頭，這種焊接要求根本是不可能達到的。我打聽了一下，管樁廠說生產(chǎn)這樣的管樁幾乎是不可能的，一定要定做的話，造價肯定會很高的；施工單位說，這么高的端板焊接要求，單獨做十根八根還是能夠做出來了，大規(guī)模的做根本就是騙人。　　“因此，我認為抗浮計算的工況還是按地下室全部完成、地下水位達到室外地坪標高的工況進行計算；萬一施工階段出現(xiàn)井點抽水停止、地下室尚未完工的情況，就要求施工單位往地下室灌水?？垢犊梢钥紤]采用直徑0.426米的沉管灌注樁，造價應該比鉆孔灌注樁低得多了?！?lt;/p>　　大家討論下來，決定采用白緯的建議。 　　　　二、二期工程樁基礎設計爭議　　富康高層住宅小區(qū)的二期工程為十五幢十八層住宅，整個小區(qū)地下設置一層地下室。 　　二期工程地質(zhì)勘察報告的“結(jié)論與建議”同樣建議采用中風化花崗巖作為樁端持力層，采用0.8米直徑的鉆孔灌注樁；建議抗浮樁采用預應力鋼筋混凝土管樁或鉆孔灌注樁。　　設計二期工程的是楊工，她汲取了一期工程的經(jīng)驗教訓，在初步設計時，擬對二期工程的十八層住宅采用0.8米直徑、70米長的鉆孔灌注樁，樁端持力層為中風化花崗巖；對各幢高層住宅之間的外擴地下室抗浮樁采用直徑0.426米、40米長的的沉管灌注樁。　　業(yè)主正好在此時來設計院，反應一個大問題，就是一期工程的鉆孔灌注樁施工進度很慢，嚴重影響整個工程的施工進度。　　同來的施工單位技術人員說：“主要原因是鉆頭鉆進到中風化花崗巖時，一個小時只能鉆進不到１厘米，而且鉆頭磨損嚴重，差不多鉆一根樁后就必須換鉆頭，成本太高了?！?lt;/p>　　白緯在旁插話說：“你們用的是合金鋼鉆頭吧？換金剛石鉆頭鉆進速度一定會快的。”　　施工單位技術人員說：“原來你是內(nèi)行啊。確實用的是合金鋼鉆頭，但是我們整個公司都沒有用過金剛石鉆頭，因此沒有這種鉆頭?！?lt;/p>　　白緯說：“我以前在地質(zhì)隊干過。關于這個工程的樁施工問題，我個人的意見是，這種長度達到70米長的鉆孔灌注樁，實際上主要是摩擦樁了，端阻力已經(jīng)不是關鍵因素。因此建議先選幾根達到靜載荷試樁要求的樁，進行靜載荷試樁，并且必須壓到極限承載力，估計壓樁結(jié)果將遠超設計值。如果結(jié)果如我所料，則可以將樁端進入中風化花崗巖0.8米的要求，修改為進入0.1米?！?lt;/p>　　業(yè)主與施工單位接受了白緯的建議。 　　注：后續(xù)結(jié)果正如白緯所料，于是設計院總工決定對富康高層住宅小區(qū)整個工程的鉆孔灌注樁施工要求，都修改成樁端進入0.1米。? 　　這次業(yè)主來設計院的另一個主要目的，是對十八層高層住宅的樁基設計提出意見，他說：“現(xiàn)在采用鉆孔灌注樁的進度無論如何也快不起來。我們工程附近的威遠小區(qū)都是十三層的小高層住宅，采用的是50米長的預應力管樁，樁端持力層就是圓礫與卵石層?，F(xiàn)在已經(jīng)竣工兩年多了，竣工時實測沉降量一般都在2厘米以內(nèi)，雖然沒有進行長期沉降觀測，但現(xiàn)在目測沉降量幾乎沒有多少發(fā)展。我們這里的十三、四層高層住宅基礎，一般都是采用預應力管樁的，至今沒有聽說出現(xiàn)過問題的?，F(xiàn)在請設計院考慮一下，我們的二期工程能否采用預應力管樁基礎？”　　設計院為此組織論證會。