民用建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

戴麗薇

（中國(guó)建筑技術(shù)集團(tuán)有限公司，北京 100013）

1 引言

民用建筑基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的質(zhì)量直接影響著建筑結(jié)構(gòu)整體的安全性與穩(wěn)定性，若基礎(chǔ)設(shè)計(jì)不合理，會(huì)導(dǎo)致基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性下降，從而降低民用建筑整體質(zhì)量。 對(duì)此，需要建設(shè)單位高度重視優(yōu)化民用建筑基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，深入分析影響基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的因素，并把握基礎(chǔ)設(shè)計(jì)要點(diǎn)，使基礎(chǔ)更加穩(wěn)固，進(jìn)而保障建筑整體質(zhì)量。

2 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的重要性

在民用建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，若基礎(chǔ)設(shè)計(jì)不當(dāng)，可能導(dǎo)致建筑物因缺乏足夠的承載力而發(fā)生不均勻沉降， 使建筑物發(fā)生傾斜或開(kāi)裂問(wèn)題，并且所造成的工程質(zhì)量問(wèn)題難以修復(fù)。 同時(shí)，在民用建筑工程造價(jià)當(dāng)中，基礎(chǔ)工程占比較大，一般可達(dá)到約25%，在遇到復(fù)雜地質(zhì)或復(fù)雜結(jié)構(gòu)時(shí)，基礎(chǔ)占比還會(huì)增加，所以，優(yōu)化基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，合理選擇基礎(chǔ)類(lèi)型，把握好基礎(chǔ)設(shè)計(jì)要點(diǎn)，有助于控制工程造價(jià)。 另外，優(yōu)化基礎(chǔ)設(shè)計(jì)有助于縮短施工工期，因?yàn)樵诿裼媒ㄖ两üこ淌┕ぶ?，基礎(chǔ)工程的工期在總工期中占比約達(dá)到30%，所以，優(yōu)化基礎(chǔ)設(shè)計(jì)可保證基礎(chǔ)工程順利施工并按時(shí)完工，甚至縮減工期。

3 民用建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的影響因素

3.1 地質(zhì)條件

在民用建筑基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中， 地質(zhì)條件屬于關(guān)鍵影響因素， 建筑工程所在地的地質(zhì)條件涉及范圍比較廣而且復(fù)雜性強(qiáng)，會(huì)對(duì)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的多個(gè)環(huán)節(jié)產(chǎn)生影響。 所以，在民用建筑基礎(chǔ)設(shè)計(jì)之前，需要全面、細(xì)致地開(kāi)展地質(zhì)勘查工作，充分掌握必要的地質(zhì)資料， 在勘察工作中全面了解施工場(chǎng)地周邊的交通、建筑物條件以及給排水、地形地貌等情況。 而且同一建筑物可能會(huì)選擇不同的基礎(chǔ)形式以及地基設(shè)計(jì)方案， 并且在工程造價(jià)以及施工難度等方面也有所差異， 需要綜合考慮多項(xiàng)因素優(yōu)化選擇設(shè)計(jì)方案。 一些民用建筑物施工現(xiàn)場(chǎng)地形比較復(fù)雜，而且地基強(qiáng)度不足，有較大的壓縮性，難以達(dá)到基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)要求，像一些民用建筑基礎(chǔ)土層當(dāng)中有潛在傾斜滑動(dòng)面，抑或滑動(dòng)面不具備足夠的抗剪強(qiáng)度， 若遇到地震或受到外部負(fù)載影響，可導(dǎo)致地基順著軟弱面發(fā)生水平位移，為避免滑坡現(xiàn)象，需要在設(shè)計(jì)中結(jié)合地質(zhì)條件采取有效的處理措施，以盡量減少地基變形，使地基具有更高的強(qiáng)度與穩(wěn)定性[1]。

3.2 上部結(jié)構(gòu)

