建筑結構設計中的樁基設計要點研究

湯明光

（中土集團福州勘察設計研究院，福州 350013）

1 建筑樁基礎結構的分類

1）根據承臺的高度，建筑樁基礎包括高承臺樁基礎、低承臺樁基礎等。在房屋建筑結構中，低承臺樁基礎較為常見。

2）按照承載力的產生原理，樁基礎可分為摩擦樁、端承樁兩種。對于存在不良地質的建筑項目，可采用端承樁，使其穿過軟弱地層，落在堅硬土層內，承托建筑結構產生的荷載。這類樁基礎結構中，樁身和土層的摩擦力較小。若基礎樁在軟弱土層中的深度較大，樁側土和樁身相互摩擦后，將建筑荷載分散到土體內時，樁身、土層會存在相對位移，樁端土具有基礎的承載作用，這類樁基礎可稱之為摩擦樁[1]。

3）按照樁身材料，建筑樁基礎包括木樁、鋼樁、混凝土樁、現澆鋼筋混凝土樁等。隨著建筑質量要求的提升，鋼筋混凝土樁在建筑樁基礎結構中較為常見。設計人員可結合建筑結構設計需求，通過預制、現澆的方式布設鋼筋混凝土樁。

2 建筑結構中樁基礎的設計要求

1）為確保建筑結構設計的可靠性，樁基礎、地基土層的作用力應相對穩定，確保樁基在承受建筑物荷載時，樁基礎的承載能力符合建筑荷載要求，不會出現不均勻沉降、沉降量過大等問題。因此，設計人員應重視樁基礎的荷載計算，控制好樁基礎的撓曲變形、彎矩等設計參數，加強樁基礎強度設計，使樁基礎結構內力處于建筑基礎結構材料強度的容許范圍內，保障建筑樁基礎的穩定性[2]。

2）樁身規格設計、基礎樁布置、持力層選擇會直接影響建筑樁基結構設計的合理性。設計人員應通過以上參數的控制，增強樁基結構的承載能力。同時根據建筑結構的設計要求，計算樁基內力、確定樁身配筋率、局部材料強度等數據。

3）樁基設計時，還應考慮建筑項目的建設成本。設計人員可基于合理的設計方案，在把握樁基整體性能的基礎上，對比分析設計方案，選擇造價較低的方案，確保建筑樁基結構設計的經濟性。

3 建筑結構設計中樁基設計要點

3.1 樁型選擇

建筑樁基結構設計時，設計人員應結合建筑結構、建筑荷載、樁基礎區域土層類別、施工環境、地下水分布情況選擇樁型。通常情況下，對于設計為排架結構、框架結構，且建筑地基為堅硬土層、樁基埋深不大的建筑，可設計為灌注樁，以預防建筑沉降，提升建筑樁基礎的承載力，樁基結構可設置為單樁單柱。

民用建筑、工業建筑的樁型選擇相對復雜，建筑樓層設計高度、場地條件、建筑荷載性質都會影響樁基選型。比如，設計人員可根據樓層高度選擇樁基結構，樓層數小于10層的建筑，樁基可設計為樁徑為500 mm的灌注樁或300 mm的混凝土預制樁。樓層數為10~20層的建筑物，灌注樁直徑應在600~1 000 mm，預制樁直徑應控制在400~500 mm。

按照現場地質條件選擇樁型時，硬土層、巖層工況下，樁基埋深淺時，一般采用灌注樁。存在淤泥、淤泥土等軟土地基的建筑物，為避免樁基礎出現縮頸問題，通常可設計為預制樁。黏土、砂土、粉土等地質中，沖孔灌注樁較為多見。

3.2 樁身規格設計

1）樁長計算。計算樁長時，設計人員應根據樁端持力層確定持力層進入土層的深度。樁端持力層是影響建筑地基承載力的重要因素，應選擇承載力高且硬度較大的土層作為持力層，并控制好樁基嵌入持力層的深度。使其進入持力層后，阻力大小符合樁基設計規定，并且樁長符合持力層臨界深度。樁端進入持力層深度較小時，樁端阻力會變小，容易導致樁端剪切破壞。具體的臨界深度可根據建筑地基范圍內的土層性質決定。地基土質為碎石、砂土時，臨界深度一般為3~10d（d為樁徑）。黏性土與粉土層中，臨界深度一般為2~6d。

2）樁徑選擇。樁徑取決于建筑樁基承載力、地質條件、樁基選型。樁基設計為端承樁時，建筑基礎層土質、工藝水平都會導致樁徑存在差異。

3.3 承載力設計

3.3.1 水平承載力

驗算樁基水平承載力可以確保建筑樁基的抗震性能，根據行業的相關規定，對于水平荷載力較小的高大建筑與一般建筑，單樁基礎、群樁中的樁基應滿足：Hi≤Rh（其中Hi是在荷載效應標準組合下，作用于建筑集裝樁頂的水平力；Rh為單樁基礎、群樁中基樁水平承載力的特征值）；樁身截面尺寸、樁身材料強度、建筑基礎結構設計都會影響樁基水平承載力，建筑基礎層體質為軟土地質時，需要對地基進行換填處理后，根據其承載力設計樁基水平承載力。

3.3.2 豎向承載力

建筑樁基結構設計初期，為避免單樁豎向承載力設計值和建筑承載力實際值存在差異，需要進行豎向承載力驗算，驗算內容包括樁基所承受的軸心荷載、偏心荷載，以及軸心豎向作用力下，樁基頂的豎向壓力。驗算樁基所承受的軸心荷載時，豎向承載力設計值應滿足公式Nk≤Ra（Nk為軸心豎向作用力下，樁基礎的平均豎向力；Ra為基樁、復合基樁豎向承載力特征值）。

