結構設計中的樁基設計研究

楊 東 神華工程技術有限公司安徽分公司工程師

建筑行業發展速度越來越快，人們越發重視建筑工程的安全性。目前，高層建筑基礎常常采用樁基礎形式，其工期可控，施工技術也相對成熟。在設計過程中，樁基礎的合理選擇對整個工程的造價和工期都有極大影響，因此房地產開發公司和設計院等都非常重視樁基設計的合理性。在建筑結構設計中選擇適合的樁基礎類型，對整個項目的建設起到至關重要的作用。因此，加強樁基設計研究具有重要的意義，需給予更多關注[1]。

1 建筑樁基礎種類

在當前的建設項目中，樁基工作是工程作業的基礎和前提，也是綜合化施工環節的重點[2]。如果建筑物的基礎穩固性較差，在外力的影響下會進一步威脅人身安全，甚至造成經濟損失。建設基礎包括樁身和承臺兩個層次，當前我國最核心的樁基主要有兩種，分別是預制樁和灌注樁[3]。灌注樁施工過程中，大多運用鉆孔壓漿的方式以使泥漿灌注的狀況與需求相適應[4]。

1.1 鉆孔灌注樁

鉆孔灌注樁是常見的施工技術，主要利用鉆孔裝置，在孔洞中放置鋼筋，并進行混凝土澆灌。鉆孔灌注樁必須先鉆孔再成柱，與現實狀況相結合確立成樁的方式，但是這類方式并不能確保成孔的垂直程度。因此要保證使用的鉆機可靠、安全，使作業位置更加牢固，防止鉆孔出現偏移。此外，還可擴大樁機支撐面積，從而使成孔更加準確[5]。

1.2 靜力壓樁

靜力壓樁基于自身重量以及樁架的作用對樁出現反作用，使樁基進一步優化運作，需合理把控偏移狀況。靜力壓樁施工技術相對簡易，實施較為便捷，同時成本較低，因此在建設結構樁基礎設計施工中有著較為廣泛的運用。

1.3 人工挖孔樁

人工挖孔樁是運用人工的方法進行施工作業，施工成效較為顯著。運用人工挖孔樁基結構時，使用的人力資源價格昂貴，具備優質、穩固等特性，在項目施工階段的運用范圍較廣[6]。運用人工挖孔樁增寬樁基，可以進一步融合水流量的精確需求，優化改良施工方案，從而確定挖掘范圍，從本質上確保樁基結構的施工品質。

2 樁基結構設計的常見問題分析

2.1 樁基難以到達設計位置

樁基的設計需要結合多方面的要素，依照周邊狀況的變化，及時對樁基結構設計方案進行調整（如圖1 所示）。相關調查研究顯示，在實際建設過程中，樁基一般都較難精準地達到設計目標，這種狀況一般發生在預制管樁中，原因一般有兩種。一是在設計過程中，設計人員沒有對周邊狀況做相應調研，沒有結合地質狀況在項目施工前完成實驗，導致樁基的各類指標無法適應周邊環境[7]。二是土質結構與樁基不適應，這類狀況發生的主要原因是土壤內部的巖土阻礙樁基，致使樁基位置出現偏差。

圖1 樁基設計

2.2 樁體的長度、比例選擇

項目建設過程中，施工單位需要依據環境狀況對施工計劃進行及時調整，保證項目能夠穩步開展。環境變化可能導致樁基相關施工變更，此時應及時優化方案，減少原料浪費[8]。此外，需關注樁基的長度、比例等各項數據，比如樁體的長度合理會擴大樁基的載荷，對于延長建筑物壽命有著明顯的效果。相反，樁基比例失調會進一步提高建筑物的載荷壓力，對于建筑物較為不利。

2.3 單根樁體極限縱向承載力的計算

在進行樁基策劃前，要考慮單根樁體所能承載的壓力。《建筑地基基礎設計規范》有明確規定，前兩級的建筑樁基必須以通過靜載實驗所測得的一根樁體所能承載的壓力參數為標準，而丙級就稍微簡單點，但也不能低于類似的工程。要在現有的地質基礎上按照以往的實驗方法進行測試，也可以根據原位實驗獲得單根樁體的承載壓力[9]。

2.4 樁體偏差的設計與控制

在結合單根樁體基礎載荷能力的基礎上，打壓過程中保持樁體作用維持在相應位置極其重要。設計環節要考慮由于偏差引起的對于樁體的不良作用，并把控條形樁基以及標高等相關數據和需求。

