建筑混凝土结构桩基础设计解析

建筑混凝土结构桩基础设计解析

张园园

广西华锐钢铁工程设计咨询有限责任公司

摘要：近年来随着我国经济的迅猛发展及国人的生活水平的不断提高，“高、大、尚”的建筑大量兴起，桩基础作为一种适应性较强的基础形式，在应对各种地质情况、荷载工况和功能需求时都显得游刃有余，不管是设计还是施工都对其青睐有加，由此得到了快速发展和广泛应用。但是桩基础作为一种深基础，造价一般要高于浅基础，尤其对于高层建筑或大型项目基础工程在总成本中占比較高，因此通过科学的设计方案选择安全合理的桩基方案，对节省资源降低造价意义非凡。

关键词：建筑混凝土结构桩基础设计解析 
　　一、建筑混凝土结构设计中基础设计原则
　　（一）重视业主沟通
　　因为现代建筑不仅需要保持本身质量和安全，还需要满足项目业主多方面需求。而建筑基础结构与建筑功能、外观、质量等方面都息息相关，所以需要在充分了解业主需求要求的基础上，遵循专业理念进行设计。只有这样，才能够提升业主满意度，避免后续返工情况增多。
　　（二）实事求是
　　任何建筑项目都是基于一定规模土地资源上进行规划建设的，项目场地地质状况、自然及人文环境情况都会影响项目设计，因此进行建筑基础结构设计时，需要对建筑项目工程实地情况进行了解调研，充分考虑多方面因素，保证设计方案科学适用。
　　（三）重视现代科学理论
　　人类建筑历史发展历程当中，建筑设计理念和技术都在不断发展和进步，尤其是近些年来建筑设计和建造行业受到了多种新兴材料及技术支持。无论是从提升建筑质量安全品质角度，还是从提升建筑节能、生态、舒适度角度来讲，建筑基础结构设计都应当重视对新材料、新工艺、新技术理念的应用，同时综合考虑成本花费和施工难度，寻求最优设计方向。
　　二、建筑混凝土结构中桩基础设计要点分析
　　（一）地质状况评估
　　在建筑基础的方案设计过程中，需综合考虑建筑的结构形式、荷载情况、基础埋深、地质条件和施工工艺等因素来选择合理的基础方案，在这些因素中建设场地的地质条件对基础方案的选择有着至关重要的影响。中金烧结成品矿槽项目，由11个容积为630m³混凝土烧结成品矿仓组成，每个仓物料重量为1134t，地面设有胶带机，17m平台设有卸料小车及一台5t电动葫芦吊车，建筑物总高30m，拟建场地的地质情况：该项目基础落在硬塑状粉质黏土土层上，地基承载力特征值fak=100KPa；由于该土层力学强度低，压缩性高不适于采用天然基础，宜采用桩基础来满足抗压和抗拔承载需求。
　　（二）桩基选型
　　桩基础设计过程中，为保证设计方案的安全适用、经济合理、施工方便，一般会进行多方案比选，综合设计、工程、成本等多个方面的评价，来确定桩型、参数和工艺。同样以中金烧结成品矿槽项目为例，在该项目基础桩基选型时进行了多方案分析比选。由于考虑到②粉质粘土层压缩模量较大，厚度约10m左右，管桩穿越该土层非常困难，挤土效应也会较为明显，且桩顶标高处在①素填土层中，土体对桩身的水平约束较弱，基坑开挖时极易造成桩头歪斜或断桩等质量缺陷，因此首先排除管桩方案；后针对Φ1200mm和Φ1400mm的灌注桩方案进行了施工和成本分析，考虑到两者工艺相同，而Φ1200mm灌注桩方案的成本较优，因此Φ1200mm灌注桩方案为中选方案。
　　（三）重视试桩
　　桩基设计时，通常是根据地勘报告和当地经验，来选择桩型和工艺、以及估算单桩承载力。因此需要通过试桩施工及静载试验来验证桩型和工艺的合理性，以及验证承载力估算是否准确，避免在设备全面进场后发现该桩型或工艺不适合建设场地施工，以及发现单桩承载力远小于估算值，就需要对桩的布置进行调整，从而带来工期延误或成本增加。
　　A工程为一商业项目，塔楼高度138m，采用框架核心筒结体系，原设计基础形式核心筒区域为桩筏基础，框架部分为桩承台基础，根据地勘报告预估单桩承载力为5000KN。但是由于地勘报告数据不准确，加上为了抢工期将试桩和工程桩同步施工，导致静载检测时发现单桩承载力只能达到设计值的80%左右，原基础不能满足承载需求，为了处理此问题，前前后后经过了多轮分析论证，最终采用了补打工程桩形成CFG复核基础的解决方案，给项目带来了巨大的成本浪费和工期滞后。
　　A工程采用Φ600mm钻孔灌注桩，桩长约30m，以中风化泥灰岩作为桩端持力层。在该项目的试桩过程中发生了充盈系数过大的情况，多根试桩充盈系数在1.4～1.5左右，个别桩甚至高达1.7。经事故分析及检测验证，该质量事故发生的主要原因为上部土层土质较差，泥浆指标不合理，导致泥浆护壁较薄，施工过程中发生了泥皮破坏，孔壁坍塌，致使充盈系数过大。找到了事故原因后施工单位对泥浆指标和成桩工艺进行了优化，有效改善了充盈系数过大的问题，为之后的设计优化和工程桩施工提供了重要依据。