二期工程的結(jié)構(gòu)負責人楊工說：“現(xiàn)在最主要的問題是，我用JCCAD軟件計算了一幢采用50米長預應力管樁的十八層住宅沉降，計算值達到25厘米，超過規(guī)范規(guī)定。這一點不解決的話，實際沉降結(jié)果先不說，設計審查是通不過的?！?lt;/p>　　白緯說：“我曾在上海設計單位工作過十一年，遇到過類似豐盛苑這樣‘淺埋硬土’的樁基工程。如上海閘北區(qū)三幢廿層住宅，在地面以下7.5米處為9米厚的中密—密實狀態(tài)粉細砂，粉細砂層下為8.5米厚粉質(zhì)黏土，良好的樁端持力層在地面以下25米處。采用8米長的預制鋼筋混凝土方樁，建成后進行長期沉降觀測，實測推算最終沉降為34厘米。　　“而與這三幢廿層住宅隔路相望、相距僅數(shù)百米處，我在上海工作的設計院設計了一幢八層（局部十層）辦公樓，地質(zhì)條件與廿層住宅類似，采用6.5米長的預制鋼筋混凝土方樁，竣工時實測沉降小于2厘米。４年后我曾去過現(xiàn)場，看不出這幢辦公樓的沉降有繼續(xù)發(fā)展的任何跡象。　　“后來我又收集了上海的21例‘淺埋硬土層’工程實例，發(fā)現(xiàn)‘淺埋硬土層’地區(qū)樁基沉降計算的精度，與‘淺埋硬土層’的厚度有關，厚度越大，沉降計算值越偏大。?當‘淺埋硬土層’厚度大于5米，6~7層住宅的樁基沉降計算值明顯大于實測推算最終沉降值；當‘淺埋硬土層’厚度接近10米時，10層以下住宅的樁基沉降計算值明顯大于實測推算最終沉降值。　　“現(xiàn)在業(yè)主提供的威遠小區(qū)地下‘淺埋硬土層’厚度為10~15米，十三層住宅的樁基實測沉降值遠小于計算值。由此可見豐盛苑的樁基沉降計算，也可以參考當?shù)氐膶嵺`經(jīng)驗進行修正。何況卵礫石層樁基礎的沉降收斂速度遠快于軟土樁基礎。因此，即使豐盛苑二期工程的實際最終沉降達到10厘米左右，也可以考慮在施工階段完成了70～80%的最終沉降量。這樣的話，只要在主樓與外擴地下室之間設置后澆帶，并在整個工程完工時澆筑后澆帶，并在配筋計算時考慮沉降差，就能夠滿足要求的。”　　設計院總師室討論下來，決定接受業(yè)主的意見，對二期工程采用50米長的預應力管樁，樁端持力層就是圓礫與卵石層，并要求工程竣工后還要進行沉降觀測；關于沉降計算方面的問題，由業(yè)主出面與設計審查人進行溝通。 　　富康高層住宅小區(qū)二期工程竣工時的實測沉降值為２厘米左右，竣工后的沉降觀測延續(xù)了兩年，實測推算最終沉降值不超過4厘米。　　二期工程的管樁樁基造價比原定的鉆孔灌注樁基礎降低45％左右，而且建設工期所縮短了四五個月。業(yè)主表示非常滿意。? 　　　　　　　三、感想　　由于碎石土、卵礫石、全風化巖與強風化巖均很難取得不擾動土樣，并通過室內(nèi)試驗求得其壓縮性等工程特性數(shù)據(jù)。因此，計算高層建筑卵礫石層樁基沉降所需的計算參數(shù)之獲取，存在著天然的困難，一時難以得到完美的結(jié)果。　　由此可見，高層建筑卵礫石層樁基的沉降計算，應該在長期沉降觀測數(shù)據(jù)的支持下，取得適合本地地質(zhì)情況的沉降計算修正系數(shù)。　　不過，由于卵礫石層樁基的沉降收斂遠快于軟土地基，因此一般只要進行三～五年的沉降觀測，就能夠獲得合適的結(jié)果。?

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