2.5 樁基鋼筋設計

按照現行的《混凝土結構設計規范》（GB 50010—2010），鋼筋受力時應根據相應的規定布置箍筋。樁身箍筋應采用螺旋方式，鋼筋的直徑不小于6 mm，間距控制在200～300 mm。在某些地形影響下，樁基可能承受較大的水平載荷，而在某些地震帶還要同時承受地震作用。在這些情況下，樁基計算樁身承受壓力時應在樁頂以下全面加高加密，同時箍筋的間距不超過100 mm。樁身的混凝土保護層應按照以下的要點進行厚度設計：一是預制樁的樁尖混凝土強度應大于C30，而樁身混凝土的強度只需大于C25；二是灌注樁的混凝土保護層在主筋中的厚度不應小于35 mm，當灌注樁位于地下水中時，混凝土保護層不應小于50 mm；三是在四、五類環境中的混凝土保護層應符合相關規定[10]。

2.6 樁與承臺連接構造

對于中等直徑樁，樁頂伸入承臺的長度不宜小于50 mm，對于大直徑樁，不宜小于100 mm。若樁伸入承臺的長度較大，則會減小承臺有效高度h0，對樁受力不利。混凝土樁頂主筋伸入承臺內并滿足錨固長度，錨固長度不得小于主筋直徑（35 mm）。抗拔樁樁頂縱向鋼筋主筋的錨固長度應符合《混凝土結構設計規范》。大直徑灌注樁采用一柱連接一樁情況下有兩種連接方式，一種是設置承臺，將樁基礎與柱子通過承臺進行連接，另一種是樁與柱子直接連接。

3 建筑工程樁基結構設計要點分析

3.1 全面分析施工現場實際情況

在具體施工過程中，因受地理因素的影響，原有的樁基結構仍需進行再處理，以便在具體操作中能正常實施。因此，要求設計人員根據相關的施工標準，在對當地建筑環境和水文條件詳細了解的前提下，科學改進建筑樁基，使其設計與具體的施工能夠相吻合。此外，要實地勘察施工區域，更精確地掌握該地區的土質成分、地形狀況以及周邊的各種設施，進一步改進樁基結構的相關設計，從而促進施工的有效進行。

3.2 確定樁基礎規格

在確立樁基狀況時，必須掌握樁基在現實項目中的運用狀況，并開展嚴格的數據核查。除此之外，還需要調研建設項目在施工場地的實際狀況，結合樁基礎結構的強度以及載荷能力等，確保樁基礎的設計效果。而保證樁基礎的設計效果，合理確定樁基礎的規格非常關鍵，如樁基礎結構橫截面積和長度等。進行樁基設計前，根據了解的項目實際情況，結合建筑行業標準設計樁基。初步確定樁型后，全面計算樁基承載力、樁基截面以及長度。技術人員在設計過程中需要全面了解情況，并深入分析現場情況，了解建筑結構的荷載、承載力需求，從而確保樁基礎的設計效果。

3.3 明確建筑物樁基的作用特征

在建筑結構設計中，樁基礎設計可以結合載荷建筑物的壓力狀況，實現良好的承載效果，進一步降低建筑物發生沉降的概率。設計人員必須掌握建筑物樁基的搭建方法，確定樁基結構設計的有效方式，使建筑樁基基本結構設計及施工更加有效。此外，還要計算建設項目的高度與承載力，并了解相應特征。

3.4 校正樁基承載力

樁基的載荷能力直接反映建筑物的載荷成效，因此必須計算建筑物樁基的載荷能力，以獲得準確的載荷數據（如圖2 所示）。同時結合有關數據及時校正樁基載荷狀況，確保樁基結構穩固。

圖2 地基應力

3.5 控制偏差

樁基施工時需要控制偏差，特別是條狀承臺樁。偏差會導致附加內力出現，致使樁基穩固性變差。如果施工有偏差，則需要運用補樁等手段，造成施工任務量增加，進一步引起經濟損失。對于較為明顯的問題，可以采用多種手段，比如樁頂標高設計過高，可以采用截樁手段，截斷超出的部分。而樁頂標高比設計標高低時，要開展補樁工作，會進一步影響施工進度。因此，施工部門必須嚴格把控標高，確保和設計相符。