（四）变刚度调平
　　即在基础设计时根据建筑物的上部结构形式、荷载分布特点及拟建场地地质情况，将建筑划分为不同区域来进行基础设计，并根据各区域的特点来选择合适的基础形式和基础方案，用以减少不同区域之间的地基沉降差异，降低结构内因沉降差而产生的次生应力，最终实现对由不均匀沉降造成的结构危害的有效控制。对于桩基础来说基本思路为：通过调整桩基的刚度分布，使桩反力与上部结构荷载分布相协调，使基础沉降趋于均匀。设计的基本原则为：（1）对于高层塔楼，宜做到“强中心弱边缘”，即强化荷载较为集中的核心区域，弱化荷载较小的外围区域，一般通过调整桩距、桩径、桩长等来达到调平的目标；（2）对于塔楼与裙楼（或地下室）之间的调平，宜做到“强主楼弱裙楼”，另由于主楼和裙楼之间往往荷载差距比较大，可遵循主楼选择刚度较大的桩基础，裙楼选择刚度相对较弱的天然基础或者疏桩基础的原则进行基础方案设计。

　　B工程为一住宅项目，由3栋塔楼和1层满堂地下室组成，塔楼高87米，地下室埋深5.5米，基础底面落在粉质粘土层上，其修正后的承载力特征值为210Kpa。该工程塔楼采用了桩筏基础，地下室采用了变厚度筏板基础，同时在每个柱下设置了一根工程桩用于抗拔和控制沉降。该基础方案顺利的通过了施工图审查，并在控制沉降差异上取得了较好的效果，同时相较于全桩基方案减少了约三百多根桩，经济效益明显。
　　（五）设计与经济性的平衡把控
　　如今各类工程建设都提倡经济性和可持续发展，因此建筑混凝土结构设计过程中也要考虑其经济性。桩基础设计中，除了重点考虑桩基的承载力和耐久性是否达标外，还应考虑其尺寸、材料及工艺的选择是否与当地的工程经验、材料供应及施工水平相匹配，施工质量是否能得到有效保证。总体而言，桩基础设计时应力求做到安全合理、经济适用，杜绝成本浪费，减少对资源和环境的影响，提高其經济效益。
　　四、结束语
　　综上所述，建筑基础方案的优劣对建筑整体质量和功能品质的好坏有着决定性作用，目前采用桩基础的建筑又越来越多，因此在桩基础设计时更应采用先进设计理念和科学的设计方法，来提升桩基础的设计水平。本文通过案例对桩基设计过程中需要关注的要点进行了简析，在实际设计时应充分考虑建设场地地质条件、环境情况、业主需求、当地市场情况及工艺水平，重视概念设计和细节设计，对基桩尺寸、形式、荷载等参数进行精准设计，以保证整体结构的合理性，同时降低施工难度，提高工程质量和经济效益。只有这样，才能不断提升建筑行业设计和施工水平，推动经济产业及社会快速发展。

参考文献：

[1]《建筑桩基技术规范》JGJ94-2008

[2]《建筑地基基础设计规范》GB50007-2011

[3]刘伟.建筑混凝土结构中桩基础设计分析[J].建材发展导向(上),2019,17(9).

[4]陈文丽.房屋建筑结构设计中基础设计[J].建材发展导向(下),2019,017(003):194.

[5]宋尧.关于房屋建筑结构设计中基础设计探讨[J].住宅与房地产,2018,No.498(13):101.