建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中樁基設(shè)計(jì)微探

靳 逸 凡

(山西省建筑設(shè)計(jì)研究院，山西 太原 030013)

1 樁基設(shè)計(jì)與計(jì)算的常見(jiàn)問(wèn)題

1.1 樁基打壓難以到達(dá)設(shè)計(jì)位置

樁基在實(shí)際施工過(guò)程中，很可能無(wú)法輕易到達(dá)設(shè)計(jì)標(biāo)高的指定位置，一是由于設(shè)計(jì)階段沒(méi)能做好事前的地質(zhì)勘探工作，導(dǎo)致數(shù)據(jù)分析計(jì)算結(jié)果有誤，且沒(méi)有事前利用試驗(yàn)樁基進(jìn)行測(cè)試，樁長(zhǎng)、承載力等參數(shù)無(wú)法符合實(shí)際情況。二是由于地下土層結(jié)構(gòu)阻礙了樁基的進(jìn)一步深入，比如地下土壤或巖石的縫隙之間存在地下水壓力，樁基打壓效果無(wú)法沖破縫隙水壓力的阻礙，所以在施工過(guò)程中可以利用跳打減弱地下的縫隙水壓力，之后再進(jìn)行后續(xù)樁基施工，還可以采取打孔等措施釋放堆積在一處的壓力，并利用性能較為優(yōu)越的壓樁機(jī)給予靜力壓樁一定的縱向壓力，在樁基逐漸深入過(guò)程中同時(shí)控制樁體對(duì)于周圍環(huán)境的擠壓力，減少抬機(jī)等不良現(xiàn)象的出現(xiàn)，見(jiàn)圖1。

1.2 單根樁體極限縱向承載力的計(jì)算

了解單根樁體的縱向極限承載力是進(jìn)行樁基設(shè)計(jì)的基本也是重要條件之一。首先縱向承載力的設(shè)計(jì)需要按照《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》開(kāi)展工作，甲級(jí)和乙級(jí)的建筑樁基需要經(jīng)過(guò)靜載實(shí)驗(yàn)獲取單樁豎向承載力的特征數(shù)據(jù)，丙級(jí)和較簡(jiǎn)單的乙級(jí)樁基可以根據(jù)其現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)特點(diǎn)，參照同行工程范例，結(jié)合自身工作經(jīng)驗(yàn)開(kāi)展試驗(yàn)工作，也可以結(jié)合原位實(shí)驗(yàn)綜合測(cè)量計(jì)算其單根樁體的豎向承載力。

1.3 樁體的長(zhǎng)徑比例選擇

建筑工程在設(shè)計(jì)樁體時(shí)，往往通過(guò)調(diào)整長(zhǎng)徑比例來(lái)達(dá)到性能要求，由于計(jì)算結(jié)果很難達(dá)到完美的比例設(shè)計(jì)，所以造成了樁體材料浪費(fèi)。通常通過(guò)長(zhǎng)徑比值的確定以滿足樁體自身承載力需求，并考慮到實(shí)際情況，端承樁需要有一段比較堅(jiān)硬并且不會(huì)輕易變形的耐力層。然而，如果樁體過(guò)于細(xì)長(zhǎng)，容易在打壓過(guò)程中受到巨額的縱向荷載影響對(duì)樁體結(jié)構(gòu)造成損壞。

1.4 樁體偏差的設(shè)計(jì)與控制

在滿足單根樁體基本承載力性能的基礎(chǔ)上，打壓過(guò)程中維持樁體中心線保持在預(yù)定位置上也是十分重要的。設(shè)計(jì)階段要重點(diǎn)考慮由于偏差可能對(duì)樁體造成的不良影響，特別是一些承臺(tái)樁和條形樁，由于偏差對(duì)其造成的附加作用力將會(huì)大大影響樁基的整體性能。根據(jù)JGJ 94—94建筑樁基技術(shù)規(guī)范要求，對(duì)條形樁基、標(biāo)高控制允許偏差、斜樁傾斜度允許偏差等都有著明確的數(shù)據(jù)范圍，在盡可能滿足限制的基礎(chǔ)上，也需要對(duì)誤差范圍內(nèi)的樁體進(jìn)行調(diào)整。

