摘要：房屋建筑结构设计中的基础设计工作不仅关系到整个房屋建筑的安全性、适用性、耐久性,同时对建筑工程的成本也有至关重要的影响,因此作为设计人员必须高度重视基础设计工作,注重细节,一方面使基础能够满足房屋建筑的承载力要求,另一方面要努力控制成本,从而获得更大的经济效益和社会效益。本文从常用桩基础的类型、各类桩基础适用范围、桩基础设计中应注意的一些问题以及桩基础优化设计等几个方面并结合实际工程进行探讨,仅供同行进行参考。
关键词：桩基础；结构设计；基础设计；优化措施
1房屋建筑结构设计的重要性
首先,以往的房屋建筑形式简单,功能也比较单一,因此其结构也没有那么复杂,但现在的建筑不同,出现了更多的高层、多层建筑,建筑结构就需要承受更大的荷载。其次现在建筑的功能更为多样化,结构也随之有了变化,结构变得更为复杂。最后，现在人们对建筑的空间性有较高要求。因此设计者们在进行结构设计时不断推陈出新,以期设计出更符合人们需求的建筑结构。可见房屋结构设计的重要性。然而房屋质量是建筑结构的关键,其基础设计又是结构设计的关键。因此要想使得房屋结构设计能保证房屋质量,就需要先从基础设计入手。
2房屋建筑结构设计中基础设计应遵循的原则
2.1经济合理性原则
房屋建筑基础设计要保证其满足相关的经济性原则,因此,房屋建筑基础自身的材料消耗可为降低整个房屋建筑工程的成本奠定坚实的基础。
2.2多样式原则
房屋建筑基础的类型及样式较多。因此,在基础结构设计的过程中,设计单位应对各种基础类型进行全面掌握,并结合实际情况,选出具有一定经济效益和社会效益的基础类型。
2.3动态设计原则
所谓的动态设计原则是指在进行基础结构设计时,不仅要保证基础在结构和功能上满足当前建筑的相关需求,还应用发展的眼光来看待基础设计工作,使得基础设计方案能够适应现代社会的发展需要,顺应未来房屋建筑可能会出现的改造及扩建趋势。
3常用桩基础类型
根据成桩方法,建筑工程中常用桩基础类型分为预应力高强度混凝土管桩基础、灌注桩基础。灌注桩基础又分为钻孔灌注桩基础、旋挖成孔灌注桩基础、人工挖孔灌注桩基础、冲孔灌注桩基础。
4各类桩基础特点及适用范围
4.1预应力高强混凝土管桩基础
预应力高强混凝土管桩(PHC)因其适用范围广、成桩质量可靠、造价低、施工速度快等优点得到广泛应用。PHC管桩适用于以人工填土、软土、粘性土、粉土、粉砂、细砂、中砂为覆盖层的地区,持力层一般为粗砂、砾砂、圆砾、强风化岩,入土深度一般为10m～50m。
4.2灌注桩基础
灌注桩基础具有竖向和水平承载力高，桩径可根据上部竖向荷载进行验算选择,桩长根据地质情况不同灵活选择,没有接头等优点。但有桩身质量不易控制、成桩速度慢、水下灌注桩孔底沉渣不易清理干净影响竖向承载力等缺点。灌注桩基础一般以圆砾、强风化岩、中风化岩及微风化岩作为桩端持力层。
5桩基础设计中应注意的几个问题
5.1桩基础的选型
桩基础设计中的基础选型，是基础设计过程中至关重要的一个环节。基础方案的合理与否直接决定着基础造价的高低及施工周期的长短。因此，方案选型阶段应根据地勘报告并结合上部结构特点从桩基础形式、成桩可行性、上部建筑对桩基础承载力要求、是否需抗浮、沉降控制要求、基础造价等方面进行仔细分析,必要时还需要进行现场踏勘、试验。一般情况下,当基岩埋深较深、上部土层为人工填土、淤泥、粘性土、粉土、细砂、圆砾等土层时,可优先采用预应力管桩基础,以风化岩圆砾、中砂层等作为持力层。
选用预应力管桩时，应注意其成桩的可行性。当持力层以上有孤石、较密实的砂层、圆砾层等难以穿越的土层时,管桩沉桩困难,断桩率高。这种情况可采取以下措施：(1)改为灌注桩基础；(2)若密实土层埋藏较浅，可采用引孔的方式穿越密实土层,但引孔费用较高,采取此措施应综合对比造价之后再确定；(3)若桩顶设计标高至密实土层有一定深度,如有效桩长大于6m以上,且底板以下土层为粘性土等具有一定承载力的土层,可将持力层改为上部密实土层,将管桩改为复合地基,桩土共同受力。笔者曾参与的一个项目即按第三种方案处理,并取得了较好的经济效益。
