建筑結構設計中樁基礎設計研究

文／黃賅宜 廣東省建筑設計研究院有限公司 廣東廣州 510000

引言：

基礎設計是建筑結構設計中非常重要的環節，在建筑結構設計中選擇適合的基礎類型不僅對建筑工程的整體性能有著極大的影響，同時對工程的造價和施工的工期造成很大的影響。當前樁基礎的施工技術愈發成熟，在綜合考慮質量、安全、造價、工期、施工等方面的因素后，建筑工程基礎形式常選用樁基礎。因此，對樁基礎設計內容展開積極探討具有重要意義。

1、不同樁基礎的設計特點和適用場景

1.1 預應力高強混凝土管樁基礎

預應力高強混凝土管樁，簡稱PHC，在實際施工中存在可應用場景廣泛、工程造價相對較低、施工效率高以及成樁質量可靠、振動輕、污染小等優勢，在現代建筑施工中極為常見。

從適用場景的角度分析，預應力高強混凝土管樁施工對土地性質的適應力非常強，無論是常見的人工填土、軟土和粘性土的施工中，還是在粉土、粉砂、細沙及中砂覆蓋的施工地區都能進行施工建設。需要注意的是，在一些粗砂、圓礫及風化巖地貌的施工中，需要成樁基礎施工的入土深度保持在十米以上、五十米以下。若在地下障礙物或孤石較多的場地管樁難以施工，需采取預鉆孔等輔助措施。另外管樁具有擠土效應，對周圍建筑環境及地下管線有一定的影響。

1.2 灌注樁基礎

灌注樁基礎施工的應用歷史相對較為久遠，該施工工藝存在適應豎向施工、水平承載能力強以及樁徑可根據實際應用場景進行調節的特點。根據施工地質的情況差異，可以靈活選擇不同的樁長施工基礎，且在實際施工過程中不需要考慮接頭工作。

然而，灌注樁基礎卻存在一些先天缺陷。首先就是成樁本身的質量把控存在一些問題，施工過程質量控制復雜，易出現樁身縮頸、夾泥，樁底沉渣超標等問題，現場泥漿污染較大，非常考驗建筑設計人員和施工人員的配合與施工人員的技術經驗；其次，灌注樁基礎對施工機械要求較高且施工周期長，需要經歷一系列的施工等待期，直接導致成樁的效率相對較低；最后，灌注樁基礎檢測耗時較長，需混凝土凝期達標后方能實施，且檢測要求較多，易因為檢測問題導致樁基補強或補樁。

從適用場景的角度分析，灌注樁基礎以圓礫、微風化巖、中風化巖以及強風化巖地貌施工為主，能夠在這些地質條件下形成樁端持力層。

2、建筑結構設計中樁基礎設計的關鍵要點

2.1 基礎持力層及樁長的確認

一些高層塔樓的建筑項目具有很大的荷載，在進行這種工程建設時，對于沉降量的控制十分重要。對于核心簡與外圍框架注、裙房柱以及純地下室框架的異常沉降要求都很高，這種情況下持力層的剛度設計作用非常關鍵，因此在進行持力層的選擇時，要根據工程建設區域的地質條件，采用粉黏夾粉砂層為樁端持力層。在進行施工建設時施工單位要根據具體的環境情況對施工計劃進行及時變更，使工程建設能夠有序的開展。樁基的施工可能會受到環境變化的影響，此時要及時調整施工方案，保證施工的可行性，防止產生資源浪費的現象。另外，樁長的確認也是建筑結構設計中樁基礎設計的關鍵要點，因此在施工設計中要注意樁基的長度、比例等各項數據。合理的樁體長度能增強樁基的載荷能力，從而使建筑物的使用年限更長。如果在設計中出現樁基比例失調的情況，建筑物的載荷壓力就會增加，這就會對建筑物的壽命產生不良影響。

