濱海地貌下預應力樁基綜合優化平衡分析

■ 奚岳峰XI Yuefeng

1 概述

根據上海市政府頒發的《上海市城鄉建設和管理“十三五”規劃》（以下簡稱《規劃》），上海的住房市場體系以完善居住、開發普通商品住房為主。至2020年，將著力深化完善廉租住房、公共租賃住房、共有產權保障住房、征收安置住房“四位一體”、購租并舉的住房保障體系，新增各類保障性住房約30萬套。

作為國內特大型城市的上海，建設用地日趨稀缺，為能達到對城市土地的集約利用，有效降低工程的綜合造價，目前的保障性住房多向近郊或遠郊發展，并以高層住宅建設為主，層數多為12～18層。

因保障性住房選址的周邊環境相對寬松，考慮預應力樁為工廠預制，有造價、工期、質量等諸方面的優勢，故廣泛應用于目前的保障性住房建設。在2015年11月10日召開的中央財經領導小組第十一次會議上，習近平總書記提出：“在適度擴大總需求的同時，著力加強供給側結構性改革，著力提高供給體系質量和效率，增強經濟持續增長動力。”在上海的地貌單元中，若不考慮長江口各島嶼，濱海平原地貌及類似地貌（湖沼I2區）占比約近70%；考慮到樁基工程技術上存在不確定性，質量上風險點較為突出，且其造價占比較高，故對濱海平原地貌下高層住宅的預應力樁基工程進行綜合優化，藉此獲得良好的社會效益和經濟效益[1]，是為加強工程建設供給側結構性改革的重要舉措之一。

2 樁基優化目的與流程

2.1 濱海平原工程地質概況

根據地質勘探，濱海平原地基土的層次及主要特征如表1所示。考慮高層住宅基底荷載較大，同時兼顧沉樁可行性，一般選擇第⑦1層（砂質粉土或粉砂）的中下部或第⑦2層（一般為粉砂）的上部作為預應力樁基持力層[2]。

表1 濱海平原地基土層主要特征

2.2 樁基優化目的

通過精細化勘察、優化概念設計（樁基選型及設計比選）、試沉樁施工、試樁檢測，根據現場實證反饋及動態干預，獲取樁基工程經濟、質量、環境和工期等全要素的最佳方案，最終實現“造價經濟、質量優良、管理消耗降低、工期可控、施工有序”之目的。

2.3 樁基優化流程

基于樁基優化目的，其主要的輸入輸出關系如圖1所示，據此可編制樁基優化流程（圖2）。

3 樁基優化實例

表2總結了近兩年濱海平原地貌下的典型優化案例。

圖1 輸入輸出關系圖

4 樁基優化綜合平衡分析

4.1 工期管理分析

實際上，可以將樁基優化分為專項優化和綜合優化。所謂專項優化，基本指向為沉樁可行性分析（如松江南站C18-39-04地塊）。對預應力靜壓樁而言，具體表現為：基樁沉至預定設計標高且樁身完整。所謂綜合優化，則指的是捕獲全要素（工期、成本、質量、技術、供應鏈等諸方面）的最優解。

4.1.1 專項優化

專項優化（沉樁可行性分析）主要由簡易概念設計、試沉樁施工及試沉樁反饋總結三道工序組成，工期可按單工序專業化生產標準時間計算，即：

式中，Tgz—作業時間（總工期）；

Tb—制度時間；

Tzk—作業寬放時間；

Tgxk—個人需要與休息寬放時間。

專項優化工期約為4周，其中，概念設計1周，試沉樁施工2周，反饋總結1周。

4.1.2 綜合優化

綜合優化工期編排可應用網絡計劃技術完成，通過計算作業時間、結點時間、工序時間、時差來確定總工期，一般而言，需要15周，經過工期優化后，可控制在90d內完成。在這里，網絡工期優化主要指的是工期-資源優化和工期-成本優化。

表2 濱海平原地貌下的典型樁基優化項目

圖2 樁基優化流程圖

作為安居工程，合理工期越短，財務成本越低，隱性的管理消耗也越低，經濟效益也越顯著。安居工程也是民心工程，能在承諾的工期內交付乃至提早交付，除可有效控制或降低動遷安置成本外，尚可獲得群眾的認可和贊譽，這會產生較好的社會效益。基于以上原因，合理工期理應作為樁基優化的支配性約束條件。

不容忽視的是，對合理工期的再壓縮會帶來較大質量風險，該質量風險落地后將產生沉沒成本。以文中九亭01-04地塊、02-04地塊為例，主要優化目標為節支（降本），約束工期為30d。為滿足此剛性約束，下調了試樁樣本數量（按3根/地塊執行）和試樁休止期（實際執行14d），為確保單樁承載力的發揮，技術上選擇加大樁基進入持力層的深度，但這明顯犧牲了沉樁可行性。據施工現場反饋，部分樁未能沉至設計標高，或在沉樁過程中發生終壓力陡降（樁身破損）現象，后續視具體異常有針對性地采取了設計樁長調整、設計核定以及補樁等措施。該沉樁成本雖由施工單位承擔，但從系統優化而言，此方案并非最優解。

