超高層項目樁基優化技術的應用研究

衛榮榮

（凱德中國）

0 引言

在“房住不炒”的宏觀調控背景下，房地產已然告別黃金、白銀時代，隨著開發成本的高企，部分房企舉步維艱，過往粗放式開發模式已不合時宜，新形勢下能否有效做好開發成本控制，乃是企業生存之道、制勝法寶[1]。回顧房地產投資、開發得全壽命周期，設計階段對工程投資強度產生重大影響。德國工程管理專家墨爾的研究指出，前期方案階段影響投資強度高達95%以上，而施工階段則不足10%。另據國內外相關統計資料表明：設計階段節約投資的可行性接近90%左右，而施工階段僅為10%左右。進一步細分，建筑結構成本占到整個項目建安成本的60%左右，樁基成本又占到整個建筑結構成本的35%左右，故樁基必然是成本控制重點[2]。

設計層面，由于地質的復雜性、地下工程的不可預見性，加之勘察從業人員素質參差不齊、設備和技術的局限性等諸多不利因素，導致地勘報告巖土設計參數普遍存在精度不足及取值偏低的問題。據此計算所得單樁承載力極限值取值常明顯偏低。此外，目前大部分開發商高周轉思想根深蒂固，為了提高開發節奏，多數項目無暇設計試樁，少部分項目即使實施設計試樁，由于沒有綜合優化，過程中又缺少精細化管控，多數試驗結果不理想，加之過于保守的安全系數設計法，造成樁基成本嚴重高企[3]。

管理層面，目前傳統做法是限額設計，雖也能起到一定效果，但并不合理，無法實現效益最大化。原因是每個工程地質條件、建筑布局、房屋高度、結構體系、功能業態、抗震設防標準等均不盡相同，本質上，每個項目有且只有一個專屬的最優經濟指標，而且是優化后才能最終核定的結果指標。將結果指標作為預設指標，進行限額設計屬本末倒置、緣木求魚。究其弊端，無外乎兩種情況：①限額指標定得過高，無法實現，設計為避免觸發合約罰則，存在以降低承載力富余度應對，造成結構不安全的風險，得不償失。㈡限額指標定得過低，不經濟，達不到理想效果，失去限額設計的意義[4]。

為了從根源上解決上述問題，最有效的途徑就是實施樁基綜合優化，主動采用技術組合手段進行科學干預，實現技術、經濟效益最大化。操作上可按以下步驟穩步推進：

⑴全面分析、深入研究地質勘察報告、樁基招標圖及上部建筑、結構施工圖。

⑵多維度論證，確定樁基綜合優化方案，包括樁型、持力層、樁長優化及施工可行性分析。設計試樁方案，包括試樁和后注漿技術參數等。

⑶試樁施工管理，包括專項施工方案編制報審、圖紙會審與答疑交底、施工質量管控等。

⑷破壞性靜載試驗，分析、研究試驗數據，確定提高后的單樁承載力特征值，配筋優化后，設計出圖。

1 項目實例概況

杭州新加坡科技園三期超高層項目，用地面積52555m2，擬建總建筑面積為231693m2（含地下49264m2）。項目由4 幢24F 的超高層塔樓（框架-核心筒，110m）、多幢5F 裙房（框架-剪力墻）以及1 層地下室（框架）組成，建筑用途為科研和辦公及配套服務用房。

1.1 項目地質概況

巖土工程勘察報告，地基土設計參數見表1。

表1 地基土設計參數(kpa)

1.2 樁基招標圖概況

招標圖樁型、有效樁長、持力層及依據地勘報告計算所得單樁承載力特征值Ra 見表2。

表2 樁型、有效樁長、持力層、Ra

2 樁基綜合優化方案

樁型的選擇不僅要考慮擬建建筑物的地質條件、建設規模、房屋高度、結構形式，同時還要受到工期、施工可行性、經濟效益及周邊環境等諸多因素的制約。

2.1 塔樓樁型優化

為了取得更好的經濟效益，并減少沉樁對周邊環境的不利影響，高層塔樓應采用單樁承載力較高的樁型，以減少樁數，較高的單樁承載力設計值也利于高效、靈活布樁。

從施工可行性的角度分析：預制樁為擠土樁，在高層塔樓區域，上部結構自重、荷載大，樁數多，需密集沉樁，擠土效應累加將致后續沉樁困難，產生增量措施費及工期滯后的不利影響，故高層塔樓區域應盡量避免使用擠土樁。而灌注樁為非擠土樁，對鄰近建筑及地下管線危害較小，具有良好的復雜地質適應性和施工可行性，工藝技術成熟。

