建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的樁基設(shè)計要點研究

湯明光

（中土集團福州勘察設(shè)計研究院，福州 350013）

1 建筑樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的分類

1）根據(jù)承臺的高度，建筑樁基礎(chǔ)包括高承臺樁基礎(chǔ)、低承臺樁基礎(chǔ)等。在房屋建筑結(jié)構(gòu)中，低承臺樁基礎(chǔ)較為常見。

2）按照承載力的產(chǎn)生原理，樁基礎(chǔ)可分為摩擦樁、端承樁兩種。對于存在不良地質(zhì)的建筑項目，可采用端承樁，使其穿過軟弱地層，落在堅硬土層內(nèi)，承托建筑結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的荷載。這類樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)中，樁身和土層的摩擦力較小。若基礎(chǔ)樁在軟弱土層中的深度較大，樁側(cè)土和樁身相互摩擦后，將建筑荷載分散到土體內(nèi)時，樁身、土層會存在相對位移，樁端土具有基礎(chǔ)的承載作用，這類樁基礎(chǔ)可稱之為摩擦樁[1]。

3）按照樁身材料，建筑樁基礎(chǔ)包括木樁、鋼樁、混凝土樁、現(xiàn)澆鋼筋混凝土樁等。隨著建筑質(zhì)量要求的提升，鋼筋混凝土樁在建筑樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)中較為常見。設(shè)計人員可結(jié)合建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計需求，通過預(yù)制、現(xiàn)澆的方式布設(shè)鋼筋混凝土樁。

2 建筑結(jié)構(gòu)中樁基礎(chǔ)的設(shè)計要求

1）為確保建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的可靠性，樁基礎(chǔ)、地基土層的作用力應(yīng)相對穩(wěn)定，確保樁基在承受建筑物荷載時，樁基礎(chǔ)的承載能力符合建筑荷載要求，不會出現(xiàn)不均勻沉降、沉降量過大等問題。因此，設(shè)計人員應(yīng)重視樁基礎(chǔ)的荷載計算，控制好樁基礎(chǔ)的撓曲變形、彎矩等設(shè)計參數(shù)，加強樁基礎(chǔ)強度設(shè)計，使樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)內(nèi)力處于建筑基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)材料強度的容許范圍內(nèi)，保障建筑樁基礎(chǔ)的穩(wěn)定性[2]。

2）樁身規(guī)格設(shè)計、基礎(chǔ)樁布置、持力層選擇會直接影響建筑樁基結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性。設(shè)計人員應(yīng)通過以上參數(shù)的控制，增強樁基結(jié)構(gòu)的承載能力。同時根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計要求，計算樁基內(nèi)力、確定樁身配筋率、局部材料強度等數(shù)據(jù)。

3）樁基設(shè)計時，還應(yīng)考慮建筑項目的建設(shè)成本。設(shè)計人員可基于合理的設(shè)計方案，在把握樁基整體性能的基礎(chǔ)上，對比分析設(shè)計方案，選擇造價較低的方案，確保建筑樁基結(jié)構(gòu)設(shè)計的經(jīng)濟性。

3 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中樁基設(shè)計要點

3.1 樁型選擇

建筑樁基結(jié)構(gòu)設(shè)計時，設(shè)計人員應(yīng)結(jié)合建筑結(jié)構(gòu)、建筑荷載、樁基礎(chǔ)區(qū)域土層類別、施工環(huán)境、地下水分布情況選擇樁型。通常情況下，對于設(shè)計為排架結(jié)構(gòu)、框架結(jié)構(gòu)，且建筑地基為堅硬土層、樁基埋深不大的建筑，可設(shè)計為灌注樁，以預(yù)防建筑沉降，提升建筑樁基礎(chǔ)的承載力，樁基結(jié)構(gòu)可設(shè)置為單樁單柱。

民用建筑、工業(yè)建筑的樁型選擇相對復(fù)雜，建筑樓層設(shè)計高度、場地條件、建筑荷載性質(zhì)都會影響樁基選型。比如，設(shè)計人員可根據(jù)樓層高度選擇樁基結(jié)構(gòu)，樓層數(shù)小于10層的建筑，樁基可設(shè)計為樁徑為500 mm的灌注樁或300 mm的混凝土預(yù)制樁。樓層數(shù)為10~20層的建筑物，灌注樁直徑應(yīng)在600~1 000 mm，預(yù)制樁直徑應(yīng)控制在400~500 mm。

按照現(xiàn)場地質(zhì)條件選擇樁型時，硬土層、巖層工況下，樁基埋深淺時，一般采用灌注樁。存在淤泥、淤泥土等軟土地基的建筑物，為避免樁基礎(chǔ)出現(xiàn)縮頸問題，通?？稍O(shè)計為預(yù)制樁。黏土、砂土、粉土等地質(zhì)中，沖孔灌注樁較為多見。

