建筑工程地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)探討

張建清

（天和國(guó)咨（廈門(mén)）城建設(shè)計(jì)院）

0 引言

工業(yè)與民用建筑的地基和基礎(chǔ)，涉及的學(xué)科相當(dāng)廣泛，包括工程地質(zhì)、土力學(xué)、地基基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)和施工等很多方面。我國(guó)幅員遼闊，土質(zhì)各異，如沿海地區(qū)存在深厚軟土，中部地區(qū)存在濕陷性黃土，山區(qū)存在溶巖土洞。同樣一棟建筑在不同地質(zhì)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)必然不同，即使是同一地質(zhì)，不同設(shè)計(jì)師由于工程經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)背景的差異，設(shè)計(jì)基礎(chǔ)方案也可能會(huì)良莠不齊，從而影響建筑工程的整體質(zhì)量。由于基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案的多樣化，如何根據(jù)具體工程條件設(shè)計(jì)出更經(jīng)濟(jì)合理的基礎(chǔ)方案，即掌握基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的基本流程和思路是很重要的事情。

1 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的原理

地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)是建筑物設(shè)計(jì)的一個(gè)重要組成部分。基礎(chǔ)工程造價(jià)占工程造價(jià)很大比例，在地質(zhì)復(fù)雜地區(qū)，可達(dá)20%～30%，節(jié)約建設(shè)資金的潛力很大，如果盲目提高安全度，有時(shí)多花費(fèi)很多資金，卻不能收到良好的效果。因此，具有豐富工程經(jīng)驗(yàn)的工程師都十分重視地基與基礎(chǔ)的勘察、設(shè)計(jì)與施工階段的工作。要求從事結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的工程技術(shù)人員必須掌握土力學(xué)基礎(chǔ)工程的理論知識(shí)和實(shí)際技能。

基礎(chǔ)設(shè)計(jì)就是設(shè)計(jì)一個(gè)結(jié)構(gòu)構(gòu)件使得上部荷載能通過(guò)此構(gòu)件安全高效地傳遞到所在巖土中，并且所在巖土及構(gòu)件本身能滿(mǎn)足相應(yīng)的強(qiáng)度和變形要求?；A(chǔ)設(shè)計(jì)主要驗(yàn)算三部分內(nèi)容：⑴地基足夠穩(wěn)定；⑵地基的變形不影響建筑使用功能；⑶基礎(chǔ)構(gòu)件本身強(qiáng)度和耐久性滿(mǎn)足要求。

1.1 地基穩(wěn)定性

地基就是建筑基礎(chǔ)以下的巖土。隨著基底壓力不斷加大，地基會(huì)經(jīng)歷“壓密階段-剪切階段-破壞階段”三個(gè)過(guò)程，相應(yīng)的地基會(huì)從彈性變形階段過(guò)渡到彈塑性變形直至破壞。地基穩(wěn)定性就是指基底壓力不得大于地基承載力，否則地基會(huì)失穩(wěn)破壞。地基承載力和土的抗剪強(qiáng)度相關(guān)也和基礎(chǔ)埋深、基礎(chǔ)尺寸及基礎(chǔ)周邊超載有關(guān)。土的粘聚力、內(nèi)摩擦角越大，地基承載力越大?；A(chǔ)埋深越大，基礎(chǔ)越寬和基礎(chǔ)周邊有超載對(duì)于地基穩(wěn)定性也是有利的。

1.2 地基變形

地基變形，和建筑基礎(chǔ)相關(guān)的主要指沉降，沉降由基底附加壓力和土體有效應(yīng)力產(chǎn)生，沉降由分層總和法計(jì)算，依據(jù)勘察報(bào)告查取土層壓縮模量，根據(jù)荷載和土層厚度計(jì)算出沉降量，并根據(jù)地區(qū)經(jīng)驗(yàn)加以修正。對(duì)于不同類(lèi)型建筑，控制指標(biāo)不同，如高層結(jié)構(gòu)主要控制沉降量，多層框架結(jié)構(gòu)控制沉降差。計(jì)算所得沉降超規(guī)范要求時(shí)應(yīng)修改沉降較小的基礎(chǔ)形式或者通過(guò)地基處理改善地基壓縮性。