從作用機理的角度分析：由于鉆、沖孔灌注樁成孔工藝存在樁側泥皮和樁底沉渣等固有缺陷，導致側、端阻顯著降低，使得單樁承載力難以充分發揮；而采用后注漿工藝后，壓力漿液對樁底沉渣、虛土、泥皮和樁周土層起到很好的滲透、填充、擴底、擠密、膠結固化的作用，能夠很好地解決常規灌注樁的通病和頑疾，從而使得單樁承載力大幅提升，減小沉降變形[5-6]。

從現行規范的角度分析：根據《建筑樁基技術規范》給出后注漿單樁極限承載力標準值估算公式，考慮側阻、端阻增大系數后，注漿后比注漿前用地勘報告計算所得的單樁豎向極限承載力提高約50%～100%。根據浙江省標《建筑地基基礎設計規范》，注漿后比注漿前用地勘報告計算所得的單樁豎向極限承載力可提高30%以上[7-8]。

綜上，塔樓樁型采用Φ800 后注漿鉆孔灌注樁，兼顧了經濟性和施工可行性。優化后的樁型、有效樁長、持力層及依據地勘報告計算所得單樁承載力特征值Ra，見表3。

表3 樁型、有效樁長、持力層、Ra

2.2 裙房、地庫樁型優化

PHC 管樁（預應力管樁）工廠預制并施加預應力，具有強大的單樁承載力和單位截面積承載力。根據圖集提供的樁身軸心受壓及單位面積軸心受壓承載力設計值數據，見表4[9-10]。

表4 軸心受壓承載力設計值

由表4 可知，PHC-AB600(110)預應力管樁單位面積樁身軸心受壓承載力設計值遠大于Φ800（C35）鉆孔灌注樁。

在PHC 管樁沉樁擠密作用下，樁身三向受壓，側阻可提高20%～40%，端阻可提高70%～80%，單樁承載力將相應提高。大量工程數據表明，PHC 管樁單位承載力的造價顯著優于灌注樁、鋼管樁、普通預制樁等常規樁型。

此外，靜壓沉樁機械化程度高，精準高效，工期短，施工文明、整潔。若場地不存在難以清除的孤石或硬夾層等障礙物，樁端也不需要穿越深厚砂層等不良地質，則PHC 管樁大有用武之地。

綜上，裙房采用PHC-AB600(110)、純地庫采用PHC-AB500(100)管樁，經濟性好且施工高效。優化后的樁型、有效樁長、持力層及依據地勘報告計算所得單樁承載力特征值Ra，見表3。

2.3 持力層優化

塔樓抗壓鉆孔灌注樁，新增后注漿工藝將帶來承載力的提高和持力層的加強。此外，樁基承載力后續也將長期增長，帶來增量富余度。故持力層位置可較地勘報告優化上浮，選擇第⑩2強風化泥質粉砂巖層，由⑩3中風化泥質粉砂巖層上浮，樁長縮短9m。

裙房PHC 抗壓管樁，由鉆孔灌注樁優化而來，綜合考慮沉樁擠密致承載力提高、持力層加強及布樁效率，選用第⑤層粉砂夾粉質粘土層作為樁基持力層，由原設計⑩3層中風化泥質粉砂巖上浮，樁型的變化導致樁長大幅縮短。

地庫PHC 抗拔管樁，綜合考慮樁型由PHC-AB600 優化為PHC-AB500，及PHC 管樁沉樁擠密致承載力提高，作為平衡，持力層選擇②5層砂質土夾粉砂，保持不變。

3 試樁方案

設計試樁技術參數：樁型、試樁數、最大加載量，見表5。

表5 試樁技術參數

結合地區經驗，優化后注漿技術參數如下：

⑴注漿量按式估算，取單樁4T。注漿系統壓力≥10MPa，單樁兩次注漿，注漿壓力控制在1～2.5MPa，注漿流量≤40L/min。

⑵水泥強度≥42.5R，漿液水灰比取0.5～0.6。

⑶注漿閥應能承受1Mpa 以上凈水壓力并具逆止功能。注漿器采用Φ35×3.0 并具逆止功能。注漿導管采用Φ50×3.5，對稱設2 根。

⑷注漿宜于成樁7d 后開始。終止注漿條件：注漿量和注漿壓力均達設計要求或注漿量達設計值80%，注漿壓力達到3MPa 以上，且持續3min 以上。

4 試樁施工管理

4.1 專項施工方案

⑴施工單位應編制并報審專項施工方案，主要內容應包括管理架構、重難點分析及應對措施、工期計劃、資源計劃、機械選型及施工工藝、質量控制措施、安全文明及應急預案等[11]。