3.2 樁身規(guī)格設(shè)計

1）樁長計算。計算樁長時，設(shè)計人員應(yīng)根據(jù)樁端持力層確定持力層進入土層的深度。樁端持力層是影響建筑地基承載力的重要因素，應(yīng)選擇承載力高且硬度較大的土層作為持力層，并控制好樁基嵌入持力層的深度。使其進入持力層后，阻力大小符合樁基設(shè)計規(guī)定，并且樁長符合持力層臨界深度。樁端進入持力層深度較小時，樁端阻力會變小，容易導(dǎo)致樁端剪切破壞。具體的臨界深度可根據(jù)建筑地基范圍內(nèi)的土層性質(zhì)決定。地基土質(zhì)為碎石、砂土?xí)r，臨界深度一般為3~10d（d為樁徑）。黏性土與粉土層中，臨界深度一般為2~6d。

2）樁徑選擇。樁徑取決于建筑樁基承載力、地質(zhì)條件、樁基選型。樁基設(shè)計為端承樁時，建筑基礎(chǔ)層土質(zhì)、工藝水平都會導(dǎo)致樁徑存在差異。

3.3 承載力設(shè)計

3.3.1 水平承載力

驗算樁基水平承載力可以確保建筑樁基的抗震性能，根據(jù)行業(yè)的相關(guān)規(guī)定，對于水平荷載力較小的高大建筑與一般建筑，單樁基礎(chǔ)、群樁中的樁基應(yīng)滿足：Hi≤Rh（其中Hi是在荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合下，作用于建筑集裝樁頂?shù)乃搅?；Rh為單樁基礎(chǔ)、群樁中基樁水平承載力的特征值）；樁身截面尺寸、樁身材料強度、建筑基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計都會影響樁基水平承載力，建筑基礎(chǔ)層體質(zhì)為軟土地質(zhì)時，需要對地基進行換填處理后，根據(jù)其承載力設(shè)計樁基水平承載力。

3.3.2 豎向承載力

建筑樁基結(jié)構(gòu)設(shè)計初期，為避免單樁豎向承載力設(shè)計值和建筑承載力實際值存在差異，需要進行豎向承載力驗算，驗算內(nèi)容包括樁基所承受的軸心荷載、偏心荷載，以及軸心豎向作用力下，樁基頂?shù)呢Q向壓力。驗算樁基所承受的軸心荷載時，豎向承載力設(shè)計值應(yīng)滿足公式Nk≤Ra（Nk為軸心豎向作用力下，樁基礎(chǔ)的平均豎向力；Ra為基樁、復(fù)合基樁豎向承載力特征值）。

除此之外，設(shè)計人員可通過靜荷載試驗確定建筑樁基結(jié)構(gòu)中單樁、復(fù)合樁基礎(chǔ)的承載力。靜荷載試驗是在初步確定樁身規(guī)格后，在樁頂分別施加軸向壓力、軸向上拔力、水平力，觀測樁基區(qū)域的沉降、上拔或水平位移，然后依據(jù)樁身荷載與位移的基本關(guān)系，判定單樁豎向抗壓承載力與水平承載力。

3.4 樁數(shù)及平面設(shè)計

1）設(shè)計人員可根據(jù)建筑上部結(jié)構(gòu)荷載確定樁基的單樁、復(fù)合樁數(shù)量，以及樁基礎(chǔ)的平面布置情況。樁基數(shù)量n計算公式為：

式中，F(xiàn)k、Gk分別為作用于承臺頂面的豎向力、承臺自重標(biāo)準(zhǔn)值，kN；R為建筑承載力設(shè)計值，kPa。樁基平面設(shè)計需要考慮樁基的布置形式與樁距，樁距設(shè)計應(yīng)考慮成樁工藝、土層性質(zhì)。樁排數(shù)大于3排，根數(shù)大于9根時的樁距見表1。

表1 建筑樁基結(jié)構(gòu)中樁距設(shè)計

2）樁基平面設(shè)計時，應(yīng)在發(fā)揮樁身作用的同時，盡量緊湊布樁，以控制承臺面積。為保證樁基結(jié)構(gòu)中各樁受力均勻，還應(yīng)將樁基長期荷載作用點、群樁橫截面的形心重合。柱下樁一般可設(shè)計為矩形、梅花形、三角形；墻下樁基可設(shè)計為雙排樁、單排樁。確定樁位時，還應(yīng)重視樁位豎向偏差、水平偏差的控制。

3.5 承臺設(shè)計

樁基承臺設(shè)計時，需要按照承臺選型設(shè)計承臺。柱下梁板式承臺，梁板結(jié)構(gòu)的高跨比、平板結(jié)構(gòu)的厚跨比一般為1∶8。設(shè)計梁板筏式承臺時，板厚、雙向板短邊凈跨比應(yīng)控制在1/16以內(nèi)，板厚應(yīng)大于400 mm。樁基承臺設(shè)計為墻下平板式承臺時，承臺厚跨比應(yīng)大于1/20，承臺厚度同樣大于400 mm。建筑樁基礎(chǔ)為框筒結(jié)構(gòu)時，可采用筏式承臺。建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計為剪力墻結(jié)構(gòu)時，承臺一般為平板式承臺，承臺配筋率取決于樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的局部彎矩。