在民用建筑結(jié)構(gòu)中， 上部結(jié)構(gòu)的高度會(huì)對(duì)建筑基礎(chǔ)受力情況產(chǎn)生重要影響， 因?yàn)榻ㄖ喜拷Y(jié)構(gòu)有不同的高度和墻體厚度，建筑物的上部荷載也不同，從而對(duì)基礎(chǔ)受力產(chǎn)生不同的影響。 如果上部結(jié)構(gòu)具有較大的剛度，會(huì)容易使地基基礎(chǔ)出現(xiàn)一定變形，而且基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)中的豎向構(gòu)件可能發(fā)生均勻沉降；如果上部結(jié)構(gòu)剛度較小， 有可能會(huì)因?yàn)樯喜拷Y(jié)構(gòu)受到的基礎(chǔ)約束力比較小，在基礎(chǔ)構(gòu)件發(fā)生彎曲問(wèn)題時(shí)，建筑整體也發(fā)生彎曲。 所以，在民用建筑基礎(chǔ)設(shè)計(jì)過(guò)程中，要綜合考慮建筑上部結(jié)構(gòu)實(shí)際情況，通過(guò)對(duì)基礎(chǔ)抗變形能力、穩(wěn)定性以及沉降量等進(jìn)行科學(xué)分析與計(jì)算，優(yōu)化選擇基礎(chǔ)設(shè)計(jì)類(lèi)型，明確基礎(chǔ)埋深等，以確保達(dá)到承載上部結(jié)構(gòu)荷載的要求。

3.3 施工環(huán)境

在民用建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中還要考慮施工環(huán)境的影響，主要分為人工環(huán)境和自然環(huán)境。 其中，自然環(huán)境影響因素主要包括抗震等級(jí)、環(huán)境溫度等，并且此因素還會(huì)對(duì)鋼筋混凝土等施工建材產(chǎn)生影響，若施工環(huán)境溫度比較低，地基基礎(chǔ)可能會(huì)出現(xiàn)開(kāi)裂問(wèn)題；建筑基礎(chǔ)還可能受到地震影響，需要在設(shè)計(jì)中預(yù)先設(shè)置抗震縫， 并要綜合考慮多項(xiàng)因素明確抗震縫的布置情況和實(shí)際數(shù)量等。 而影響基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的人工環(huán)境因素主要包括打樁施工、施工振動(dòng)等，在樁基埋設(shè)過(guò)程中，會(huì)導(dǎo)致周邊土壤受到擠壓力，并由此產(chǎn)生應(yīng)力，從而影響基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)以及周邊地下管線(xiàn)，所以，基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中要重點(diǎn)考慮該影響因素。 例如，某民用建筑項(xiàng)目在設(shè)計(jì)抗震等級(jí)過(guò)程中著重考慮工程所在地的地質(zhì)情況、基本雪壓、基本風(fēng)壓、舒適度驗(yàn)算、結(jié)構(gòu)阻尼比以及風(fēng)荷載計(jì)算相關(guān)結(jié)構(gòu)阻尼比等， 在此基礎(chǔ)上分析計(jì)算塔樓結(jié)構(gòu)構(gòu)件在罕遇地震、設(shè)防地震、多遇地震等不同性能目標(biāo)的構(gòu)造抗震等級(jí)，由此確定建筑基礎(chǔ)設(shè)計(jì)要點(diǎn)，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，使建筑結(jié)構(gòu)其抗震性能達(dá)到了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

4 民用建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

4.1 優(yōu)化選擇基礎(chǔ)形式

對(duì)于民用建筑結(jié)構(gòu)， 在基礎(chǔ)設(shè)計(jì)過(guò)程中首先要注意合理選型，由此確?；A(chǔ)設(shè)計(jì)方案更加科學(xué)、合理。 目前常見(jiàn)的基礎(chǔ)類(lèi)型有兩種，即獨(dú)立基礎(chǔ)和復(fù)合基礎(chǔ)，要基于工程實(shí)際情況恰當(dāng)?shù)剡x擇基礎(chǔ)類(lèi)型。 獨(dú)立基礎(chǔ)具有較好的抗震性和經(jīng)濟(jì)性，并且地基變形適應(yīng)能力強(qiáng)， 但是一些民用建筑局部地基缺乏均勻性，且不符合地基承載力要求，若盲目選擇獨(dú)立基礎(chǔ)可引發(fā)嚴(yán)重問(wèn)題。 獨(dú)立基礎(chǔ)有多種設(shè)計(jì)形式，較為常用的形式有兩種，即墻下獨(dú)立基礎(chǔ)和柱下獨(dú)立基礎(chǔ)，應(yīng)用較廣泛的類(lèi)型是鋼筋混凝土筏板基礎(chǔ)，具有很強(qiáng)的承載力，而且便于施工[2]。 實(shí)際設(shè)計(jì)期間，要求設(shè)計(jì)人員優(yōu)化設(shè)計(jì)高度、配筋率等參數(shù)。 基礎(chǔ)施工中經(jīng)常會(huì)遇到大體積結(jié)構(gòu)， 要用到大體積混凝土施工技術(shù)，嚴(yán)格管控施工工藝，否則將容易發(fā)生施工裂縫。 對(duì)此，需要施工人員合理設(shè)置后澆帶，重點(diǎn)處理裂縫，通常寬度在800~1 000 mm。