⑵檢測單位應編制并報審專項檢測方案，主要內容應包括反力裝置及結構驗算、試驗場地處理、試驗加、卸載方式、監測系統、數據采集、分析評價、檢測報告等[12]。

⑶監理單位應編制監理實施細則，主要內容應包括工作流程、控制要點、監理方法及措施、質檢驗收程序等[13]。

4.2 圖紙會審與答疑交底

⑴鉆孔灌注樁。試成孔需2 個以上，垂直度偏差≤1/200，孔徑允許偏差+50mm，成孔深度以設計樁長控制；泥漿制備選用膨潤土；孔底0.5m 范圍內泥漿比重＜1.25、含砂率≤6%；混凝土塌落度為180～200mm，水下混凝土采用導管法灌注，充盈系數≥1.2；鋼筋籠直徑、長度、主筋間距、箍筋間距按驗收規范控制；后注漿按技術參數嚴格執行。

⑵PHC 管樁。靜壓沉樁，800T 液壓靜壓樁機，最大壓樁力≥600T，配重量具核實；樁身垂直度≤1%；焊接工藝評定后接樁。

4.3 施工質量

⑴原材料。PHC 管樁須由產品質量過硬的廠家供貨，高壓蒸養后尚需14 天以上的常溫養護時間，出廠時PHC-AB600 (110) 軸心受壓承載力設計值不小于4255KN，PHC-AB500(100)軸心受壓承載力設計值不小于3158KN，軸心受拉承載力設計值不小于842KN。鋼筋、水泥、注漿管、注漿器、焊條等原材料嚴格質檢驗收，鋼筋、水泥現場抽樣復驗。

⑵施工工序。對成孔、清孔、泥漿密度、黏度、含砂率、樁底沉渣、鋼筋籠制作與沉放、水下混凝土灌注等進行嚴格質檢驗收；孔徑、清孔質量直接影響樁基承載力；鋼筋籠剛度影響其吊裝質量和效率，沉放精度決定保護層的厚度是否達到要求。鋼筋籠直徑不應偏差過大，過大會造成保護層厚度不夠，過小則會造成抗彎承載力變小；樁底沉渣厚度，同時影響端、側阻的發揮，繼而影響樁基承載力；鋼筋籠沉放過程中，同步檢驗注漿管水密性能[14]。

⑶后注漿。過程中按注漿壓力、注漿流量和注漿量三控。終止注漿按注漿壓力和注漿量雙控。

⑷靜載試驗。采取人工讀數與儀器智能采集兩套數據；加載方式采用慢速維持荷載法。

⑸上道工序驗收合格后方可進入下道工序，尤其是隱蔽工序，必須全程旁站監理。

5 破壞性靜載試驗

有條件時，可利用春節假期進行混凝土養護和地基土應力消散，達到樁身混凝土設計強度和地基土休止期的雙控要求。所有試樁均進行了低應變檢測，樁身完整，屬Ⅰ類樁。

⑴裙房試樁SZ1～SZ3 的單樁豎向抗壓極限承載力分別為5740KN、6150KN、5740KN，其Q-S 曲線見圖1。依規，平均值扣除送樁6m 側阻極限承載力400KN 后得5277KN，相應承載力特征值為2638KN，較勘察報告計算值1200KN 提高119.86%。考慮到后續大面積沉樁，擠土效應可能帶來的施工難度，最終保守取2200KN 作為設計依據，較勘察報告計算值提高83%。

⑵地庫試樁SZ4～SZ6 的單樁豎向抗拔極限承載力分別為1080KN、1080KN、1170KN，其U-Δ 曲線見圖2。依規，平均值扣除送樁6m 側阻極限承載力150KN 后取960KN，相應的承載力特征值為480KN，較勘察報告計算值310KN 提高54.84%。最終保守取420KN 作為設計依據，較勘察報告計算值提高35%。

⑶塔樓試樁SZ7～SZ10 的單樁豎向抗壓極限承載力分別為15080KN、13920KN、15080KN、15080KN，其Q-S曲線見圖3。依規，平均值扣除送樁6m 側阻極限承載力600KN 后取14190KN，相應承載力特征值為7095KN，較勘察報告計算值4200KN 提高68.93%。最終遵循浙江省地基基礎規范取5500KN（提高設限30%）作為設計依據，即較勘察報告計算值提高30%[15]。

