土木工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與地基加固技術(shù)探究

李雪玲

（山東協(xié)和學(xué)院，山東 濟(jì)南 250107）

土木工程作為基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的重要組成部分，對于人類社會的發(fā)展和安全至關(guān)重要。然而，土木工程在面臨自然環(huán)境的影響和工程要求的挑戰(zhàn)時(shí)，常常面臨耐久性和安全性的問題。為了提高土木工程的質(zhì)量和可持續(xù)性，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和地基加固技術(shù)成為不可或缺的關(guān)鍵因素。

1 土木工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和地基加固技術(shù)的作用

1.1 提高土木工程的耐久性

土木工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和地基加固技術(shù)在提高土木工程的耐久性方面起著關(guān)鍵作用。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師會根據(jù)項(xiàng)目要求和環(huán)境條件選擇適當(dāng)?shù)牟牧?，耐久性?qiáng)的材料能夠抵御時(shí)間、環(huán)境和負(fù)載的影響，延長土木工程的使用壽命。例如，使用高強(qiáng)度混凝土或耐候鋼等材料可以提高結(jié)構(gòu)的抗腐蝕性和耐久性。同時(shí)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師會考慮到土木工程所面臨的各種環(huán)境和外界條件，采取措施來保護(hù)結(jié)構(gòu)免受損害。這可能包括使用防水層、防腐涂層和隔熱材料等，以防止水分、化學(xué)物質(zhì)、紫外線和其他因素對結(jié)構(gòu)造成損害。

1.2 增強(qiáng)土木工程的抗震能力

土木工程的抗震設(shè)計(jì)是確保結(jié)構(gòu)在地震事件中能夠承受地震力量并保持完整性的關(guān)鍵因素，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師會考慮到地震荷載的作用，并采用合適的設(shè)計(jì)方法來提高結(jié)構(gòu)的抗震能力，包括選擇適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)形式、配置合理的構(gòu)件和連接方式，以及使用抗震材料等。峰值位移指標(biāo)（Peak Ground Displacement，PGD）指結(jié)構(gòu)在地震作用下所發(fā)生的最大位移，它反映了結(jié)構(gòu)對地震動(dòng)的響應(yīng)程度，是評估結(jié)構(gòu)性能的重要指標(biāo)。

其中，u表示結(jié)構(gòu)的位移響應(yīng)，max表示取位移響應(yīng)的最大值。在土木工程中，應(yīng)將峰值位移限制在結(jié)構(gòu)高度的1%以內(nèi)或0.5%以內(nèi)，土木工程中的抗震技術(shù)包括各種方法和技術(shù)，旨在增強(qiáng)結(jié)構(gòu)對地震荷載的抵抗能力，包括抗震支撐系統(tǒng)、減震裝置、阻尼器和隔震設(shè)備等，可以減少地震力的傳遞和結(jié)構(gòu)的震動(dòng)響應(yīng)，從而降低結(jié)構(gòu)破壞的風(fēng)險(xiǎn)。在土木工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，結(jié)構(gòu)合理性對于增強(qiáng)抗震能力至關(guān)重要，通過合理布置結(jié)構(gòu)構(gòu)件、設(shè)置適當(dāng)?shù)募袅?、拱、橫梁等，可以提高結(jié)構(gòu)的剛度和穩(wěn)定性，增強(qiáng)其抗震能力。