2 樁基設(shè)計(jì)優(yōu)化調(diào)整策略

2.1 數(shù)學(xué)函數(shù)有限元法的運(yùn)用

當(dāng)前，有限元法的運(yùn)用逐漸成為樁基設(shè)計(jì)工作者的模擬測(cè)試手段之一，有限元法可以將集合內(nèi)的元素進(jìn)行離散分割，再進(jìn)行函數(shù)和近似方程的計(jì)算，適用于多種樁基設(shè)計(jì)需求，也可以更加方便地獲取樁體的幾何拓?fù)湫畔?，并將在求解樁基整體承載力等計(jì)算環(huán)節(jié)發(fā)揮重要作用。

與傳統(tǒng)的樁體強(qiáng)度計(jì)算相比，有限元法能夠更加反映出客觀的實(shí)際情況，傳統(tǒng)計(jì)算方法會(huì)忽略地下樁基與土體結(jié)構(gòu)相互之間的某些作用力，以盡可能減少參與計(jì)算的元素，比如工作人員常常采用文克爾假定法對(duì)土體所受法向力進(jìn)行計(jì)算，先假定樁基打壓過(guò)程中只有樁體下方的土層受到了作用力影響，并假設(shè)土體變形與承受荷載之間存在一個(gè)地基反力系數(shù)使二者始終成正比，通過(guò)這種計(jì)算方法，僅僅能夠得出一個(gè)近似的數(shù)值，不能完全反映出客觀實(shí)際情況，其設(shè)計(jì)結(jié)果可能出現(xiàn)一定的誤差。而通過(guò)有限元法則可以將忽略的作用力和影響因素都考慮進(jìn)來(lái)，無(wú)論是樁體材料還是受作用力影響的空間結(jié)構(gòu)等都能通過(guò)有限元法實(shí)現(xiàn)受力的非線性分析，并通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件建立模型進(jìn)行模擬，得出的仿真數(shù)據(jù)具有一定可靠度，便于提升樁體自身的性能。

2.2 樁土復(fù)合計(jì)算

樁基設(shè)計(jì)不僅僅要考慮到單根樁體的承載能力，還需要考慮到它們組成的整體群落是否符合建筑需求。通過(guò)有限元法的應(yīng)用，可以比較容易地計(jì)算出單根樁體的性能，然而考慮到建筑施工的整體結(jié)構(gòu)，還需要從宏觀方面研究樁體群落的承載能力，保證樁基在承受建筑上層較大荷載的同時(shí)，受力變形在施工允許范圍之內(nèi)。所以有必要通過(guò)樁土復(fù)合計(jì)算模式對(duì)樁體群落進(jìn)行設(shè)計(jì)和分析，在有限元計(jì)算單根樁體的基礎(chǔ)上，通過(guò)連續(xù)的計(jì)算處理即可以完成樁土復(fù)合計(jì)算模式的工作任務(wù)。我們可以將有限元法各離散單元的跨度適當(dāng)增大，減少其細(xì)化的程度，以便減少對(duì)群樁的模擬計(jì)算量，提升工作效率。

在實(shí)際計(jì)算過(guò)程中，可能會(huì)遇到樁基的沉降效果不滿足實(shí)際載荷需求的問(wèn)題，其主要原因是在樁基計(jì)算設(shè)計(jì)階段沒(méi)有充分得出樁基施工與承載力間的關(guān)系，所以為了加強(qiáng)對(duì)于沉降量的控制，可以將垂直于樁基礎(chǔ)軸線的樁土作為各向同性材料，并根據(jù)樁體和土體彈性模量與泊松比相互復(fù)合形成新的各向同性材料參數(shù)，最后利用該等效材料參數(shù)完成群樁的載荷沉降分析工作。

2.3 樁體基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)承載性狀、樁體直徑、樁身材料、用途功能等，建筑樁體基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)可以選用不同的樁體基礎(chǔ)類型。以下主要針對(duì)建筑上層荷載與樁基整體承載力方面進(jìn)行考慮，選取幾種樁體基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方式進(jìn)行說(shuō)明，包括了高、低樁承臺(tái)基礎(chǔ)，樁筏基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。