除此之外，設計人員可通過靜荷載試驗確定建筑樁基結構中單樁、復合樁基礎的承載力。靜荷載試驗是在初步確定樁身規格后，在樁頂分別施加軸向壓力、軸向上拔力、水平力，觀測樁基區域的沉降、上拔或水平位移，然后依據樁身荷載與位移的基本關系，判定單樁豎向抗壓承載力與水平承載力。

3.4 樁數及平面設計

1）設計人員可根據建筑上部結構荷載確定樁基的單樁、復合樁數量，以及樁基礎的平面布置情況。樁基數量n計算公式為：

式中，Fk、Gk分別為作用于承臺頂面的豎向力、承臺自重標準值，kN；R為建筑承載力設計值，kPa。樁基平面設計需要考慮樁基的布置形式與樁距，樁距設計應考慮成樁工藝、土層性質。樁排數大于3排，根數大于9根時的樁距見表1。

表1 建筑樁基結構中樁距設計

2）樁基平面設計時，應在發揮樁身作用的同時，盡量緊湊布樁，以控制承臺面積。為保證樁基結構中各樁受力均勻，還應將樁基長期荷載作用點、群樁橫截面的形心重合。柱下樁一般可設計為矩形、梅花形、三角形；墻下樁基可設計為雙排樁、單排樁。確定樁位時，還應重視樁位豎向偏差、水平偏差的控制。

3.5 承臺設計

樁基承臺設計時，需要按照承臺選型設計承臺。柱下梁板式承臺，梁板結構的高跨比、平板結構的厚跨比一般為1∶8。設計梁板筏式承臺時，板厚、雙向板短邊凈跨比應控制在1/16以內，板厚應大于400 mm。樁基承臺設計為墻下平板式承臺時，承臺厚跨比應大于1/20，承臺厚度同樣大于400 mm。建筑樁基礎為框筒結構時，可采用筏式承臺。建筑結構設計為剪力墻結構時，承臺一般為平板式承臺，承臺配筋率取決于樁基礎結構的局部彎矩。

此外，獨立柱下樁基承臺最小寬度應大于50 cm，承臺邊樁中心點及其邊緣的間距應大于單樁直徑。樁外邊緣、承臺邊緣的間距應大于150 mm。設計墻下條形承臺梁時，樁邊、承臺邊的間距應大于75 mm。墻下布樁時，對于建筑結構為剪力墻的建筑體，若承臺設計為筏形承臺，其最小厚度應大于200 mm。

4 優化建筑樁基結構設計的基本思路

4.1 基于現場實況，校正樁基承載力

初步完成建筑樁基設計后，設計人員應對建筑施工場地進行全面勘察，并結合具體的水文信息、地質信息、現場環境調整樁基設計參數校正樁基承載力。勘察時需要做好記錄，評估周圍環境對樁基施工的影響，排除其他干擾。測量最佳放線距離和位置，精確計算單樁承載力的特征值。綜合評估影響樁基設計與施工的因素，有利于提高樁基設計施工質量。

確定樁基分布方案后，還應考慮建筑結構設計、布樁方案，再次驗算樁基承載力，記錄分析布樁時的樁基結構設計參數，包括樁身垂直度、樁基鉆孔深度等。另外，建筑地基基礎設計等級為甲級的樁基，以及體形復雜、荷載不均勻、樁端下存在軟弱土層且設計等級為乙級的樁基，還應提前進行沉降驗算，樁基沉降值不得超過該類建筑物的沉降允許值，同時符合GB 50007—2017《建筑地基基礎設計規范》。

4.2 結合項目需求，優化樁基結構

城市化發展中，城市范圍內的人口數量增加，新時期建筑高度整體呈上升趨勢。因此，進行建筑樁基設計時，設計人員還應基于建筑項目的實際需求優化樁基結構。

對于高層建筑，為確保建筑物的承載力，設計人員可將樁基結構設計為樁筏基礎結構，該結構的應用能夠有效提高建筑物穩定性，樁基長度設計應考慮持力層的分布情況。為提升建筑的承壓能力，應重點設計樁基中的單樁間距和樁體布局。此外，還應考慮建筑水平承載力、豎向承載力等，精確計算樁基礎的承壓力，合理選擇樁身材料。

4.3 加強設計參數驗算，確保承載力計算準確性

樁基設計期間，設計人員不僅需要計算單個樁的樁身承載力，還應根據樁基布置方案，以及群樁和承臺、建筑結構之間的作用力，采用有限元計算模式驗算樁基設計參數，分析單根樁基、群樁的承載力。為保證群樁承載力計算的準確性，設計人員在單獨運算單樁承載的前提下，可通過復核計算的方式對樁基結構的整體設計參數進行強度計算。然后在原有基礎上計算離散單元跨度，減少模擬計算量，提升計算效率。根據以往的經驗可知，部分樁基會出現預期沉降量與實際值不符的情況，為避免該問題，需要設計人員利用地基結構的土體彈性模量、泊松比，準確計算樁基結構建設材料的承載力。完成基礎設計后，需要進行成果核算，用可視化先進技術建立3D模型，輸入設計參數后模擬運行，保證承載力計算準確。

5 結語

綜上所述，為設計可靠的建筑樁基礎結構，設計人員應結合建筑項目的實際需求、現場地質條件，對樁基礎進行合理選型。然后，依據建筑結構相關設計規范，確定樁基礎結構中樁身、樁徑的設計規格，總結完善樁基設計方案的方法，以此保障建筑樁基礎結構設計的合理性，為建筑結構設計水平的提升創造有利條件。