2 土木工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

剪力墻是一種常用的結(jié)構(gòu)形式，用于提供土木工程的抗震能力和穩(wěn)定性。它是由連續(xù)的垂直墻體構(gòu)成，通過吸收和分散地震力量，將其傳遞到地基并保護(hù)建筑結(jié)構(gòu)。第一，剪力墻應(yīng)布置在建筑結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵位置，通常位于建筑的外圍或內(nèi)部核心區(qū)域，在布置剪力墻時(shí)，要考慮到結(jié)構(gòu)的幾何形狀、建筑功能和空間布局等因素。第二，剪力墻的形狀和尺寸應(yīng)根據(jù)土木工程的設(shè)計(jì)要求進(jìn)行確定。通常，剪力墻的高度較大，延伸從地基到建筑物的上部，以提供足夠的剛度和穩(wěn)定性。剪力墻可以是直墻、L型墻、U型墻或C型墻等形式，根據(jù)具體情況選擇適當(dāng)?shù)男螤?，其特點(diǎn)如表1所示。第三，常見的剪力墻材料包括鋼筋混凝土、預(yù)應(yīng)力混凝土或砌塊。材料的選擇取決于土木工程的設(shè)計(jì)要求和地震區(qū)域的特點(diǎn)，高強(qiáng)度混凝土和鋼筋可以提供剪力墻所需的剛度和強(qiáng)度。第四，剪力墻應(yīng)設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)目v向和橫向鋼筋配置，以提供足夠的抗剪和抗彎剛度，縱向鋼筋用于抵抗墻體的彎曲力和剪切力，而橫向鋼筋用于增加墻體的抗震能力。第五，剪力墻與土木工程的其他結(jié)構(gòu)構(gòu)件，如梁、柱和樓板等，需要進(jìn)行良好的連接，連接方式可以采用焊接、螺栓或鋼筋混凝土節(jié)點(diǎn)等，以確保剪力墻和其他構(gòu)件間的力的傳遞和協(xié)同工作。第六，剪力墻的抗震設(shè)計(jì)是確保其在地震荷載下發(fā)揮預(yù)期功能的關(guān)鍵。設(shè)計(jì)時(shí)要考慮到地震力的作用，包括水平地震力和垂直地震力，通過合理的分析和計(jì)算，確定剪力墻的尺寸、鋼筋配置和墻體厚度等參數(shù)，以滿足設(shè)計(jì)要求。

表1 不同剪力墻結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

2.2 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)是土木工程中常見且廣泛應(yīng)用的結(jié)構(gòu)形式，具有優(yōu)秀的強(qiáng)度、剛度和耐久性。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的第一步是確定作用于結(jié)構(gòu)的各種荷載，包括常規(guī)荷載（如自重、使用荷載）和可變荷載（如風(fēng)荷載、雪荷載），通過荷載計(jì)算和分析，確定結(jié)構(gòu)所需的強(qiáng)度和剛度。第二，根據(jù)土木工程的具體要求和功能，選擇適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)形式，如框架結(jié)構(gòu)、平面框架結(jié)構(gòu)、梁柱結(jié)構(gòu)等，結(jié)構(gòu)形式的選擇應(yīng)考慮到建筑物的幾何形狀、空間布局和使用要求。第三，設(shè)計(jì)各種結(jié)構(gòu)構(gòu)件，如梁、柱、樓板和基礎(chǔ)等，根據(jù)荷載計(jì)算和結(jié)構(gòu)形式，確定構(gòu)件的尺寸、鋼筋配置和混凝土強(qiáng)度等參數(shù)，構(gòu)件的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性和耐久性的要求。第四，在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，鋼筋的配置對結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度至關(guān)重要，通過合理布置和設(shè)計(jì)鋼筋，可以抵抗結(jié)構(gòu)受力時(shí)的彎曲、剪切和扭轉(zhuǎn)等力的作用，鋼筋配置應(yīng)遵循國家和地區(qū)的建筑標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。第五，混凝土是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的重要組成部分，混凝土配合比設(shè)計(jì)包括確定水泥、砂、骨料和水的比例，以滿足結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和耐久性要求，混凝土的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮到材料的可獲得性、施工工藝和耐久性等因素。

2.3 承重結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在土木工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，特別是對于不同地區(qū)的建筑物，考慮到地理位置和相關(guān)因素的影響是至關(guān)重要的。不同地區(qū)具有不同的地理位置和氣候條件，如海岸地區(qū)、高海拔地區(qū)、熱帶地區(qū)等，這些因素會影響建筑物所需的抗風(fēng)能力、抗雨水侵入能力和耐久性等，設(shè)計(jì)人員需要根據(jù)地理位置的特點(diǎn)，選擇合適的建筑結(jié)構(gòu)和材料，以應(yīng)對當(dāng)?shù)氐臍夂蚝铜h(huán)境條件。地質(zhì)條件對建筑物的抗震能力和穩(wěn)定性有重要影響。例如，存在地質(zhì)問題的地區(qū)，如軟土地基、巖石地層、地下水位較高等，需要進(jìn)行地質(zhì)勘測和分析，并采取相應(yīng)的地基加固措施，以增強(qiáng)建筑物的抗震能力。

3 地基加固技術(shù)在土木工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

3.1 排水固結(jié)技術(shù)

