建筑结构设计中桩基础设计研究

文／黄赅宜 广东省建筑设计研究院有限公司 广东广州 510000

引言：

基础设计是建筑结构设计中非常重要的环节，在建筑结构设计中选择适合的基础类型不仅对建筑工程的整体性能有着极大的影响，同时对工程的造价和施工的工期造成很大的影响。当前桩基础的施工技术愈发成熟，在综合考虑质量、安全、造价、工期、施工等方面的因素后，建筑工程基础形式常选用桩基础。因此，对桩基础设计内容展开积极探讨具有重要意义。

1、不同桩基础的设计特点和适用场景

1.1 预应力高强混凝土管桩基础

预应力高强混凝土管桩，简称PHC，在实际施工中存在可应用场景广泛、工程造价相对较低、施工效率高以及成桩质量可靠、振动轻、污染小等优势，在现代建筑施工中极为常见。

从适用场景的角度分析，预应力高强混凝土管桩施工对土地性质的适应力非常强，无论是常见的人工填土、软土和粘性土的施工中，还是在粉土、粉砂、细沙及中砂覆盖的施工地区都能进行施工建设。需要注意的是，在一些粗砂、圆砾及风化岩地貌的施工中，需要成桩基础施工的入土深度保持在十米以上、五十米以下。若在地下障碍物或孤石较多的场地管桩难以施工，需采取预钻孔等辅助措施。另外管桩具有挤土效应，对周围建筑环境及地下管线有一定的影响。

1.2 灌注桩基础

灌注桩基础施工的应用历史相对较为久远，该施工工艺存在适应竖向施工、水平承载能力强以及桩径可根据实际应用场景进行调节的特点。根据施工地质的情况差异，可以灵活选择不同的桩长施工基础，且在实际施工过程中不需要考虑接头工作。

然而，灌注桩基础却存在一些先天缺陷。首先就是成桩本身的质量把控存在一些问题，施工过程质量控制复杂，易出现桩身缩颈、夹泥，桩底沉渣超标等问题，现场泥浆污染较大，非常考验建筑设计人员和施工人员的配合与施工人员的技术经验；其次，灌注桩基础对施工机械要求较高且施工周期长，需要经历一系列的施工等待期，直接导致成桩的效率相对较低；最后，灌注桩基础检测耗时较长，需混凝土凝期达标后方能实施，且检测要求较多，易因为检测问题导致桩基补强或补桩。

从适用场景的角度分析，灌注桩基础以圆砾、微风化岩、中风化岩以及强风化岩地貌施工为主，能够在这些地质条件下形成桩端持力层。

2、建筑结构设计中桩基础设计的关键要点

2.1 基础持力层及桩长的确认

一些高层塔楼的建筑项目具有很大的荷载，在进行这种工程建设时，对于沉降量的控制十分重要。对于核心简与外围框架注、裙房柱以及纯地下室框架的异常沉降要求都很高，这种情况下持力层的刚度设计作用非常关键，因此在进行持力层的选择时，要根据工程建设区域的地质条件，采用粉黏夹粉砂层为桩端持力层。在进行施工建设时施工单位要根据具体的环境情况对施工计划进行及时变更，使工程建设能够有序的开展。桩基的施工可能会受到环境变化的影响，此时要及时调整施工方案，保证施工的可行性，防止产生资源浪费的现象。另外，桩长的确认也是建筑结构设计中桩基础设计的关键要点，因此在施工设计中要注意桩基的长度、比例等各项数据。合理的桩体长度能增强桩基的载荷能力，从而使建筑物的使用年限更长。如果在设计中出现桩基比例失调的情况，建筑物的载荷压力就会增加，这就会对建筑物的寿命产生不良影响。

