建筑結構設計中樁基設計微探

靳 逸 凡

(山西省建筑設計研究院，山西 太原 030013)

1 樁基設計與計算的常見問題

1.1 樁基打壓難以到達設計位置

樁基在實際施工過程中，很可能無法輕易到達設計標高的指定位置，一是由于設計階段沒能做好事前的地質(zhì)勘探工作，導致數(shù)據(jù)分析計算結果有誤，且沒有事前利用試驗樁基進行測試，樁長、承載力等參數(shù)無法符合實際情況。二是由于地下土層結構阻礙了樁基的進一步深入，比如地下土壤或巖石的縫隙之間存在地下水壓力，樁基打壓效果無法沖破縫隙水壓力的阻礙，所以在施工過程中可以利用跳打減弱地下的縫隙水壓力，之后再進行后續(xù)樁基施工，還可以采取打孔等措施釋放堆積在一處的壓力，并利用性能較為優(yōu)越的壓樁機給予靜力壓樁一定的縱向壓力，在樁基逐漸深入過程中同時控制樁體對于周圍環(huán)境的擠壓力，減少抬機等不良現(xiàn)象的出現(xiàn)，見圖1。

1.2 單根樁體極限縱向承載力的計算

了解單根樁體的縱向極限承載力是進行樁基設計的基本也是重要條件之一。首先縱向承載力的設計需要按照《建筑地基基礎設計規(guī)范》開展工作，甲級和乙級的建筑樁基需要經(jīng)過靜載實驗獲取單樁豎向承載力的特征數(shù)據(jù)，丙級和較簡單的乙級樁基可以根據(jù)其現(xiàn)場地質(zhì)特點，參照同行工程范例，結合自身工作經(jīng)驗開展試驗工作，也可以結合原位實驗綜合測量計算其單根樁體的豎向承載力。

1.3 樁體的長徑比例選擇

建筑工程在設計樁體時，往往通過調(diào)整長徑比例來達到性能要求，由于計算結果很難達到完美的比例設計，所以造成了樁體材料浪費。通常通過長徑比值的確定以滿足樁體自身承載力需求，并考慮到實際情況，端承樁需要有一段比較堅硬并且不會輕易變形的耐力層。然而，如果樁體過于細長，容易在打壓過程中受到巨額的縱向荷載影響對樁體結構造成損壞。

1.4 樁體偏差的設計與控制

在滿足單根樁體基本承載力性能的基礎上，打壓過程中維持樁體中心線保持在預定位置上也是十分重要的。設計階段要重點考慮由于偏差可能對樁體造成的不良影響，特別是一些承臺樁和條形樁，由于偏差對其造成的附加作用力將會大大影響樁基的整體性能。根據(jù)JGJ 94—94建筑樁基技術規(guī)范要求，對條形樁基、標高控制允許偏差、斜樁傾斜度允許偏差等都有著明確的數(shù)據(jù)范圍，在盡可能滿足限制的基礎上，也需要對誤差范圍內(nèi)的樁體進行調(diào)整。

2 樁基設計優(yōu)化調(diào)整策略

2.1 數(shù)學函數(shù)有限元法的運用

當前，有限元法的運用逐漸成為樁基設計工作者的模擬測試手段之一，有限元法可以將集合內(nèi)的元素進行離散分割，再進行函數(shù)和近似方程的計算，適用于多種樁基設計需求，也可以更加方便地獲取樁體的幾何拓撲信息，并將在求解樁基整體承載力等計算環(huán)節(jié)發(fā)揮重要作用。

與傳統(tǒng)的樁體強度計算相比，有限元法能夠更加反映出客觀的實際情況，傳統(tǒng)計算方法會忽略地下樁基與土體結構相互之間的某些作用力，以盡可能減少參與計算的元素，比如工作人員常常采用文克爾假定法對土體所受法向力進行計算，先假定樁基打壓過程中只有樁體下方的土層受到了作用力影響，并假設土體變形與承受荷載之間存在一個地基反力系數(shù)使二者始終成正比，通過這種計算方法，僅僅能夠得出一個近似的數(shù)值，不能完全反映出客觀實際情況，其設計結果可能出現(xiàn)一定的誤差。而通過有限元法則可以將忽略的作用力和影響因素都考慮進來，無論是樁體材料還是受作用力影響的空間結構等都能通過有限元法實現(xiàn)受力的非線性分析，并通過計算機軟件建立模型進行模擬，得出的仿真數(shù)據(jù)具有一定可靠度，便于提升樁體自身的性能。