而對(duì)于復(fù)合基礎(chǔ)來(lái)說(shuō)，其設(shè)計(jì)不同于獨(dú)立基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)內(nèi)容以人工基礎(chǔ)作業(yè)為主，體現(xiàn)出抗振動(dòng)、抗沉降能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，同時(shí)地基基礎(chǔ)有很高的承載力，可充分支撐上部建筑結(jié)構(gòu)。 復(fù)合基礎(chǔ)也有較多的類(lèi)型，如灌漿、強(qiáng)夯、深層攪拌樁等，設(shè)計(jì)期間要著重改善地基土層濕陷、液化、軟弱等問(wèn)題，在使基體以及增強(qiáng)體協(xié)同發(fā)揮作用基礎(chǔ)上， 共同支撐上部結(jié)構(gòu)的承重能力。 所以，復(fù)雜基礎(chǔ)無(wú)論是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)還是施工工藝，均比較復(fù)雜， 要求設(shè)計(jì)人員在綜合考慮地基實(shí)際情況的基礎(chǔ)上合理選擇地基類(lèi)型。

4.2 合理明確地基埋深

在民用建筑不斷發(fā)展的過(guò)程中，建筑層高不斷加大，對(duì)于高層民用建筑，若選擇箱形或者筏形基礎(chǔ)，要求埋置深度必須滿(mǎn)足地基承載力、穩(wěn)定性以及變形等要求。 若民用建筑處于抗震設(shè)防區(qū)，天然地基（除巖石地基之外）其筏形和箱形基礎(chǔ)的埋深應(yīng)≥1/15 建筑物高度；而對(duì)于樁筏或者樁箱基礎(chǔ)，其埋深應(yīng)≥1/18 建筑高度[3]。 如果高層民用建筑在巖石地基之上，要求基礎(chǔ)埋深達(dá)到抗滑要求， 而且目前大多高層民用建筑均設(shè)有地下室，由此拓展建筑結(jié)構(gòu)功能，使建筑物空間更大，高效利用土地資源，并由此對(duì)埋深問(wèn)題予以解決，但此種設(shè)計(jì)也使建筑有更大的施工難度， 需要在地基埋深確定過(guò)程中綜合考量建筑整體使用價(jià)值。 另外，民用建筑地基埋深也會(huì)在一定程度上受到地理空間點(diǎn)位的影響。 例如，某民用建筑在區(qū)塊核心點(diǎn)位，周邊分布著城市主干道以及住宅小區(qū)、商業(yè)辦公樓等建筑，地下管線(xiàn)的埋設(shè)情況也比較復(fù)雜，所以，在確定該建筑地基埋深時(shí)， 應(yīng)盡量避免干擾周邊建筑物， 細(xì)致地做好測(cè)量工作，全面收集有關(guān)信息和資料，最大限度地降低對(duì)周邊建筑和道路的影響，并確保建筑能夠正常、安全使用。

4.3 考量地基承載力

在民用建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)過(guò)程中， 還要綜合考慮建筑正常使用中的極限狀態(tài)以及承載能力極限情況， 若民用建筑選擇的是天然地基和獨(dú)立基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)， 那么要求其承載力應(yīng)達(dá)到以下要求： 上部建筑結(jié)構(gòu)中的豎向荷載能夠順利傳至獨(dú)立基礎(chǔ)當(dāng)中，而且獨(dú)立基礎(chǔ)的基底壓力不可比地基承載力高；而若民用建筑選擇樁基礎(chǔ)以及承臺(tái)結(jié)構(gòu)， 那么其承載力要達(dá)到以下要求：上部建筑結(jié)構(gòu)當(dāng)中的豎向荷載能夠順利傳至承臺(tái)，然后再傳至樁基， 而且樁基所承受的豎向力不可比樁基承載力特征值高[4]。 在正常設(shè)計(jì)及使用時(shí)，應(yīng)達(dá)到基礎(chǔ)沉降、裂縫寬度驗(yàn)算、樁基抗裂、樁基沉降變形等要求。 比如，在對(duì)民用建筑結(jié)構(gòu)的主裙樓進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)過(guò)程中， 不僅要對(duì)地基承重能力予以考量，還要結(jié)合實(shí)際情況優(yōu)化基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，選擇合適的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案，深度修正主體結(jié)構(gòu)地基，結(jié)合基礎(chǔ)底面荷載情況，根據(jù)雙側(cè)超載程度明確基礎(chǔ)埋深。

