高層建筑結構樁基礎設計探討

秦俊林

摘 要：近些年來，高層建筑在我國得到了快速的發展，但是由于高層建筑具有較高的高度，所以容易受到外界自然因素的影響而產生較強的傾覆力矩，對高層建筑的安全帶來很大的威脅。在這種情況下，高層建筑結構對于樁基礎的建設標準較高，需要其具有較強的穩定性、較高的承載力以及擁有較好的沉降性能。樁基礎是整個高層建筑的核心部分，需要承受巨大的作用力，對于高層建筑的安全和質量有很大的影響，所以需要高度重視樁基礎的設計。文章對于高層建筑結構樁基礎設計的相關問題進行了分析，對于提高高層建筑的質量和安全具有重要的意義。

關鍵詞：高層建筑；結構；樁基礎；設計

前言

樁基礎是高層建筑的重要組成部分，樁基礎的設計水平直接影響到整個高層建筑的結構安全，所以樁基礎要具有良好的穩定性以及沉降性能，在承受巨大荷載的情況下，能夠保證整個建筑的穩定性。根據地質條件的不同，高層建筑的高度以及各種因素的限制，樁基礎的設計方案也不相同，在軟弱地基中，樁基礎應用的比較廣泛，也是比較古老的基礎形式。在進行樁基礎設計的過程中，一定要做好施工現場的勘察檢測工作，只有在充分的了解各項資料之后，才能夠設計出科學合理的方案，為高層建筑的安全性打下堅實的基礎。

1 高層建筑結構樁基礎的分析

1.1 樁基礎設計與工程應用現狀

樁基礎設計是整個高層建筑結構的基礎部分，所以只有在樁基礎施工完成后，才能夠進行上層建筑的施工，樁基礎設計不僅關乎整個工程的施工質量、安全性，對于施工進度還有很大的影響。目前使用比較多的是豎向荷載作用下的樁基礎，在豎向荷載的作用下，樁與土之間會相互作用，對于樁基的設計會產生很大的影響。在以往的樁基礎工程設計中，試樁和靜載試驗的結果都無法滿足設計的要求標準，設計師在對設計參數進行調整之后，意圖通過加密樁的方式來進行調整，這種情況下，靜載的試驗結果會高于設計標準很多，雖然在安全性方面可以保證，但是經濟系數卻大大的提高。這種矛盾的現象需要不斷的改善，如果超過設計的標準太多就需要重新進行試樁，但是建設的周期也相應的延長，會影響到整個工程的建設進度。如果在靜載試驗結果出來之后再進行樁基的設計工作，既不利于建設周期，同時也無法滿足建設的標準。所以目前急需解決的就是如何縮短靜載試驗與試樁設計之間的差距，并且對單樁靜載試驗的結果進行進一步研究，盡量將各項參數預估的更加精確。

1.2 樁基礎簡化設計分析

由于高層建筑龐大的工程會對基礎部分造成巨大的作用，所以基礎工程需要能夠程序較大的荷載，埋深都較大。而在現階段，在很多的高層建筑中，都會有人防工程或者是地下停車場等結構需求，所以在進行基礎工程施工時，需要耗費大量的材料，并且施工技術比較復雜，耗費的工期較長。一般情況下，能夠直接建設在堅硬巖石上的建筑并不多，所以大部分的基礎工程都會采用鋼筋混凝土片筏式基礎、箱形基礎以及樁基礎。由于樁基礎的承載力較大，具有良好的穩定性，并且在沉降差較小的情況能夠保持的比較均勻，這些特點都決定了其能夠承受較強的水平力以及上拔力，在動荷載方面的性能較好，所以在基礎工程中應用的比較廣泛。