2.2 單樁承載力特征值計算

在基礎結構設計中，承載建筑物上部的壓力主要作用在樁基上，科學的設計能夠有效增強樁基的承載能力，減少上部建筑物的不均勻沉降。因此，在進行建筑結構樁基礎設計時,要充分了解建筑物對樁基礎的構筑需求，應用力學角度對其需要進行深入的分析，明確建筑上部結構對樁基礎產生作用力的大小,從而使樁基礎的設計更加合理，進而保證工程的質量和安全。同時，要明確建筑上部結構的荷載，以此來確定樁橫截面積，以及樁基礎的受力點、作用點等問題。整個建筑的安全會直接受到樁承載力的取值影響，因此在設計時必須要保證建筑物基礎布置的合理布性。對樁基礎承載能力的驗算要作為重要內容，一定要保證樁基礎能夠滿足建筑對承載力的需求。設計人員要根據實際工程項目需求來明確設計思路，保證承載力取值的合理性。通過驗算工作對其進行合理分析，同時還要根據施工中的各項因素來預判施工中樁承載力會遇到的問題,并及時提出解決方案，從而保證后續施工能有有效進行。另外，在進行驗算時要注意參數選取的合理性，要采取科學的方式進行驗證,從而保證結構設計的安全性。在《建筑地基基礎設計規范》有明確規定，甲、乙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，丙級則以不能低于類似的工程為標準。測試方式可以在現有的地質基礎上按照以往的實驗方法進行，也可以根據原位實驗獲得單根樁體的承載壓力間。

2.3 樁基的鋼筋

在進行施工時，要根據《混凝土結構設計規范》(GB50010-2010)中的規定布置箍筋，并采取螺旋方式。根據相關要求鋼筋的直徑要等于或大于6mm，間距保持在200-300mm的距離。樁基所承受的水平載荷有施工區域的地形有著直接的關系，如果是地震帶，還需要承受地震作用。在這樣的條件進行樁基計算樁身承受壓力時，要對樁頂以下要采取面加高加密的方式，并保持箍筋間距在100mm以內。對于樁身的混凝土保護層，在進行厚度設計要注意以下幾個方面:第一，要保證預制樁的樁尖混凝土強度在C30以上，樁身混凝土強度在C25以上。第二，灌注樁混凝土保護層在主筋中的厚度要在35mm以上,如果灌注樁在地下水中，混凝土保護層要在50mm以上。第三，要保證四、五類環境中的混凝土保護層符合相關規定。（圖1）

圖1 樁身混凝土示意圖

3、樁基礎結構設計的應用

3.1 承臺的設計及構造

設計人員在進行承臺設計時，要考慮上部建筑結構和布樁要求等方面的問題。對應樁基下部需要選擇獨立型承臺，條形、井格形式的承臺為主要的墻下結構，采取這樣的結構設計能夠防止因沉降不均而造成的不良影響。而且，要通過連接設計來了降低不均勻沉降作用，提升下部條形承臺的密合效果。通常情況下，承臺的連接方向是一致的，有時可能會使用雙向井格形式的連接方式。另外，不同樁徑的連接會有區別，如果是中等直徑樁，樁頂伸入承臺的長度則要等于或大于50mm。如果是大直徑樁，樁頂伸入承臺的長度則要等于或大于。小承臺有效高度h0會隨著樁伸入承臺的長度而變小，這樣不利于樁受力。在施工時，要將混凝土樁頂主筋伸入承臺內，同時要保證錨固長度足夠，根據相關規定要求錨固長度要大于或等于主筋直徑。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》。對于大直徑灌注樁一柱連接一樁方式，可以采取以下兩種施工手段：一是設置承臺的方式，通過承臺將樁基礎與柱子進行連接。二是將樁與柱子進行直接連接。（圖2）

圖2 承臺的設計及構造示意圖

3.2 樁基礎的檢測

靜載荷試驗是樁基礎檢測經常會用到的一種方法，也是一種非常重要的方法。時間限制是樁基設計的一個影響因素，單樁承載能力設計值要根據地質報告的參數來確定，并將這個設計值作為樁基設計施工的參考依據。當完成施工后，在選擇單樁進行靜載荷試驗，若是試驗結果符合標準則這項施工結束。若試驗結果不符合要求，則需要進行修正和補樁，這也會使整個工程產生很大的麻煩。因為此時已經完成這項工程的施工，而且地質報告對施工也會產生數值的出入，所以一旦發生變動會有涉及到一系列的問題。首先，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，并不適合直接應用到施工中。從對各類樁進行基礎檢測的結果發現，計算值通常會小于樁的實際承載力，有時出入還會很大。從實驗角度出發，在樁基的設計中按照試樁的實際承載力進行要比估計的承載力會獲取更大的經濟效益。其次，如果場地不均勻或地質報告數值存在偏差。在沒有試樁的情況下就按照地質報告直接展開樁施工，不僅會給工程帶來麻煩，同時還會造成資源浪費。若是采用靜力壓樁的設計方案，在實際施工中就要保證每根樁的深度都要壓倒標準要求內，那么就要對樁身強度進行提升。這樣對每根樁都要進行劈樁，才能夠滿足施工需求，這就會對造成時間和成本的增加。由此可見，靜載荷試驗一個非常重要的環節。樁基形式、樁規格以及樁入土深度都會受到靜載荷試驗結果的影響，也直接關系著施工能否順利進行。只有通過實驗才能夠保證數據的可靠性，從而提升施工方案的可行性，同時也會對企業的經濟效益做出保障。