1.3 基礎(chǔ)強(qiáng)度和耐久性

基礎(chǔ)強(qiáng)度即指獨(dú)立基礎(chǔ)或者樁基承臺(tái)本身抗剪、抗彎、抗沖切滿(mǎn)足要求?；A(chǔ)耐久性是指地基土及土中水對(duì)基礎(chǔ)的鋼筋和混凝土有腐蝕性，基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮腐蝕性采取相應(yīng)措施，如增加保護(hù)層厚度等。

2 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)相關(guān)因素分析

設(shè)計(jì)時(shí)，要考慮場(chǎng)地的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件，同時(shí)也要考慮建筑物的使用要求、上部結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和施工條件等各種因素，另外新施工工藝和新技術(shù)也給設(shè)計(jì)帶來(lái)了更多選擇，以下簡(jiǎn)單分析說(shuō)明。

2.1 上部結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

上部結(jié)構(gòu)對(duì)基礎(chǔ)的影響主要體現(xiàn)在荷載大小和荷載分布特點(diǎn)。

荷載小的建筑，基底壓力和基底附加壓力都小，對(duì)地基承載力要求低，引起的沉降也小?？梢?xún)?yōu)先考慮淺基礎(chǔ)，持力層可選擇原狀好土或經(jīng)人工壓實(shí)處理的一般土，不滿(mǎn)足時(shí)再考慮深基礎(chǔ)。如承載力滿(mǎn)足，變形不滿(mǎn)足，可考慮采用減沉復(fù)核疏樁基礎(chǔ)?；蛲ㄟ^(guò)注漿、局部換填等地基處理方法增大基礎(chǔ)變形主要壓縮深度內(nèi)的壓縮模量，減少沉降。若建筑物的荷載大，如高層建筑，常采用深基礎(chǔ)。

荷載分布主要分為條狀分布或者點(diǎn)狀分布，條狀分布的砌體結(jié)構(gòu)和剪力墻結(jié)構(gòu)更適合條形基礎(chǔ)或條形承臺(tái)，也可采用大筏板。點(diǎn)狀荷載可采用獨(dú)立基礎(chǔ)或方形承臺(tái)。荷載分布與承臺(tái)形式相適應(yīng)的話，傳力會(huì)更加直接，相對(duì)節(jié)省造價(jià)。

上部結(jié)構(gòu)的使用功能對(duì)基礎(chǔ)的也有影響，對(duì)于沉降值或者沉降差有特別要求的精密儀器測(cè)量間等，即使淺基礎(chǔ)滿(mǎn)足承載力和變形規(guī)范要求，也有可能要設(shè)計(jì)樁基礎(chǔ)以滿(mǎn)足更嚴(yán)格的沉降要求，解決沉降差問(wèn)題則可采用整體性較好的筏板基礎(chǔ)或者獨(dú)立承臺(tái)間增設(shè)拉梁。

2.2 地質(zhì)條件影響

地基基礎(chǔ)是一門(mén)以經(jīng)驗(yàn)為主的學(xué)科，在進(jìn)行基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)，必須堅(jiān)持因地制宜的原則，充分考慮當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)條件以及本地的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，合理地進(jìn)行基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)有一定的地域性。例如同樣是沿海地帶，廣東珠海一帶對(duì)深厚淤泥地基常采用預(yù)壓或者抽真空加固，而福建地區(qū)則更多采用承臺(tái)范圍幾米內(nèi)淤泥采用水泥攪拌樁加固，同時(shí)限制管樁樁徑的做法，避免剛度過(guò)小樁被擠歪。

地質(zhì)勘察資料是基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的前置條件，我們基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的承載力、壓縮模量、抗浮設(shè)計(jì)地下水位等參數(shù)取值都應(yīng)以勘察報(bào)告為依據(jù)。

當(dāng)軟弱土層下直接為密實(shí)卵石層，碎塊狀花崗巖或中微風(fēng)化花崗巖，且選取以上土層為持力層時(shí)不得選用預(yù)制樁基礎(chǔ)。因?yàn)楣軜兑坏┐┻^(guò)覆蓋層就立即接觸硬層，貫入度會(huì)立即變得很小，樁身反彈特別厲害，管樁容易出現(xiàn)破壞現(xiàn)象；或樁尖變形、或樁頭打碎，或樁身破裂。預(yù)制樁適用于從上到下，土層從軟到硬漸變的地基。

