基于靜載試驗(yàn)的樁基優(yōu)化設(shè)計(jì)

劉小虎 羅建鵬 宋修平 陳新喜 王晨偉 張雙龍

中國(guó)建筑股份有限公司阿爾及利亞公司 北京 100125

1 樁基設(shè)計(jì)基本信息

1.1 基本信息

阿爾及利亞機(jī)場(chǎng)項(xiàng)目建筑面積200 000 m2，基底面積60 000 m2，為3層框架結(jié)構(gòu)，主樓部分地下1層，層高6 m，地上2層，層高9 m，頂部為跨度120 m的鋼箱梁結(jié)構(gòu)；基礎(chǔ)采用φ1.5 m×30 m樁基，根據(jù)荷載要求，設(shè)計(jì)為4樁承臺(tái)、6樁承臺(tái)、9樁承臺(tái)。

指廊部分地下1層，地上2層，層高4 m，頂部為跨度30 m的鋼箱梁結(jié)構(gòu)；基礎(chǔ)采用φ1.5 m×40 m和φ1.2 m×40 m樁基，根據(jù)荷載要求，均采用4樁承臺(tái)。各類樁基的單樁設(shè)計(jì)承載力如表1所示。

表1 原設(shè)計(jì)樁基基本信息

1.2 基本土質(zhì)參數(shù)

地質(zhì)勘察試驗(yàn)包括取芯試驗(yàn)、旁壓試驗(yàn)、靜力穿透試驗(yàn)。地質(zhì)勘探報(bào)告表明，項(xiàng)目地質(zhì)勘查深度為40 m，下部地層土質(zhì)特征為“黃色硬質(zhì)黏土”，位于此次勘查的最深處；另外，該區(qū)域南部（指廊區(qū)域）表面覆蓋有一層厚度約為20 m的“灰色松軟黏土”。

1）黃質(zhì)硬黏土包括黏土和淤泥質(zhì)黏土，可塑性差，褐色，零星分散著厚約1 m、含有砂礫的碎石層和緊密結(jié)實(shí)的沙子。

2）灰質(zhì)軟黏土由黏土和淤泥質(zhì)黏土組成，歸為CL，軟塑性。該土壤存在于指廊區(qū)域表面部分，厚度約為20 m，呈灰色至灰藍(lán)色，并含有豐富的有機(jī)物質(zhì)，有時(shí)呈現(xiàn)出泥炭土的外觀。

1.3 樁基設(shè)計(jì)所使用的基本參數(shù)

本項(xiàng)目樁基設(shè)計(jì)所使用的基本參數(shù)來(lái)源為阿爾及利亞規(guī)范的相關(guān)規(guī)定，對(duì)于黃質(zhì)硬黏土，其極限側(cè)摩阻力特征值和極限樁端阻力特征值分別為40 kPa和1 575 kPa；而灰質(zhì)軟黏土均為0 kPa。

2 樁基優(yōu)化可行性分析

由于缺少在當(dāng)?shù)仡愃仆翆拥膶?shí)踐經(jīng)驗(yàn)，只能通過(guò)對(duì)已有地勘資料進(jìn)行分析，以及參考各類設(shè)計(jì)規(guī)范、設(shè)計(jì)手冊(cè)的經(jīng)驗(yàn)值，對(duì)樁基的實(shí)際承載力進(jìn)行初步的估算，以確定最終的優(yōu)化目標(biāo)[1-2]。

2.1 阿爾及利亞國(guó)家規(guī)范

本項(xiàng)目的樁基設(shè)計(jì)依據(jù)為阿爾及利亞當(dāng)?shù)貥?biāo)準(zhǔn)，按照當(dāng)?shù)匾?guī)范給定的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，無(wú)法進(jìn)行優(yōu)化。

2.2 中國(guó)樁基規(guī)范

根據(jù)JGJ 94—2008《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》5.3.5，對(duì)于黃質(zhì)硬黏土，其液性指數(shù)IL=－0.6，土體狀態(tài)屬于堅(jiān)硬，則極限側(cè)摩阻力特征值qsik=96～102 kPa，極限樁端阻力特征值qpk=1 600～1 800 kPa。