3.1.1 真空預(yù)壓法

真空預(yù)壓法是地基加固技術(shù)中的一種常用方法，用于改善黏性土地基的工程性質(zhì)，尤其是在軟土地區(qū)。真空預(yù)壓法利用負(fù)壓作用，通過排空土層中的空氣，降低土體內(nèi)的孔隙水壓力，促使地下水從豎向方向排出，從而提高土體的有效應(yīng)力和壓縮強(qiáng)度。真空泵通過抽取土壤中的空氣，產(chǎn)生負(fù)壓，將土壤顆粒更加緊密地結(jié)合在一起，使土體的固結(jié)時(shí)間大幅縮短。真空預(yù)壓法可以顯著加快地基固結(jié)速度，縮短施工周期，通過真空預(yù)壓法，土體的有效應(yīng)力和壓縮強(qiáng)度得到提高，從而改善地基的工程性質(zhì)，如承載力、穩(wěn)定性和變形性能。

3.1.2 堆載預(yù)壓法

堆載預(yù)壓法通過堆載填土并施加荷載，使地基產(chǎn)生沉降，從而增加地基的有效應(yīng)力和固結(jié)，提高地基的承載力，在加載過程中，預(yù)壓荷載力要超過項(xiàng)目工程的荷載，以確保地基能夠承受預(yù)期的荷載。施工人員需要根據(jù)土木工程的設(shè)計(jì)要求和地基的情況，確定合適的預(yù)壓荷載力，預(yù)壓荷載力應(yīng)超過項(xiàng)目工程的荷載，并控制在建筑荷載的1.3倍左右。在地基上堆載填土，通過逐層填充和均勻壓實(shí)，形成一定厚度的填土層，以及在填土層上施加荷載，使地基開始沉降，并產(chǎn)生固結(jié)效應(yīng)，荷載的施加可以通過靜載或動(dòng)載的方式進(jìn)行，具體根據(jù)項(xiàng)目要求和工程實(shí)際情況確定。

3.2 樁基加固技術(shù)

樁基加固技術(shù)是通過在地基中插入樁來增加地基的承載能力和穩(wěn)定性。樁基加固技術(shù)通過將樁體插入地下，利用樁的承載能力和側(cè)阻力來轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)荷載到更深的土層或巖石中，樁的插入可以增加地基的承載能力、改善地基的穩(wěn)定性、減小地基的沉降和變形。在樁基施工過程中，需要根據(jù)設(shè)計(jì)要求和地基情況選擇合適的樁基類型，并進(jìn)行相關(guān)的施工準(zhǔn)備工作，如勘察、標(biāo)定樁位和準(zhǔn)備施工設(shè)備，以及根據(jù)設(shè)計(jì)要求和施工方法，進(jìn)行鉆孔或振動(dòng)插樁操作，鉆孔樁需要先進(jìn)行鉆孔，然后進(jìn)行樁身灌注；而振動(dòng)插樁則是通過機(jī)械振動(dòng)或沖擊的方式將預(yù)制樁或鋼筋混凝土樁插入地下。對于鉆孔灌注樁和鋼筋混凝土灌注樁，需要在樁孔中進(jìn)行混凝土灌注，確保樁體的牢固和連接性。同時(shí)，根據(jù)工程要求和設(shè)計(jì)，對樁頂進(jìn)行處理，如修剪、加固或安裝鋼板等，以連接到建筑結(jié)構(gòu)或其他地基構(gòu)件。樁基加固技術(shù)可以增加地基的承載能力，適用承受大荷載的建筑物和基礎(chǔ)設(shè)施，樁的插入可以改善地基的穩(wěn)定性，尤其是在軟土地區(qū)和地震區(qū)域。

3.3 地基強(qiáng)夯加固技術(shù)

地基強(qiáng)夯加固技術(shù)利用沖擊裝置（例如沉重的鋼質(zhì)錘頭）或夯實(shí)工具在地表上進(jìn)行沖擊，將沖擊能量傳遞到地下土層，沖擊能量的傳遞會引起土層顆粒的振動(dòng)和重排，從而增加土層的密實(shí)度和抗剪強(qiáng)度，提高地基的承載能力。在施工過程中，要根據(jù)工程要求和地基情況，確定地基強(qiáng)夯的施工方案和設(shè)備選擇。同時(shí)，進(jìn)行現(xiàn)場勘察和土壤測試，了解地基的土質(zhì)特性和力學(xué)性質(zhì)。同時(shí)，根據(jù)設(shè)計(jì)要求和施工方案，將沖擊裝置或夯實(shí)工具放置在地表上，進(jìn)行沖擊作業(yè)，沖擊時(shí)應(yīng)控制沖擊力和頻率，以避免對周圍結(jié)構(gòu)和設(shè)施造成不良影響。在強(qiáng)夯施工過程中，需要進(jìn)行間隙觀測和監(jiān)測，以監(jiān)測地基的沉降和變形情況，通過實(shí)時(shí)監(jiān)測，調(diào)整施工參數(shù)，確保施工效果和地基穩(wěn)定性。