對(duì)于灌注樁基礎(chǔ)，理論上最好不要以砂層、殘積性黏土層、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖層為持力層，因?yàn)榭椎壮猎鼰o(wú)法清理干凈。強(qiáng)風(fēng)化層和黏土層遇水軟化，承載力會(huì)急劇降低。砂層會(huì)由于清渣作用，水土流失，密實(shí)性變差，同樣降低承載力。

對(duì)于特殊性土，除了常規(guī)考慮外，設(shè)計(jì)時(shí)還得研習(xí)相關(guān)規(guī)范，如軟土及濕陷性黃土地基樁基設(shè)計(jì)時(shí)得考慮負(fù)摩阻力的影響，膨脹土和凍土地基得考慮脹拔力和凍拔力影響。

對(duì)于特殊項(xiàng)目的勘察報(bào)告，除了照本宣科設(shè)計(jì)，我們還要能站在設(shè)計(jì)的角度，對(duì)勘察內(nèi)容和勘察成果提要求。如對(duì)于巖溶土洞地區(qū)，當(dāng)可能采用單柱單樁設(shè)計(jì)時(shí)，則應(yīng)要求地勘采用超前鉆，每柱都設(shè)勘探點(diǎn)。對(duì)于地質(zhì)起伏較大的項(xiàng)目，在初勘資料出來(lái)后，如有需要?jiǎng)t可要求勘察單位加密勘探點(diǎn)補(bǔ)勘，以獲得更全面的設(shè)計(jì)資料。

受限于勘探成本和勘探工期的限制，勘察報(bào)告上的部分參數(shù)也是經(jīng)驗(yàn)取值，并無(wú)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，其精確性有一定局限性。有時(shí)設(shè)計(jì)為了進(jìn)一步驗(yàn)證地勘準(zhǔn)確性也可協(xié)調(diào)業(yè)主單位組織做更有說(shuō)服力的原位載荷實(shí)驗(yàn)。

案例⑴：福州某高層住宅項(xiàng)目，采用樁基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)勘察報(bào)告和規(guī)范經(jīng)驗(yàn)公式，樁基承載力特征值取3100KN。施工前組織試打樁并且做載荷實(shí)驗(yàn)，在荷載加載5500KN時(shí)，樁頂總沉降量已達(dá)40mm，最后設(shè)計(jì)承載力特征值修正為2600KN。施工前試打樁及時(shí)論證樁基承載力，避免了大面積補(bǔ)樁。

案例⑵：莆田綬溪片區(qū)某高層住宅項(xiàng)目，地處山坡地，屬于山地項(xiàng)目。項(xiàng)目底板標(biāo)高為原始土面往下開(kāi)挖10-14m，底板底土層為強(qiáng)風(fēng)化凝灰?guī)r。地勘報(bào)告土層修正后承載力取500KPa，32層項(xiàng)目基底壓力約為550KPa，按地勘數(shù)據(jù)應(yīng)采用樁基礎(chǔ)。由于兩者數(shù)值相差不大存在做筏板基礎(chǔ)的可能性，我們建議業(yè)主單位組織做按600KPa 的承載力要求去做淺層平板載荷實(shí)驗(yàn)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，荷載加載至1200KPa 時(shí)承壓板沉降小于6%，承載力特征值修正為600KPa，項(xiàng)目按淺基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，節(jié)約了大量經(jīng)濟(jì)成本和項(xiàng)目工期。該項(xiàng)目已竣備，沉降觀測(cè)數(shù)據(jù)未見(jiàn)異常。

2.3 施工條件的影響

設(shè)計(jì)前應(yīng)落實(shí)施工條件，如設(shè)計(jì)管樁時(shí)，應(yīng)落實(shí)項(xiàng)目所在地是否臨近學(xué)校、居民區(qū)等對(duì)噪音敏感的建筑物，如有則大概率要按靜壓樁設(shè)計(jì)，不得采用錘擊工藝。對(duì)于卵石層厚的項(xiàng)目，如不能采用錘擊工藝，靜壓施工時(shí)設(shè)計(jì)說(shuō)明應(yīng)寫(xiě)明引孔做法。