4、樁基礎的優化設計

從建筑結構設計的經濟效益角度分析，樁基礎通常在整個建筑工程成本控制中占有相當的比例。這意味著，出于經濟效益考慮就必須對樁基礎進行優化設計工作。根據文獻資料的整理和筆者個人的設計經驗，主要可以從以下三個方面展開優化設計工作：

（1）樁基礎正式施工前的試樁設計。在正式施工之前可以選擇試樁操作，甚至可以用破壞性試驗的方式驗證樁基礎的質量和應用場景適配性。結合筆者自身的建筑工程從業經驗，大部分樁基礎的實際試樁承載能力會高于設計標準10%到30%。根據試樁的成果表現，可以對原設計方案進行進一步數優化和承載力特征值收集，以此作為優化原始樁基礎設計方案的數據參考，適當減少樁數或樁長；

（2）進一步強化樁土共同作用對樁基礎性能的影響。對于建筑規模相對較小的獨立承臺而言，不適合考慮樁土共同作用的影響。但是，在獨立承臺的建筑規模相對較大時，則需要強化樁土共同作用的施工設計。當面對持力層土質相對較好的情況時，樁土共同作用的效果尤為明顯，此時可以合理地選擇基床反力系數作為優化樁數的依據；

（3）針對灌注樁基礎施工的情況，應該重點考慮單柱單樁或者墻下布樁的施工思路，以此減少承臺的建筑規模和建設高度。根據筆者自身的項目參與經驗，在某一個優化項目中，框支剪力墻的結構存在較大的優化空間。實際樁基礎施工中，選擇旋挖成孔灌注樁基礎施工路線，樁端的持力層為中風化石灰巖，樁基礎的承載能力與樁身的強度密切相關。因此，在進行優化設計階段，主要對原計劃中框支柱的設計進行改良，采取了三樁承臺的設計思路。具體而言，是針對原樁徑1m的設計參數進行考證，并重新審定原本承臺2.6m高度的優化空間。經過優化設計，框支柱下方均改為單柱單樁的設計，樁徑被優化為1.5m，承臺高度也優化為0.9m。最終結果表明，優化方案能夠極大節約工程造價成本，切在保證質量的前提下縮短了工期。

5、樁基礎的施工技術要點

5.1 施工前的準備

樁基礎施工前，施工單位應組織技術人員和施工人員，對施工圖和地勘資料進行詳細的閱讀和理解。在工程樁大面積施工前，應該根據地質情況選擇不同位置進行試樁及抗壓、抗拔靜載試驗，以取得正式施工所需的有關控制數據以及單樁豎向（抗拔）承載力，尤其是需要送樁的貫入度控制值，試驗數量根據現場情況由業主、設計單位、檢測單位、施工單位共同決定；試樁數量不應少于工程樁總數的1%，且不應少于3根。管樁施工前，每根樁須根據地質鉆探資料預計總長，選擇合理的樁節組合，以減少接樁次數。

5.2 施工質量控制

施工人員進行平面放線，根據每一個樁臺中心的定位進行坐標定位，在定位完成后應由監理單位及有關部門復核無誤后才可進行施工。垂直定位時，樁機垂直度應嚴格按照施工規范要求執行，嚴格控制成樁的垂直度偏差。灌注樁在澆筑樁混凝土是需準確測定樁頂標高，避免出現接樁。管樁在接樁時，需嚴格控制上下樁節點中心偏差。

施工過程中必須對每根樁做好一切施工記錄，如灌注樁留取的混凝土試件及試壓結果，管樁的節數、每節長度、錘擊數或者靜壓終壓值等等數據，并將有關資料整理成冊，用于檢查及驗收。

結語：

綜上所述，建筑結構設計中樁基設計是非常重要的環節，本文闡述了樁基設計的主要內容，基礎持力層及樁長的確認、單樁承載力特征值的取值、樁基的鋼筋計算。樁基礎設計比較復雜，同時施工質量對整體工程影響極大，因此，在設計與施工中必須提高重視，一定要根據工程的實際情況制定科學的方案，為工程的順利施工奠定良好的基礎。