基于以上分析，樁基綜合平衡優化應盡量前置，為工期-資源優化和工期-成本優化留出較大空間，也可有效降低沉沒成本，建議在擴初階段即予以啟動為宜。

4.2 節支管理分析

傳統意義上的節支，是指提升單位造價可提供的單樁承載力。

樁型選定后，存在理論上的最小布樁數，在上部結構固定后，承載力-布樁數曲線隨單樁承載力增長沉降呈收斂穩定趨勢，考慮各要素的互斥性和巖土工程的技術掌握程度，從成本和技術角度而言，在布樁數收斂范圍進行挖潛，顯非明智之舉。

在過往優化實踐中，為確保工程樁承載力滿足設計要求，一般將工前破壞性試樁極限抗壓承載力予以0.9倍的折減。為便于成本分析，特取類似設計邊界條件（主要指設計樁型相同、樁端約束條件基本相同）的樁基優化案例，經反演分析后，得出各案例的樁材節支率指標。在首次統計過程中，正偏離超過平均值10%的節支率樣本均予以剔除。節支率和單樁豎向抗壓承載力挖潛正相關，同時，需考慮對沉沒成本進行規避，其節支率可按下式計算：

式中：Mm'—節支率統計值；

Mm—節支率平均值，已剔除正偏離超限樣本；

Mmin—節支率最小值。

為得出濱海平原地貌單元高層住宅（12 ～18層）預應力樁基優化的節支分布，特選取部分代表性案例予以歸納（表3）。

根據上述案例，對濱海平原地貌一般高層住宅而言，建議樁材節支率目標設定為20%，地上單位建面節支目標設定為18～20元/m2。

最優節支的實現需要設定一個合理的節支目標。過高的節支目標有可能產生明顯的沉沒成本，反而得不償失；過低的節支目標，顯然有可能產生機會成本，嚴重時也會產生沉沒成本。以松江南站C19-36-07地塊樁基優化為例，當面臨PHC 400 AB和PHC 500 AB兩種樁基方案時，傾向于強化沉樁可行性（提升施工的友好性），因此采用了PHC 500 AB樁端淺埋的方案；但試沉樁施工及試樁檢測表明，因沉樁可行性考慮權重偏大，致使單樁承載力提高未達基本預期，且地庫柱下單樁抗壓承載力存在不滿足設計要求的可能。因此，對樁基綜合優化各要素的合理賦權，控制沉沒成本和機會成本，是樁基綜合優化成本管控的應有之義。

4.3 質量控制分析

質量管控的核心主要在于：①工后樁身完整性良好；②工后單樁承載力滿足要求；③沉樁過程中環境友好；④結合試沉樁施工和試樁檢測等現場實證，建立負面清單，以利后續工程樁施工管理[3]。

工期的不合理壓縮會帶來較大質量風險，除此以外，尚需特別關注的是，樁身完整性和工后單樁承載力存在技術上的互斥性，若過度強化其中的一極，可能因沉樁時樁材實際強度匹配欠佳產生樁身結構

缺陷，或因工后單樁承載力不滿足而產生設計核定、結構降荷乃至補樁，這會產生較大的沉沒成本。

4.4 技術分析

技術的要旨是盡量將事情一次性做正確。為此，在概念設計的靜態思考中，不能有太大偏離。考慮到巖土工程的不確定性，尚需重視試沉樁施工和試樁檢測的現場反饋，時刻保持著對概念設計的動態干預[1]，以免產生機會成本或沉沒成本。

如九星10-04地塊地下車庫基本采用柱下單樁，單樁豎向抗壓極限承載力理想預期為2 255kN，理算最優樁規格為PHC 400 AB 26，并根據公式[4]對沉樁終壓力進行估算，獲取理算轉換系數。現場首樁施工時，其終壓力為1 000kN，二者轉換系數約為2.25，顯然單樁承載力存在很高的不能達到設計預期的風險。考慮到本工程采用柱下單樁，一旦技術判斷錯誤，將導致優化直接成本增加、工期明顯延誤，甚至有可能選擇更加保守的施工圖設計方案，從而帶來工程樁造價的增加，產生較大機會成本，故必須進行動態干預，實時調整設計樁長，現場當即決定將樁長加長1m（首樁增加送樁1m）。本工程地庫共布設9根工前試樁，實測轉換系數見圖3。

根據圖3，現場實測單樁豎向抗壓承載力均已達到化預期，實測轉換系數[1.87，2.40]，即轉換系數小于1.87才能確保本工程安全，充分說明了這一動態干預的合理性和必要性。

表3 部分項目樁基優化節支表

圖3 地下車庫試樁終壓力與抗壓極限承載力轉換系數

5 結語

樁基綜合優化可獲得良好的社會效益和經濟效益，應不斷總結可復制經驗并加以推廣。

工期控制涉及管理消耗、財務成本以及交付承諾，理應作為樁基綜合優化的約束性條件，建議樁基綜合優化在擴初階段即予以啟動。

節支目標應合理設定，不宜有明顯偏離，同時應將沉沒成本和機會成本列入重點考慮。

技術上應遵循四原則，即：技術經濟相結合，以經濟為主；定性定量相結合，以定量為主；靜態動態相結合，以動態為主；宏觀微觀相結合，以微觀為主。

樁基綜合優化各要素存在相互影響，故應合理賦權，力求實現系統平衡，應通過大量優化實踐積累第一手數據，以推動巖土工程供給側改革不斷向前發展。