3.6 積極使用數學函數有限元法

在建設結構的樁基設計中運用有限元法進行模擬實驗。在樁基設計中，運用有限元法結合各類要素進行離散分割以及函數運算，有利于設計人員更加便捷地獲取樁基數據和樁基綜合承載數學數據，為之后的樁基設計提供主要信息。相關人員可以利用有限元軟件開展樁基以及土層結構的三維信息解析，模擬樁基結構受到承載后出現的沉降狀況以及載荷施加在樁基結構后的傳遞狀況。經過有限元模擬，保證樁基結構策劃的科學性和有效性，防止發生不良風險。

3.7 提高樁基土復合計算的準確性

為了確保樁基設計的合理性，不僅需要計算單根樁體所能承受的壓力，還要根據樁基的相關標準全面分析整個樁基。先利用有限元對一個樁體進行測定，然后進行連續計算，這樣在進行樁土復合測定時效果更好。另外，在使用有限元法時，如果改變其跨度，則不必進行較多的模擬計算，從而加快計算速度。

3.8 優化布置樁平面

在前期的設計過程中，對于樁基礎的設計，首先要對結構平面尤其是對重心和間距進行科學布置，保證基礎結構穩定性的同時，樁基也擁有良好的承載力。建筑行業發展至今，樁基的平面布置有許多方式，如梅花形網格狀、矩形網格狀以及不等距排列方式等，這些布置方法都具有良好的效果，可以根據不同施工的特點進行選擇和優化調整。

3.9 確定基礎埋置深度

《建筑地基基礎設計規范》中明確，天然及復合地基基礎埋置深度“可取”建筑物高度的1/15，樁基“可取”建筑物高度的1/18，但并不是限值。而很多設計人員由于慣性思維當成了“不應”。在《全國民用建筑工程設計技術措施》（地基與基礎）第5.1.4 中有詳細描述，還可以取1/18 或1/20。注意，也是“可取”，沒有必要硬性規定埋置深度與高度掛鉤。

3.10 樁基選型、布置應合理化

砂層優選空心方樁，層數高的選用鉆孔樁，樁的直徑應和房屋層數、重量相匹配。為減小底板抗浮配筋，可將承臺下樁距適當放大或將柱帽（承臺）增大。預應力管樁及空心方樁的接頭不宜超過3 個，不應超過4 個，注意相鄰樁的高差按1/10 樁長取。鉆孔樁配筋率宜按最小配筋率設置，承臺條形樁外邊緣至承臺邊不小于75 mm，板式承臺樁邊緣至承臺邊一般為0.5 倍樁徑。

3.11 樁長、樁型的設計

樁基設計中樁型和樁長的選擇對于樁基設計十分重要，科學合理地選擇能夠產生巨大的經濟效益。例如一次住宅設計中，由于時間緊迫，甲方要求采用D400 的預應力管樁，地質報告資料顯示，將樁長定為16 m，單樁承載力極限標準值為800 kN，預算基礎部分造價約為150 元/m2，根據經驗，預算偏高。了解當地設計經驗后，最終決定設計樁長不變，將樁型改為300 mm×300 mm的預制鋼筋混凝土小方樁，單樁承載力極限標準值為650 kN，而當地預制小方樁的施工價位價錢比較低，整個基礎造價降低很多且符合本項工程的要求。綜合這個例子，可見合理選擇樁型對工程的造價影響很大。因此，設計樁基時要準備多種樁型和樁長的樁以供選擇，選擇既能滿足工程要求又具有很好經濟效益的方案。

3.12 選擇持力層

有些項目屬于高層塔樓，荷載很大，因此對沉降量的控制要求高，并且其核心筒與外圍框架注、裙房柱以及純地下室框架的異常沉降要求很高，所以持力層的選擇應該充分發揮本項目剛度設計優勢。在持力層的選擇中，根據當地的地質特征，采用粉黏夾粉砂層為樁端持力層。

3.13 筏形基礎設計

利用PKPM-JCCAD 和有限元分析軟件得出在樁筏中的整體受力。通過多種內力組合，針對不同筏板的厚度，按照底板配筋量和基礎變形展開具體分析，優化計算得出筒體筏板厚3.4 m，在框架柱的地方，選擇處筏板的厚度為2.6 m。基礎混凝土的強度指數是C35，按照當前的計算，在筏形基礎上產生了顯著的差異沉降。但是因為厚筏存在的壓力，在沉降傾斜值的計算上，需要選擇二跨以上的沉降差，在主裙房間中，最大差異沉降傾斜值需要在0.002 以下。