首先，按照不同的建筑施工需求，樁承臺(tái)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)主要可以應(yīng)用在建筑高度不高，上部荷載不大的乙丙級(jí)樁基設(shè)計(jì)當(dāng)中，如果建筑所需高度超過(guò)100 m，對(duì)樁體承載力和沉降設(shè)計(jì)要求較高，則需要采取樁筏基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。如果樁的持力層比較深，樁長(zhǎng)很長(zhǎng)，計(jì)算出的樁基承載力很大，能夠在墻柱下布樁時(shí)，就優(yōu)先采用墻、柱下布樁樁筏基礎(chǔ)，否則就采用均勻等間距樁筏基礎(chǔ)。

樁筏基礎(chǔ)設(shè)計(jì)需要考慮到自身載荷結(jié)構(gòu)、筏板厚度、建筑物沉降等因素。為了發(fā)揮樁筏的承載能力，通常選用彈性地基梁作為分析和計(jì)算的基礎(chǔ)，以分散建筑上層的整體壓力，并能夠充分減少地基結(jié)構(gòu)中梁的變形和承受應(yīng)力。在計(jì)算過(guò)程中主要受兩方面因素影響：一是建筑上層結(jié)構(gòu)的壓力；二是樁體自身豎向的剛度，可以將上層結(jié)構(gòu)的壓力適當(dāng)?shù)剡M(jìn)行疊加，再進(jìn)行樁筏基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)和計(jì)算，這樣可以提升基礎(chǔ)平面的剛度，充分抵御建筑上層的不均勻傳力現(xiàn)象，以預(yù)留出剛度性能減少所導(dǎo)致的變形現(xiàn)象，并可以適當(dāng)抽離樁基內(nèi)部的配筋，充分發(fā)揮出工程的成本資金投入價(jià)值。另一方面，樁體自身豎直方向上的剛度對(duì)于筏板厚度和配筋情況設(shè)計(jì)起著至關(guān)重要的作用，是提升樁筏基礎(chǔ)承載力上限的重要設(shè)計(jì)部分，在此過(guò)程中，要按照國(guó)家有關(guān)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定和自身企業(yè)的投資和施工能力進(jìn)行筏板的設(shè)計(jì)，一味地增加筏板的厚度并不是十分明智的選擇，其會(huì)對(duì)配筋的設(shè)計(jì)以及自身性能造成一定的不良影響，結(jié)合國(guó)家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)以及多年的工作經(jīng)驗(yàn)，樁的豎向剛度要與工程設(shè)計(jì)的沉降量和樁基極限承載力相互掛鉤，一般要保證在50 Ra～100 Ra范圍內(nèi)。

2.4 樁基受力分析

樁基是保證建筑功能，維持建筑穩(wěn)定的重要組成部分，對(duì)于承擔(dān)絕大部分建筑上層壓力的需求，嚴(yán)謹(jǐn)科學(xué)的樁基受力分析是決定樁基性能的先決條件，為了充分發(fā)揮樁基的承載力效果，減少建筑物不均勻沉降現(xiàn)象，需要多方面考慮樁基受力變形情況，特別是對(duì)于來(lái)自建筑物上層結(jié)構(gòu)的壓力，需要設(shè)計(jì)出針對(duì)性的解決方案，以投入更少，效果更佳為目的開(kāi)展計(jì)算工作(見(jiàn)圖2)。

3 結(jié)語(yǔ)

作為建筑物重要的基礎(chǔ)部分，樁基的承載力需要通過(guò)科學(xué)的設(shè)計(jì)與計(jì)算才能充分發(fā)揮出其應(yīng)有作用，并且隨著科學(xué)技術(shù)的提高，一些先進(jìn)的計(jì)算策略和系統(tǒng)軟件將會(huì)更好地幫助設(shè)計(jì)人員進(jìn)行分析與計(jì)算，并結(jié)合不同建筑物的不同需求選取相應(yīng)的樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，這將會(huì)使樁基設(shè)計(jì)更加符合實(shí)際情況。