2.3 歐洲標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)EN1997-2:2007：對(duì)于粗粒土，可以根據(jù)相關(guān)表格確定單樁的承載力；對(duì)于黏土，只能通過(guò)試驗(yàn)方法進(jìn)行確定。

2.4 《基礎(chǔ)工程分析與設(shè)計(jì)》(第5版）

《基礎(chǔ)工程分析與設(shè)計(jì)》是國(guó)際上比較權(quán)威的關(guān)于地基與基礎(chǔ)的參考資料，據(jù)此對(duì)場(chǎng)地的承載力進(jìn)行分析與估算，具備一定的可靠性。經(jīng)計(jì)算，樁側(cè)摩阻力為158.4 kPa，樁端承載力為9 818 kPa（安全系數(shù)為3）。

上述分析表明，原有樁基設(shè)計(jì)的安全系數(shù)（估算值與設(shè)計(jì)值比較）為1.5～2.2（表2），可以通過(guò)必要的方法來(lái)獲得更為經(jīng)濟(jì)和安全的設(shè)計(jì)參數(shù)。

表2 樁基實(shí)際承載力估算

2.5 優(yōu)化目標(biāo)的確定

優(yōu)化目標(biāo)的確定須綜合考慮以下因素：

1）地基基礎(chǔ)的重要性能，以及計(jì)算數(shù)據(jù)的可靠性。

2）建設(shè)單位、原設(shè)計(jì)單位、政府審查機(jī)構(gòu)的心理可接受程度。

最終確定的優(yōu)化目標(biāo)以總體上提高承載力30%為基準(zhǔn)。具體優(yōu)化目標(biāo)如下：

1）φ1.2 m×25 m的樁的極限抗壓承載力達(dá)到原設(shè)計(jì)φ1.2 m×30 m（6 079 kN）的要求（15%）。

2）φ1.2 m×30 m的樁的極限抗壓承載力達(dá)到原設(shè)計(jì)φ1.5 m×30 m（8 155 kN）的要求（30%）。

3）φ1.2 m×35 m的樁的極限抗壓承載力達(dá)到原設(shè)計(jì)φ1.2 m×40 m（4 573 kN）的要求（33.3%）。

4）φ1.2 m×40 m的樁的極限抗壓承載力達(dá)到原設(shè)計(jì)φ1.5 m×40 m（6 038 kN）的要求（30%）。

3 樁基優(yōu)化過(guò)程

3.1 實(shí)現(xiàn)方案

為實(shí)現(xiàn)所設(shè)定的優(yōu)化目標(biāo)，在通過(guò)理論分析后，一個(gè)最重要的程序是，按照阿爾及利亞標(biāo)準(zhǔn)以及歐標(biāo)的相關(guān)規(guī)定，建立一套各方認(rèn)可的實(shí)施方案，作為試驗(yàn)的依據(jù)。

3.1.1 靜載試驗(yàn)的法理依據(jù)

1）阿爾及利亞設(shè)計(jì)規(guī)范DTR B.E.1.32《深基礎(chǔ)工程》第六章第2.1條規(guī)定：檢查地質(zhì)研究結(jié)論的預(yù)先試驗(yàn)是對(duì)鉆孔基樁或打樁進(jìn)行靜態(tài)加載的一些試驗(yàn)。這些基樁為獨(dú)立于工程和有代表性的工程基樁。

2）歐洲規(guī)范EN1997-1:2004《地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》7.4.1條規(guī)定，設(shè)計(jì)應(yīng)基于以下方法：

① 靜載試驗(yàn)結(jié)果，已通過(guò)計(jì)算得以證明，否則應(yīng)符合其他相關(guān)經(jīng)驗(yàn)。

② 經(jīng)驗(yàn)方法或分析計(jì)算方法，已通過(guò)可比情形下的靜載試驗(yàn)證明其有效性。

上述2款規(guī)范構(gòu)成了靜載試驗(yàn)的法理依據(jù)，依據(jù)規(guī)范規(guī)定，進(jìn)行靜載試驗(yàn)，優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)是可行的。