2.2 樁土復合計算

樁基設計不僅僅要考慮到單根樁體的承載能力，還需要考慮到它們組成的整體群落是否符合建筑需求。通過有限元法的應用，可以比較容易地計算出單根樁體的性能，然而考慮到建筑施工的整體結構，還需要從宏觀方面研究樁體群落的承載能力，保證樁基在承受建筑上層較大荷載的同時，受力變形在施工允許范圍之內(nèi)。所以有必要通過樁土復合計算模式對樁體群落進行設計和分析，在有限元計算單根樁體的基礎上，通過連續(xù)的計算處理即可以完成樁土復合計算模式的工作任務。我們可以將有限元法各離散單元的跨度適當增大，減少其細化的程度，以便減少對群樁的模擬計算量，提升工作效率。

在實際計算過程中，可能會遇到樁基的沉降效果不滿足實際載荷需求的問題，其主要原因是在樁基計算設計階段沒有充分得出樁基施工與承載力間的關系，所以為了加強對于沉降量的控制，可以將垂直于樁基礎軸線的樁土作為各向同性材料，并根據(jù)樁體和土體彈性模量與泊松比相互復合形成新的各向同性材料參數(shù)，最后利用該等效材料參數(shù)完成群樁的載荷沉降分析工作。

2.3 樁體基礎結構設計

根據(jù)承載性狀、樁體直徑、樁身材料、用途功能等，建筑樁體基礎結構可以選用不同的樁體基礎類型。以下主要針對建筑上層荷載與樁基整體承載力方面進行考慮，選取幾種樁體基礎結構設計方式進行說明，包括了高、低樁承臺基礎，樁筏基礎結構。

首先，按照不同的建筑施工需求，樁承臺基礎結構主要可以應用在建筑高度不高，上部荷載不大的乙丙級樁基設計當中，如果建筑所需高度超過100 m，對樁體承載力和沉降設計要求較高，則需要采取樁筏基礎結構。如果樁的持力層比較深，樁長很長，計算出的樁基承載力很大，能夠在墻柱下布樁時，就優(yōu)先采用墻、柱下布樁樁筏基礎，否則就采用均勻等間距樁筏基礎。

樁筏基礎設計需要考慮到自身載荷結構、筏板厚度、建筑物沉降等因素。為了發(fā)揮樁筏的承載能力，通常選用彈性地基梁作為分析和計算的基礎，以分散建筑上層的整體壓力，并能夠充分減少地基結構中梁的變形和承受應力。在計算過程中主要受兩方面因素影響：一是建筑上層結構的壓力；二是樁體自身豎向的剛度，可以將上層結構的壓力適當?shù)剡M行疊加，再進行樁筏基礎的設計和計算，這樣可以提升基礎平面的剛度，充分抵御建筑上層的不均勻傳力現(xiàn)象，以預留出剛度性能減少所導致的變形現(xiàn)象，并可以適當抽離樁基內(nèi)部的配筋，充分發(fā)揮出工程的成本資金投入價值。另一方面，樁體自身豎直方向上的剛度對于筏板厚度和配筋情況設計起著至關重要的作用，是提升樁筏基礎承載力上限的重要設計部分，在此過程中，要按照國家有關的行業(yè)標準規(guī)定和自身企業(yè)的投資和施工能力進行筏板的設計，一味地增加筏板的厚度并不是十分明智的選擇，其會對配筋的設計以及自身性能造成一定的不良影響，結合國家有關標準數(shù)據(jù)以及多年的工作經(jīng)驗，樁的豎向剛度要與工程設計的沉降量和樁基極限承載力相互掛鉤，一般要保證在50 Ra～100 Ra范圍內(nèi)。

2.4 樁基受力分析

樁基是保證建筑功能，維持建筑穩(wěn)定的重要組成部分，對于承擔絕大部分建筑上層壓力的需求，嚴謹科學的樁基受力分析是決定樁基性能的先決條件，為了充分發(fā)揮樁基的承載力效果，減少建筑物不均勻沉降現(xiàn)象，需要多方面考慮樁基受力變形情況，特別是對于來自建筑物上層結構的壓力，需要設計出針對性的解決方案，以投入更少，效果更佳為目的開展計算工作(見圖2)。

3 結語

作為建筑物重要的基礎部分，樁基的承載力需要通過科學的設計與計算才能充分發(fā)揮出其應有作用，并且隨著科學技術的提高，一些先進的計算策略和系統(tǒng)軟件將會更好地幫助設計人員進行分析與計算，并結合不同建筑物的不同需求選取相應的樁基礎結構，這將會使樁基設計更加符合實際情況。