6 優化成效總結

6.1 直接效益

塔樓：

⑴樁型：由Φ800、Φ900 鉆孔灌注樁優化為Φ800鉆孔灌注樁，工程量減少。

⑵樁數：由560 根優化為480 根，減少80 根，工程量減少。

⑶樁長：由75m 優化為66m，縮短9m，工程量減少、工期加快。

⑷構造：主筋由12Φ14 優化為8Φ14，箍筋由8@250 優化為6@250，工程量減少。

經核算，塔樓節約成本533.32 萬元，占塔樓樁基招標圖總成本3434.29 萬元的15.53%。

裙房：

⑴樁型：由Φ800 鉆孔灌注樁優化為PHC-AB600 管樁，相應樁長由75m 優化為34m，工程量減少，工期加快。

⑵樁型：由PHC-AB600 管樁優化為PHC-AB500 管樁，工程量減少。

⑶樁數：承載力大幅提高后，布樁數減少，工程量減少。

經核算，裙房節約成本991.69 萬元，占裙房樁基招標圖總成本1556.17 萬元的63.73%。地庫節約成本216.77 萬元，占地庫樁基招標圖總成本730.97 萬元的29.66%。

綜上，總節約成本1741.78 萬元，占樁基招標圖總成本5721.43 萬元的30.44%。

6.2 間接效益

經核算，塔樓、裙房工期節約45 天，占樁基總工期120 天的37.5%。

7 結論

⑴PHC-AB600 抗壓管樁承載力提高119.86%，PHC-AB500 抗拔管樁承載力提高54.84%。PHC 管樁承載力大幅提高，其內在機理及樁型優勢為：其一，高強PHC管樁沉樁擠密使樁身三向受壓，約束力促使承載力提升，同時加速土層固結減小變形量。其二，PHC 管樁樁身強度高、質量易控，沉樁過程中，樁側與土體側摩阻力損失小。其三，圖2、圖3 靜載Q-S、U-Δ 曲線明顯緩變、斜率趨小，說明承載力潛力挖掘良好。最后一級加載，沉降量突變陡降，但樁身完好，說明仍有通過減小變形以提高承載力的操作空間。

⑵Φ800 抗壓鉆孔灌注樁承載力提高68.93%，說明樁端后注漿技術有效強化了側、端阻和持力層，減少了沉降量和沉降速率，圖4 靜載Q-S 曲線明顯緩變、斜率趨小，說明承載力潛力挖掘良好。最后一級加載，沉降量突變陡降，但樁身完好，說明通過減小變形、增加側阻以提高承載，仍有較大的操作空間，如：樁端、樁側復式注漿。

⑶就超高層項目而言，排除不良地質所限，塔樓采用后注漿灌注樁，裙房、地庫采用PHC 管樁，是經濟效益顯著的優秀樁型組合方案。

⑷持力層的優化應前瞻性預估綜合優化所帶來承載力提升的有利影響，予以適當上浮，從而減小樁長，提高施工工效。

⑸破壞性靜載試驗是樁基優化的有效手段，但孤立使用效果不佳，應疊加樁型優化、持力層優化、配筋優化及后注漿及工藝改進，并精心組織、嚴格管理，確保施工質量，形成正向效益疊加，方可實現綜合效益最大化。

⑹浙江省標《建筑地基基礎設計規范》對后注漿灌注樁承載力取值設限不超過地勘報告計算值的30%，其考量的因素是后注漿工藝、原理及質量尚有一定的不確定性[8]。為促進灌注樁后注漿工藝推廣和樁基優化的發展，強烈建議取消30%承載力提高上限。主要理由：

①塔樓4 根試樁SZ7～SZ10，分別落位于4 個高層塔樓區域，即使巖層客觀上有所起伏，但靜載試驗結果非常接近，離散性很小，說明技術可靠，工藝穩定。

②綜合優化后的試樁施工，其改進工藝和質量管理措施同時固化并作為大面積樁基施工之樣板，質量優良率必然穩定趨高，由工程樁樁身完整性、承載力一次性達標的驗收結果可以驗證。

③通過調研本地區有代表性的超高層項目，如：綠地·杭州之門、世茂·智慧之門等，靜載試驗和工程樁驗收情況與本案例項目類同，均達良好預期并受此承載力取值上限困擾，說明上述論斷具有廣泛性、規律性和啟發性。