当基岩上部覆盖土层较薄,或采用预应力管桩成桩困难时,宜选用灌注桩基础。灌注桩基础根据施工方式不同,又分为钻孔灌注桩基础、旋挖成孔灌注桩基础、人工挖孔灌注桩基础、冲孔灌注桩基础。目前在湖南地区最常用的灌注桩基础为人工挖孔桩基础和旋挖成孔灌注桩基础。当地下水较少、基岩埋深不深时，可采用人工挖孔桩基础。基岩承载力不高时,还可扩底,扩底大小可根据桩身承载力确定。此外,如地下室整体抗浮不满足要求,可采用人工挖孔扩底桩抗浮。根据《建筑桩基技术规范》可知,扩底桩可通过较短的桩长提供较大的抗拔承载力。对于竖向荷载较小的纯地下室,可以选择基岩以上土层，如强风化、圆砾等承载力较小的土层作为持力层,既能满足竖向荷载承载力要求,也能满足抗拔承载力要求。
5.2地勘报告合理性判断
对于地勘单位提供的基础形式建议,作为设计者应结合上部结构荷载、基础底持力层等具体情况综合分析比较。实际工程中,部分地勘报告取值比较保守,在本可以采用筏板基础等浅基础的条件下,建议采用桩基础。如笔者在长沙设计的一个项目,塔楼为22层框筒写字楼,一层地下室，地质条件简单,基础底标高已接近于强风化板岩。考虑到筏板基础厚度,筏板底均已进入强风化板岩。但地勘报告建议采用旋挖灌注桩或冲孔桩。后与地勘单位商议,并通过现场载荷板试验,改为筏板基础,地基承载力特征值350kPa。笔者另一个在湘潭的项目,33层剪力墙公寓,地下室底板位于圆砾层,地勘提供的承载力特征值320kPa,同样建议采用旋挖灌注桩基础。通过现场载荷板试验,承载力满足要求。修正后地基承载力特征值达到550kPa,筏板基础厚度1.6m。目前项目已完工,沉降满足要求。桩基础改筏板基础不仅降低了工程造价,且大大加快了施工进度,经济效益显著。
5.3桩基础计算
目前主流的结构计算软件均可直接导入上部结构计算结果进行基础设计计算。但输入的设计参数正确与否对桩基础设计是否安全合理起至关重要的作用。如桩刚度的选取、是否考虑上部结构刚度、计算方法采用弹性地基梁法或者倒楼盖法等。一般桩刚度的取值宜根据试桩结果确定,即桩的竖向刚度=桩承载力特征值(kN)/对应的桩顶沉降(m),由试桩报告中的Q-S曲线的斜率求得。桩刚度大小直接影响桩计算反力大小,桩反力大小又影响其上部承台、筏板的厚度和配筋。因此,桩刚度应在合理范围内取值。对于高层建筑,上部结构刚度一般均较大,基础设计考虑上部刚度影响,可使桩反力更均匀,配筋更经济合理。对于桩基础计算方法,一般应采用弹性地基梁法计算,以考虑桩基沉降对承台、桩筏配筋的影响。
6 桩基础优化设计
(1)桩基础正式施工前,应进行试桩,并进行破坏性试验,以取得其最大承载力。根据笔者经验,大部分桩基础试桩承载力均大于设计估算承载力10%～30%左右。通过试桩结果,提高原设计估算桩基承载力特征值,可优化桩数量或减小桩长。(2)考虑桩土共同作用。对于较小的独立承台,不宜考虑桩土共同作用。而对于较大的桩筏基础,当筏板底持力层土质较好时,可考虑桩土共同作用,合理选取基床反力系数,优化桩数。(3)对于灌注桩基础,宜采用单柱单桩,或在墙下布桩,减小承台大小和高度。例如,该项目为框支剪力墙结构,基础采用旋挖成孔灌注桩基础,桩端持力层为中风化石灰岩,桩基承载力由桩身强度控制。原设计框支柱下均采用三桩承台,桩径1m,承台高度2.6m。优化后,框支柱下均改为单柱单桩,桩径1.5m,承台高度改为0.9m,大大节约了工程造价并节约了工期。
7结语
总之,每个工程特点不同,地质情况千差万别,桩基础设计相比上部结构设计更加多变。设计时需要综合考虑各种因素,统筹兼顾,才能做出既安全可靠,又经济合理的设计产品。
参考文献：
[1]周岩.房屋建筑结构设计中的基础设计评析[J].城市建筑,2013(22):63.
[2]马安宝.浅析房屋建筑结构设计中的基础设计[J].科技风,2011(11):168.
[3]方玉树．地基基础设计等级若干问题探讨［J］．建筑结构学报,2014,(7):153-158．