2.2 单桩承载力特征值计算

在基础结构设计中，承载建筑物上部的压力主要作用在桩基上，科学的设计能够有效增强桩基的承载能力，减少上部建筑物的不均匀沉降。因此，在进行建筑结构桩基础设计时,要充分了解建筑物对桩基础的构筑需求，应用力学角度对其需要进行深入的分析，明确建筑上部结构对桩基础产生作用力的大小,从而使桩基础的设计更加合理，进而保证工程的质量和安全。同时，要明确建筑上部结构的荷载，以此来确定桩横截面积，以及桩基础的受力点、作用点等问题。整个建筑的安全会直接受到桩承载力的取值影响，因此在设计时必须要保证建筑物基础布置的合理布性。对桩基础承载能力的验算要作为重要内容，一定要保证桩基础能够满足建筑对承载力的需求。设计人员要根据实际工程项目需求来明确设计思路，保证承载力取值的合理性。通过验算工作对其进行合理分析，同时还要根据施工中的各项因素来预判施工中桩承载力会遇到的问题,并及时提出解决方案，从而保证后续施工能有有效进行。另外，在进行验算时要注意参数选取的合理性，要采取科学的方式进行验证,从而保证结构设计的安全性。在《建筑地基基础设计规范》有明确规定，甲、乙两级的建筑桩基必须以通过静载实验所测得的一根桩体所能承载的压力参数为标准，丙级则以不能低于类似的工程为标准。测试方式可以在现有的地质基础上按照以往的实验方法进行，也可以根据原位实验获得单根桩体的承载压力间。

2.3 桩基的钢筋

在进行施工时，要根据《混凝土结构设计规范》(GB50010-2010)中的规定布置箍筋，并采取螺旋方式。根据相关要求钢筋的直径要等于或大于6mm，间距保持在200-300mm的距离。桩基所承受的水平载荷有施工区域的地形有着直接的关系，如果是地震带，还需要承受地震作用。在这样的条件进行桩基计算桩身承受压力时，要对桩顶以下要采取面加高加密的方式，并保持箍筋间距在100mm以内。对于桩身的混凝土保护层，在进行厚度设计要注意以下几个方面:第一，要保证预制桩的桩尖混凝土强度在C30以上，桩身混凝土强度在C25以上。第二，灌注桩混凝土保护层在主筋中的厚度要在35mm以上,如果灌注桩在地下水中，混凝土保护层要在50mm以上。第三，要保证四、五类环境中的混凝土保护层符合相关规定。（图1）

图1 桩身混凝土示意图

3、桩基础结构设计的应用

3.1 承台的设计及构造

设计人员在进行承台设计时，要考虑上部建筑结构和布桩要求等方面的问题。对应桩基下部需要选择独立型承台，条形、井格形式的承台为主要的墙下结构，采取这样的结构设计能够防止因沉降不均而造成的不良影响。而且，要通过连接设计来了降低不均匀沉降作用，提升下部条形承台的密合效果。通常情况下，承台的连接方向是一致的，有时可能会使用双向井格形式的连接方式。另外，不同桩径的连接会有区别，如果是中等直径桩，桩顶伸入承台的长度则要等于或大于50mm。如果是大直径桩，桩顶伸入承台的长度则要等于或大于。小承台有效高度h0会随着桩伸入承台的长度而变小，这样不利于桩受力。在施工时，要将混凝土桩顶主筋伸入承台内，同时要保证锚固长度足够，根据相关规定要求锚固长度要大于或等于主筋直径。抗拔桩桩顶纵向钢筋主筋的锚固长度应符合《混凝土结构设计规范》。对于大直径灌注桩一柱连接一桩方式，可以采取以下两种施工手段：一是设置承台的方式，通过承台将桩基础与柱子进行连接。二是将桩与柱子进行直接连接。（图2）

图2 承台的设计及构造示意图

3.2 桩基础的检测

静载荷试验是桩基础检测经常会用到的一种方法，也是一种非常重要的方法。时间限制是桩基设计的一个影响因素，单桩承载能力设计值要根据地质报告的参数来确定，并将这个设计值作为桩基设计施工的参考依据。当完成施工后，在选择单桩进行静载荷试验，若是试验结果符合标准则这项施工结束。若试验结果不符合要求，则需要进行修正和补桩，这也会使整个工程产生很大的麻烦。因为此时已经完成这项工程的施工，而且地质报告对施工也会产生数值的出入，所以一旦发生变动会有涉及到一系列的问题。首先，根据地质报告提供的桩周摩擦力标准值及桩端土承载力标准值，经规范计算得出的场区单桩承载力标准值是一个经验数值，并不适合直接应用到施工中。从对各类桩进行基础检测的结果发现，计算值通常会小于桩的实际承载力，有时出入还会很大。从实验角度出发，在桩基的设计中按照试桩的实际承载力进行要比估计的承载力会获取更大的经济效益。其次，如果场地不均匀或地质报告数值存在偏差。在没有试桩的情况下就按照地质报告直接展开桩施工，不仅会给工程带来麻烦，同时还会造成资源浪费。若是采用静力压桩的设计方案，在实际施工中就要保证每根桩的深度都要压倒标准要求内，那么就要对桩身强度进行提升。这样对每根桩都要进行劈桩，才能够满足施工需求，这就会对造成时间和成本的增加。由此可见，静载荷试验一个非常重要的环节。桩基形式、桩规格以及桩入土深度都会受到静载荷试验结果的影响，也直接关系着施工能否顺利进行。只有通过实验才能够保证数据的可靠性，从而提升施工方案的可行性，同时也会对企业的经济效益做出保障。