施工順序也會(huì)對(duì)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)有一定影響，部分項(xiàng)目先開(kāi)挖基坑再打樁，常常出現(xiàn)地下室預(yù)制邊樁沒(méi)有空間施工的問(wèn)題。設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況把部分預(yù)制樁改為灌注樁，或當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)采用邊樁器施工預(yù)制樁時(shí)，承載力不滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)應(yīng)復(fù)核補(bǔ)強(qiáng)。

基礎(chǔ)檢測(cè)批次對(duì)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)也有一定影響。如地下室基礎(chǔ)采用管樁時(shí)，部分設(shè)計(jì)師為了追求樁數(shù)最少精細(xì)化設(shè)計(jì)采用500/600 徑多種型號(hào)組合。但現(xiàn)場(chǎng)頻繁換樁頭，且導(dǎo)致了靜載檢測(cè)樁數(shù)的增加，靜載費(fèi)用單根樁1 萬(wàn)多，相當(dāng)于2 根500 徑30m 的樁，總賬算起來(lái)不一定劃算。

2.4 新施工工藝和新技術(shù)

新技術(shù)和新工藝為設(shè)計(jì)帶來(lái)了更多的工具和選擇余地。下面簡(jiǎn)單介紹下兩種新技術(shù)“植樁+超高強(qiáng)管樁”、“可控剛度樁筏基礎(chǔ)”的應(yīng)用。

⑴植樁法。所謂植樁法就是預(yù)制樁施工時(shí)，按照設(shè)計(jì)要求的樁長(zhǎng)，預(yù)先鉆孔至設(shè)計(jì)標(biāo)高，再埋入預(yù)制樁的施工方法。若在鉆孔內(nèi)注入水泥漿、砂漿、細(xì)石混凝土或其他固樁材料，再植入預(yù)制樁，可以形成復(fù)合管樁，如圖1。

圖1

圖2

圖3

植樁法主要能解決基巖埋深較淺的情況，采用預(yù)制樁無(wú)法達(dá)到設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)，采用灌注樁造價(jià)又較高，此時(shí)采用兩者中和的植樁法能較好解決以上問(wèn)題。以某項(xiàng)目為例，植樁法和灌注樁經(jīng)濟(jì)性對(duì)比如表1。

表1

⑵可控剛度樁筏基礎(chǔ)。適用于孤石多成樁困難且基底為好土地區(qū)，原理是在灌注樁樁頂安裝可以協(xié)調(diào)變形的支座，協(xié)調(diào)樁土剛度不差太多，使得樁土可以共同作用，上部荷載部分分擔(dān)給土，減少了樁數(shù)，從而節(jié)約造價(jià)和工期。以某項(xiàng)目為例，可控剛度樁筏基礎(chǔ)和純灌注樁基礎(chǔ)對(duì)比如下（樁數(shù)由81根減少為59）。

3 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)基本流程

基礎(chǔ)設(shè)計(jì)基本流程是：⑴收集項(xiàng)目施工條件，施工順序，當(dāng)?shù)厥欠裼薪霉に嚨刃畔ⅲO(shè)計(jì)時(shí)提前避免。⑵根據(jù)項(xiàng)目建筑資料，建模計(jì)算柱底力，根據(jù)柱底力大小和項(xiàng)目功能初步估計(jì)基礎(chǔ)形式。⑶更重要的仔細(xì)分析地質(zhì)和水文條件，判斷成樁難度，預(yù)估能用的基礎(chǔ)形式和確定基礎(chǔ)所需驗(yàn)算內(nèi)容。⑷布置基礎(chǔ)，輸入荷載和地勘參數(shù)通過(guò)電算加以驗(yàn)證修改。⑸遇到特殊地質(zhì)或復(fù)雜地質(zhì)時(shí)，還可考慮新工藝新技術(shù)是否能用上。⑹對(duì)按照以上步驟篩選出來(lái)的基礎(chǔ)方案進(jìn)行造價(jià)和工期對(duì)比，選出更優(yōu)解。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)是建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要部分，對(duì)建設(shè)項(xiàng)目工期和造價(jià)都影響巨大，也是業(yè)主的關(guān)切點(diǎn)。根據(jù)本次對(duì)地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)原理和相關(guān)影響因素的分析，可以看出，基礎(chǔ)設(shè)計(jì)相對(duì)復(fù)雜并且和個(gè)人工作經(jīng)驗(yàn)個(gè)人知識(shí)背景息息相關(guān)。