一般在基礎(chǔ)雙側(cè)有不同的超載情況時(shí)， 其基準(zhǔn)應(yīng)為結(jié)構(gòu)地基承載力極小值； 而如果基礎(chǔ)雙側(cè)的超載超過(guò)基礎(chǔ)寬度2倍時(shí)，則要參考土層厚度[5]。 而且和土質(zhì)地基相比，巖石地基有著更強(qiáng)的地基承載能力，可分別選取破碎巖體、完整巖體、較完整巖體的樣本展開(kāi)地基荷載試驗(yàn)， 并結(jié)合單軸抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值對(duì)地基承載力的特征值進(jìn)行計(jì)算。

4.4 做好性能計(jì)算

首先，要進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算。 當(dāng)前很多民用建筑工程普遍有抗浮穩(wěn)定性不佳情況，為規(guī)避此問(wèn)題，需要設(shè)計(jì)人員結(jié)合工程設(shè)計(jì)要求及實(shí)際情況優(yōu)化設(shè)置構(gòu)件，也可采取增壓措施。 若局部抗浮沒(méi)有達(dá)到要求， 可適度提升結(jié)構(gòu)剛度， 如可應(yīng)用抗拔樁，若抗拔樁的位置發(fā)生變動(dòng)，也會(huì)同步增加抗拔力[6]。 為避免結(jié)構(gòu)有較大差異，需要優(yōu)化設(shè)計(jì)抗拔力值。 比如，某民用建筑的地下室基底深度較大，抗浮水頭是18.8 m，所以，上部建筑結(jié)構(gòu)重量無(wú)法達(dá)到抗浮要求，要著重優(yōu)化抗浮設(shè)計(jì)，使建筑物更加穩(wěn)定。 對(duì)于這一情況，主要采取巖石錨桿抗浮措施，結(jié)合整體抗浮要求，對(duì)單根錨桿其所承受的浮力作用值（即Nwk）加以計(jì)算，公式為：

式中，F(xiàn)k為單根錨桿所承受的水浮力標(biāo)準(zhǔn)值；γG為荷載分項(xiàng)系數(shù)，取0.9；Gk為單根錨桿其底板自重標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值，經(jīng)計(jì)算獲得錨桿直徑、長(zhǎng)度還有間距。

其次，要進(jìn)行基礎(chǔ)變形計(jì)算。 因?yàn)榈鼗冃纬潭葘?duì)民用建筑的安全性有直接影響，所以，基礎(chǔ)設(shè)計(jì)期間要做好地基變形計(jì)算。 地基變形主要有地基沉降差、地基沉降量、地基局部?jī)A斜、地基整體傾斜等類(lèi)型，地基設(shè)計(jì)及施工中要著重計(jì)算這幾類(lèi)地基變形，確保地基變形計(jì)算值比地基變形允許值小，若發(fā)現(xiàn)計(jì)算值超過(guò)允許值，需及時(shí)調(diào)整地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，促使地基基礎(chǔ)更加穩(wěn)定[7]。

4.5 科學(xué)選擇施工材料

在民用建筑基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)當(dāng)中， 基礎(chǔ)配筋以及混凝土等材料性能及質(zhì)量等也會(huì)對(duì)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性以及安全性產(chǎn)生直接影響，所以，基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中還要優(yōu)化選定基礎(chǔ)配筋以及混凝土等材料，合理提升施工標(biāo)準(zhǔn)，保證建筑結(jié)構(gòu)更具耐久性，并達(dá)到規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。 設(shè)計(jì)人員在確定基礎(chǔ)配筋過(guò)程中，要注意和最小配筋相匹配，結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)圖紙?jiān)O(shè)計(jì)基礎(chǔ)配筋，對(duì)基礎(chǔ)寬度、高度做適當(dāng)調(diào)整，促使基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)更加可靠與穩(wěn)定[8]。

5 結(jié)語(yǔ)

在民用建筑結(jié)構(gòu)中，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)發(fā)揮著支撐作用，直接影響著工程建設(shè)的整體質(zhì)量及安全性。 所以，要求設(shè)計(jì)人員充分認(rèn)識(shí)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的重要性，明確影響基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的因素，并在做好地質(zhì)勘察以及細(xì)致分析的基礎(chǔ)上優(yōu)化選擇基礎(chǔ)類(lèi)型，合理確定基礎(chǔ)埋深，著重考量地基承載力，并加強(qiáng)性能計(jì)算，優(yōu)化選擇施工材料，盡量提升民用建筑基礎(chǔ)設(shè)計(jì)質(zhì)量，保障整體建筑設(shè)計(jì)果。