3.4 化學(xué)加固技術(shù)

深層攪拌法和注漿加固法是化學(xué)加固技術(shù)中常用的方法，用于改善地基的力學(xué)性能和提高地基的承載能力。①深層攪拌法。深層攪拌法是一種通過在原有地基結(jié)構(gòu)中加入水泥、石灰等建筑材料，并通過深層攪拌技術(shù)形成牢固的復(fù)合型地基的加固方法，使用特殊設(shè)備在地基中進(jìn)行攪拌，將建筑材料均勻分布于地基土層中。攪拌過程中，旋轉(zhuǎn)刀具或螺旋槳會將土壤與建筑材料混合，形成牢固的復(fù)合型地基，攪拌后的建筑材料與土壤發(fā)生反應(yīng)，形成固結(jié)和強(qiáng)化作用。水泥或石灰會與土壤顆粒結(jié)合，增加土壤的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。深層攪拌法適用于需要增加地基承載能力、避免不均勻沉降的工程，如高層建筑、橋梁和堤壩等。②注漿加固法。注漿加固法是一種通過注入特定的固化材料（注漿材料）到地基中，以改善地基土的力學(xué)性能和增加地基的承載能力的方法。注漿材料與地基土發(fā)生反應(yīng)，并固結(jié)、硬化。固結(jié)過程中，注漿材料填充孔隙，與土壤形成牢固的結(jié)合，增加地基的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。注漿加固法適用于巖石結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定、土層孔隙多等地基問題，如基坑支護(hù)、隧道工程和地下管道等。

3.5 加筋加固技術(shù)

加筋加固技術(shù)主要包括錨固法、加筋土法及豎向加筋復(fù)合地基法。錨固法主要是通過使用減壓材料如土釘來減少地基邊緣處水平方向的力，以提高地基邊緣的穩(wěn)定性，防止地基邊緣沉降。它的主要目的是通過增加地基邊緣的抗拉能力，以抵抗地基土壤的水平推力，從而確保地基的整體穩(wěn)定性。在施工過程中，土釘會被嵌入地基邊緣或近地表的土體中，并與地基結(jié)構(gòu)進(jìn)行固定連接。這樣可以有效減少地基邊緣土壤的水平位移，防止邊緣部分的沉降，從而提高地基的整體穩(wěn)定性。加筋土法適用于淺層軟土地基的加固和處理，淺層軟土指的是地下較淺處的松軟土層，其力學(xué)性質(zhì)較差，抗壓、抗剪能力較低。加筋土法需要選擇合適的加筋材料，常用的包括鋼筋、纖維增強(qiáng)材料等，這些材料具有較高的抗拉強(qiáng)度和剛度，可以增加地基的承載能力。豎向加筋復(fù)合地基法主要適用于深部軟土地基，例如大型建筑物、橋梁、堤壩等工程，對于這些工程，地基處于深部軟土層，且存在較大的承載要求。預(yù)制樁柱是豎向加筋復(fù)合地基法中的關(guān)鍵組成部分，通常采用鋼筋混凝土或預(yù)應(yīng)力混凝土制成，并通過鉆孔、灌注或沖擊等方式嵌入到地基中，預(yù)制樁柱的長度和直徑根據(jù)設(shè)計(jì)要求和地基特性來確定。

4 結(jié)論

總之，土木工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和地基加固技術(shù)在現(xiàn)代建筑領(lǐng)域中扮演著重要的角色。通過對土木工程的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和地基加固技術(shù)的深入探究，深刻認(rèn)識到它們對工程的耐久性、抗震能力和安全性的重要性。因此，需要不斷加強(qiáng)對土木工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和地基加固技術(shù)的研究和應(yīng)用，以推動(dòng)建筑行業(yè)的發(fā)展，為人們創(chuàng)造更安全、穩(wěn)定和可持續(xù)的建筑環(huán)境。