4 樁基結構設計的應用

4.1 承臺的設計

承臺設計需要結合上部建筑結構和布樁要求等進行分析。對應樁基下部需要選擇獨立型承臺，墻下結構以條形、井格形式的承臺為主，避免沉降不均引起的負面效應。為了降低不均勻沉降作用，需要將承臺及時進行合理連接，保證下部條形承臺的密合效果，一般是沿一個方向進行連接，有時可采取雙向井格形式的連接。上部載荷作用過強狀況下，需要采取整片式設計結構，提高構造的合理性。

4.2 樁基設計中靜載荷的試驗

在樁基設計中，靜載荷試驗占有重要地位。在如今樁基設計過程中，容易受到時間的限制，要根據地質報告的參數確定單樁承載能力設計值，然后再根據這個設計值進行樁基設計施工，等到施工結束后挑選樁進行靜載荷試驗。如果試驗結果符合要求，那么就可以完成任務，如果結果不滿足估計值，就會產生極大的不便。因為施工已經完成，進行修正和補樁比較困難，同時地質報告對施工也會產生數值的出入，從而造成影響。這里主要有兩個問題，一是根據地質報告提供的樁周摩擦力標準值及樁端土承載力標準值，經規范計算得出的場區單樁承載力標準值是一個經驗數值，不宜直接采用。通過對各類樁基礎檢測，發現大多數樁的實際承載力相對于計算值普遍偏高，有些甚至差距很大。因此，如果根據試驗要求，按照試樁的實際承載力相比估計的承載力來設計樁基將會產生更大的經濟效益。二是當場地不均勻或地質報告數值有偏差的情況下，不進行試樁而直接按地質報告進行工程樁施工，將給施工帶來巨大的困難且造成不必要的浪費。

如果在設計中采用靜力壓樁，那么實際施工中每根樁都要壓到要求的深度，因此就要提高樁身的強度。為了滿足這一點，每根樁都采用劈樁，在時間和資金上造成了嚴重浪費。因此，樁基設計過程中，靜載荷試驗是十分重要的步驟。因為靜載荷試驗工作質量直接影響到樁基形式、樁規格以及樁入土深度的確定，同時也對施工難易有密切影響，所以通過科學試驗取得準確數據，能使設計方案更加合理、可行、經濟，遠遠超過縮短工期所獲得的效益。

5 工程案例分析

案例項目位于安徽南部，是一個由許多單體建設構成的建筑物，建設面積超過5×104m2。其中塔樓運用鋼筋混土框架—核心筒結構，裙房以及地下室采用框架結構。按照項目基本狀況，設計人員認為綜合化建設項目裙房以及地下室結構載荷差異較大，為了確保建設項目的安全，把控沉降成為綜合項目的核心。因此，樁基設計成為綜合項目的核心工作。項目實施前，勘測施工現場地下140 m左右的位置，發現了許多第四系沖湖積相沉積物，包括粉土和黏性土等，雖然土層整體穩定性良好，但是施工難度較大。在與審圖部門、勘探部門溝通后，新的抗壓計算準則從基本的水位下調整。建筑物需要根據剛度調平原則，樁基剛度結合摩擦性樁基作用，并結合承臺的使用效果，最后確立豎向載荷壓力的特性數據。與此同時，為了能夠把項目造價控制在科學范圍內，改良樁基結構承載壓力，結合不同面層載荷的作用進行評估。由于這種建筑物的裙房大多采用大跨結構，因此會承載較大壓力。在這種狀況下，結合0.7 m 樁、0.8 m 樁的經濟效益分析，當樁的直徑達到0.7 m 時，數量超過7 根就可以選用0.8 m 長樁代替，進一步縮減工程用價，更好地滿足剛度調節設計的需求。此外，樁身設計依照土體的抗拔力調整結果，運用樁三段式配筋結構，有助于降低樁身的配筋總量，從而達到降低造價的目的。

6 結語

樁基設計對工程建筑有很大的影響作用，只有依據相關的設計標準，并綜合考慮施工過程中各方面的影響因素，才可以設計出符合實際需求且科學有效的樁基。因此，專業工作人員要對施工區域開展精準勘測，詳細了解當地的地形和水質狀況等，并在此基礎上改進樁基設計，確保樁基設計能夠跟現場施工一致，從而促進建筑結構設計質量的有效提升。