4、桩基础的优化设计

从建筑结构设计的经济效益角度分析，桩基础通常在整个建筑工程成本控制中占有相当的比例。这意味着，出于经济效益考虑就必须对桩基础进行优化设计工作。根据文献资料的整理和笔者个人的设计经验，主要可以从以下三个方面展开优化设计工作：

（1）桩基础正式施工前的试桩设计。在正式施工之前可以选择试桩操作，甚至可以用破坏性试验的方式验证桩基础的质量和应用场景适配性。结合笔者自身的建筑工程从业经验，大部分桩基础的实际试桩承载能力会高于设计标准10%到30%。根据试桩的成果表现，可以对原设计方案进行进一步数优化和承载力特征值收集，以此作为优化原始桩基础设计方案的数据参考，适当减少桩数或桩长；

（2）进一步强化桩土共同作用对桩基础性能的影响。对于建筑规模相对较小的独立承台而言，不适合考虑桩土共同作用的影响。但是，在独立承台的建筑规模相对较大时，则需要强化桩土共同作用的施工设计。当面对持力层土质相对较好的情况时，桩土共同作用的效果尤为明显，此时可以合理地选择基床反力系数作为优化桩数的依据；

（3）针对灌注桩基础施工的情况，应该重点考虑单柱单桩或者墙下布桩的施工思路，以此减少承台的建筑规模和建设高度。根据笔者自身的项目参与经验，在某一个优化项目中，框支剪力墙的结构存在较大的优化空间。实际桩基础施工中，选择旋挖成孔灌注桩基础施工路线，桩端的持力层为中风化石灰岩，桩基础的承载能力与桩身的强度密切相关。因此，在进行优化设计阶段，主要对原计划中框支柱的设计进行改良，采取了三桩承台的设计思路。具体而言，是针对原桩径1m的设计参数进行考证，并重新审定原本承台2.6m高度的优化空间。经过优化设计，框支柱下方均改为单柱单桩的设计，桩径被优化为1.5m，承台高度也优化为0.9m。最终结果表明，优化方案能够极大节约工程造价成本，切在保证质量的前提下缩短了工期。

5、桩基础的施工技术要点

5.1 施工前的准备

桩基础施工前，施工单位应组织技术人员和施工人员，对施工图和地勘资料进行详细的阅读和理解。在工程桩大面积施工前，应该根据地质情况选择不同位置进行试桩及抗压、抗拔静载试验，以取得正式施工所需的有关控制数据以及单桩竖向（抗拔）承载力，尤其是需要送桩的贯入度控制值，试验数量根据现场情况由业主、设计单位、检测单位、施工单位共同决定；试桩数量不应少于工程桩总数的1%，且不应少于3根。管桩施工前，每根桩须根据地质钻探资料预计总长，选择合理的桩节组合，以减少接桩次数。

5.2 施工质量控制

施工人员进行平面放线，根据每一个桩台中心的定位进行坐标定位，在定位完成后应由监理单位及有关部门复核无误后才可进行施工。垂直定位时，桩机垂直度应严格按照施工规范要求执行，严格控制成桩的垂直度偏差。灌注桩在浇筑桩混凝土是需准确测定桩顶标高，避免出现接桩。管桩在接桩时，需严格控制上下桩节点中心偏差。

施工过程中必须对每根桩做好一切施工记录，如灌注桩留取的混凝土试件及试压结果，管桩的节数、每节长度、锤击数或者静压终压值等等数据，并将有关资料整理成册，用于检查及验收。

结语：

综上所述，建筑结构设计中桩基设计是非常重要的环节，本文阐述了桩基设计的主要内容，基础持力层及桩长的确认、单桩承载力特征值的取值、桩基的钢筋计算。桩基础设计比较复杂，同时施工质量对整体工程影响极大，因此，在设计与施工中必须提高重视，一定要根据工程的实际情况制定科学的方案，为工程的顺利施工奠定良好的基础。