3.1.2 靜載試驗(yàn)的目的

試驗(yàn)的目的，即2.5節(jié)要實(shí)現(xiàn)的優(yōu)化目標(biāo)，不再贅述。

3.1.3 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)的加載程序均依據(jù)阿標(biāo)相關(guān)規(guī)定進(jìn)行，試驗(yàn)樁的定位按照歐標(biāo)要求，盡量靠近地勘點(diǎn)。

3.2 程序批準(zhǔn)

由上述3部分內(nèi)容（法理依據(jù)、試驗(yàn)?zāi)康摹⒃囼?yàn)方法）組成的規(guī)程性文件正式報(bào)審建設(shè)單位，并經(jīng)過(guò)建設(shè)單位、設(shè)計(jì)方、政府審查機(jī)構(gòu)審批完成后，整個(gè)試驗(yàn)的規(guī)程性文件就被各方認(rèn)可，成為開(kāi)展下一步工作的法規(guī)性文件。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)樁施工完畢后，靜載試驗(yàn)由阿爾及利亞當(dāng)?shù)刈畲蟮膰?guó)家試驗(yàn)室（簡(jiǎn)稱LCTP）實(shí)施，以確保試驗(yàn)過(guò)程的權(quán)威性和試驗(yàn)結(jié)果的可靠性（表3）。

表3 φ1.2 m×30 m試驗(yàn)樁記錄數(shù)據(jù)

按照各方認(rèn)可的流程，第10階段的承載力為工作程序設(shè)定的極限承載力QL，即9 730 kN；各試樁的極限承載力如表4所示。

試驗(yàn)表明，在給定的設(shè)計(jì)荷載下，單樁的豎向變形最大為6 mm（規(guī)范允許的極限變形為120 mm），最小為3 mm，具備很高的安全儲(chǔ)備，事實(shí)上具有更多的優(yōu)化空間；但受制于我們前期工作程序的設(shè)定，更多的優(yōu)化無(wú)法被各方接受。

表4 各試樁的極限承載力

3.4 優(yōu)化設(shè)計(jì)

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，來(lái)驗(yàn)證先前各方所設(shè)定的優(yōu)化目標(biāo)是否滿足，以原設(shè)計(jì)φ1.5 m×30 m（8 155 kN）為例。

1）優(yōu)化目標(biāo)：φ1.2 m×30 m實(shí)現(xiàn)φ1.5 m×30 m的設(shè)計(jì)目標(biāo)，即φ1.2 m×30 m的樁的極限承載力需要達(dá)到8 155 kN，且極限位移不能超過(guò)120 mm。

2）試驗(yàn)結(jié)果：極限承載力達(dá)到9 730 kN的條件下，極限位移為6.37 mm。

3）結(jié)論：試驗(yàn)結(jié)果達(dá)到了方案所預(yù)計(jì)的目標(biāo)，優(yōu)化目標(biāo)獲得認(rèn)可。

4 結(jié)語(yǔ)

在國(guó)際工程項(xiàng)目中，通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)價(jià)值工程，是總承包商獲得經(jīng)濟(jì)效益的一個(gè)重要手段。而工程師作為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的主要技術(shù)操控者，需具備如下三點(diǎn)能力：國(guó)際化的思維模式和程序化的工作模式；在國(guó)內(nèi)豐富的工程經(jīng)驗(yàn)和工程判讀能力，對(duì)工程細(xì)節(jié)的掌控能力；對(duì)當(dāng)?shù)匾?guī)范和國(guó)際規(guī)范的了解以及靈活的使用。

在本次價(jià)值工程實(shí)踐中，各類規(guī)范被按照以下邏輯進(jìn)行使用[3-4]：

1）通過(guò)國(guó)標(biāo)以及參考手冊(cè)提供的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)、計(jì)算分析方法，對(duì)價(jià)值工程的可實(shí)施性進(jìn)行技術(shù)預(yù)判——技術(shù)可行性確認(rèn)。

2）通過(guò)阿國(guó)標(biāo)準(zhǔn)、歐標(biāo)，為價(jià)值工程的可實(shí)施性提供法理依據(jù)——路線合法性確認(rèn)。