此外，獨立柱下樁基承臺最小寬度應(yīng)大于50 cm，承臺邊樁中心點及其邊緣的間距應(yīng)大于單樁直徑。樁外邊緣、承臺邊緣的間距應(yīng)大于150 mm。設(shè)計墻下條形承臺梁時，樁邊、承臺邊的間距應(yīng)大于75 mm。墻下布樁時，對于建筑結(jié)構(gòu)為剪力墻的建筑體，若承臺設(shè)計為筏形承臺，其最小厚度應(yīng)大于200 mm。

4 優(yōu)化建筑樁基結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本思路

4.1 基于現(xiàn)場實況，校正樁基承載力

初步完成建筑樁基設(shè)計后，設(shè)計人員應(yīng)對建筑施工場地進行全面勘察，并結(jié)合具體的水文信息、地質(zhì)信息、現(xiàn)場環(huán)境調(diào)整樁基設(shè)計參數(shù)校正樁基承載力?？辈鞎r需要做好記錄，評估周圍環(huán)境對樁基施工的影響，排除其他干擾。測量最佳放線距離和位置，精確計算單樁承載力的特征值。綜合評估影響樁基設(shè)計與施工的因素，有利于提高樁基設(shè)計施工質(zhì)量。

確定樁基分布方案后，還應(yīng)考慮建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計、布樁方案，再次驗算樁基承載力，記錄分析布樁時的樁基結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)，包括樁身垂直度、樁基鉆孔深度等。另外，建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計等級為甲級的樁基，以及體形復(fù)雜、荷載不均勻、樁端下存在軟弱土層且設(shè)計等級為乙級的樁基，還應(yīng)提前進行沉降驗算，樁基沉降值不得超過該類建筑物的沉降允許值，同時符合GB 50007—2017《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》。

4.2 結(jié)合項目需求，優(yōu)化樁基結(jié)構(gòu)

城市化發(fā)展中，城市范圍內(nèi)的人口數(shù)量增加，新時期建筑高度整體呈上升趨勢。因此，進行建筑樁基設(shè)計時，設(shè)計人員還應(yīng)基于建筑項目的實際需求優(yōu)化樁基結(jié)構(gòu)。

對于高層建筑，為確保建筑物的承載力，設(shè)計人員可將樁基結(jié)構(gòu)設(shè)計為樁筏基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)的應(yīng)用能夠有效提高建筑物穩(wěn)定性，樁基長度設(shè)計應(yīng)考慮持力層的分布情況。為提升建筑的承壓能力，應(yīng)重點設(shè)計樁基中的單樁間距和樁體布局。此外，還應(yīng)考慮建筑水平承載力、豎向承載力等，精確計算樁基礎(chǔ)的承壓力，合理選擇樁身材料。

4.3 加強設(shè)計參數(shù)驗算，確保承載力計算準(zhǔn)確性

樁基設(shè)計期間，設(shè)計人員不僅需要計算單個樁的樁身承載力，還應(yīng)根據(jù)樁基布置方案，以及群樁和承臺、建筑結(jié)構(gòu)之間的作用力，采用有限元計算模式驗算樁基設(shè)計參數(shù)，分析單根樁基、群樁的承載力。為保證群樁承載力計算的準(zhǔn)確性，設(shè)計人員在單獨運算單樁承載的前提下，可通過復(fù)核計算的方式對樁基結(jié)構(gòu)的整體設(shè)計參數(shù)進行強度計算。然后在原有基礎(chǔ)上計算離散單元跨度，減少模擬計算量，提升計算效率。根據(jù)以往的經(jīng)驗可知，部分樁基會出現(xiàn)預(yù)期沉降量與實際值不符的情況，為避免該問題，需要設(shè)計人員利用地基結(jié)構(gòu)的土體彈性模量、泊松比，準(zhǔn)確計算樁基結(jié)構(gòu)建設(shè)材料的承載力。完成基礎(chǔ)設(shè)計后，需要進行成果核算，用可視化先進技術(shù)建立3D模型，輸入設(shè)計參數(shù)后模擬運行，保證承載力計算準(zhǔn)確。

5 結(jié)語

綜上所述，為設(shè)計可靠的建筑樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，設(shè)計人員應(yīng)結(jié)合建筑項目的實際需求、現(xiàn)場地質(zhì)條件，對樁基礎(chǔ)進行合理選型。然后，依據(jù)建筑結(jié)構(gòu)相關(guān)設(shè)計規(guī)范，確定樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)中樁身、樁徑的設(shè)計規(guī)格，總結(jié)完善樁基設(shè)計方案的方法，以此保障建筑樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性，為建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計水平的提升創(chuàng)造有利條件。