在高層建筑結構中，上部結構與基礎之間會相互產生作用力，從這個問題來看，在傳統的計算中存在很多的假定，都可以利用在樁和土之間的作用力上。在傳統的設計算法中有一種Winker的假定，這種假定主要是針對地基的反力系數法，其中把土體對樁造成的反力作用簡化成單純的反力系數作用于樁上，這是傳統設計算法中針對于樁土作用力問題在理論層面從沒有通過的。高層建筑中各個部分之間產生的作用力，應該將樁、土以及結構作為一個整體來進行考慮。通過上述分析可知，如果利用傳統的設計算計來解決現實中的這些問題還具有很大的困難。而從目前的現狀來看，就分析的手法而定，還有有限元法的前景比較廣闊，通過有限元數值模型能夠對土體材料性質的空間差異性、力學響應的非線性，復雜的幾何邊界條件等進行詳細的分析，并且還可以通過數值技術對施工過程進行模擬，將施工過程中可能會遇到的各種耦合性因素都模擬出來，在編程以及電算方面都具有較強的效率，并且簡化了樁基礎設計的工作量，具有很強的現實意義。

2 高層建筑結構樁基礎簡化設計措施

2.1 “樁土分離模式”進行單樁簡化

在進行單樁計算時，可以通過有限元分析來達到簡化的目的。因為傳統的結構設計計算方法采用的都是不同程度回避樁土結構間的相互作用，對其不做過多的考慮。比如使用地基反力系數法把土地對樁的反作用力等復雜因素通過Winker進行假定，認為其僅僅為單純的反力系數作用于樁上。而有限元分析卻可以綜合考慮這些客觀存在的事實條件。它可以對力學響應的非線性、土地材料性質的空間差異性和比較復雜的幾何邊界條件進行綜合分析等，不僅求解力學問題簡便，同時便于二次開發，相較傳統的計算理論有明顯的優勢。

因此，對單樁的簡化分析采取的是將樁和土分別劃分單元的方法，要注意這兩種單元也不是固定不變的，在它們其中還可以細化設置單元。在利用有限元進行單樁簡化分析時，要特別注意單元尺寸的選取對計算結構的影響。其實有時候，單元數量會劃分的特別巨大，從而造成計算的困難，因此在實際操作中，可以適當刪繁就簡，抓住主要部分，以提高工作效率。

2.2 “樁土復合模式”進行群樁簡化

在進行計算時，可以通過有限元分析的方法來模擬樁的沉降和荷載關系，以達到簡化算法的目的。在實際中，通過群樁基礎規范法計算出來的沉降和實際荷載作用下的沉降相比，其值要大得多。為了盡量使其值接近且簡化運算，可以采用將垂直于樁軸線的樁土共同作用的平面作為各向同性的面，把樁土三維結構體系作為橫觀各向同性體。依據樁土各自的彈性模量和泊松比以及樁土這兩種材料復合成新的橫觀各向同性體的九個材料參數（其中只有五個材料參數是獨立的），用等效復合體模型計算樁土荷載沉降反應分析。同時要注意群樁上面作用荷載的特點與單樁靜力試樁有很大的差別，這點不在贅述。對計算的簡化，可以通過下面的方法來達到：把等效復合體模型的參數計算編成程序，修改樁、土的五個參數，在matlab軟件上運行即可得到復合模型的九個參數。計算時需注意xoz平面是各向同性的平面。因此，在實際中可以證明，該種方法模擬的樁基沉降，比著規范上要精確許多，在工程實測中有重要的現實意義。

3 結束語

基礎工程是建筑工程中的重要組成部分，直接影響到整個建筑的質量和安全，尤其是對于高層建筑來講，基礎工程更為重要，因為其要承受巨大的荷載以及各種作用力。樁基礎是基礎工程施工形式的一種，在高層建筑中應用的比較廣泛，因為其具有較強的穩定性，沉降性能好，在各種力矩的作用下，都能夠保證高層建筑的安全性，所以樁基礎的設計非常重要。隨著建筑工程的不斷發展，對于樁基礎的設計要求越來越高，所以要充分的利用先進的理念和技術，提高樁基礎的設計水平，為建筑工程的長久發展創造有利的條件。

參考文獻

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