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建筑结构设计中桩基设计浅析郝本忠

发表时间：2020/6/2 来源：《基层建设》2019年第35期作者：郝本忠

[导读] 摘要：建筑设计中，桩基础结构的优势十分明显，因此在建筑设计中也得到了广泛的应用。

        苏州六度设计研究院有限公司江苏徐州 221000
        摘要：建筑设计中，桩基础结构的优势十分明显，因此在建筑设计中也得到了广泛的应用。以桩基设计与计算的常见问题为切入点，分析了桩基设计过程不同建筑用途需要选取的相应桩基结构，并且结合案例来展示了在施工过程中需要注意的桩基设计相关问题，以多角度说明了桩基设计应该采取的优化工作方式。
        关键词：建筑设计；桩基础结构；策略
        1桩基础分类
        按照桩基础的受力原理，桩基础主要分为端承桩与摩擦桩。
        摩擦桩主要采用基桩与周边土壤产生的摩擦力承担建筑负荷，其还可分为抗压桩以及抗拔桩，在深度较大的持力层和软土地基当中应用较为广泛。端承桩主要是以桩的支撑力来承载土层上的建筑物。结合施工方式，桩基主要可分为灌注桩和预制桩，预制桩是将预先制好的钢筋混凝土打入地层之下，该桩基形式造价较低，施工效率高，且其节能性较强。但是这种桩型对土质有着极高的要求，容易产生挤土不足的问题。灌注桩施工中主要采用现场钻孔或人工挖孔的方式。施工时先要完成制孔，然后将钢筋笼放入到孔中，灌注混凝土，其可穿透多种坚硬的夹层及持力层。另外，灌注桩的桩径与单桩的承载力可根据实际调整，所以成桩质量更有保障，因而被广泛应用在高层建筑中。
        2桩基设计与计算的常见问题
        2.1桩基打压难以到达设计位置
        桩基在实际施工过程中，很可能无法轻易到达设计标高的指定位置，一是由于设计阶段没能做好事前的地质勘探工作，导致数据分析计算结果有误，且没有事前利用试验桩基进行测试，桩长、承载力等参数无法符合实际情况。二是由于地下土层结构阻碍了桩基的进一步深入，比如地下土壤或岩石的缝隙之间存在地下水压力，桩基打压效果无法冲破缝隙水压力的阻碍。
        2.2单根桩体极限纵向承载力的计算
        了解单根桩体的纵向极限承载力是进行桩基设计的基本也是重要条件之一。首先纵向承载力的设计需要按照《建筑地基基础设计规范》开展工作，甲级和乙级的建筑桩基需要经过静载实验获取单桩竖向承载力的特征数据，丙级和较简单的乙级桩基可以根据其现场地质特点，参照同行工程范例，结合自身工作经验开展试验工作，也可以结合原位实验综合测量计算其单根桩体的竖向承载力。
        2.3桩体的长径比例选择
        建筑工程在设计桩体时，往往通过调整长径比例来达到性能要求，由于计算结果很难达到完美的比例设计，所以造成了桩体材料浪费。通常通过长径比值的确定以满足桩体自身承载力需求，并考虑到实际情况，端承桩需要有一段比较坚硬并且不会轻易变形的耐力层。然而，如果桩体过于细长，容易在打压过程中受到巨额的纵向荷载影响对桩体结构造成损坏。
        2.4桩体偏差的设计与控制
        在满足单根桩体基本承载力性能的基础上，打压过程中维持桩体中心线保持在预定位置上也是十分重要的。设计阶段要重点考虑由于偏差可能对桩体造成的不良影响，特别是一些承台桩和条形桩，由于偏差对其造成的附加作用力将会大大影响桩基的整体性能。
        3桩基设计——实际案例分析
        3.1案例简介
        该工程位于当地南部，是一个由众多单体建筑组成的建筑物，建筑总面积超过5万m2，其中塔楼采用了钢筋混土框架-核心筒结构，裙房与地下室则采用框架结构。根据该工程项目的基本情况，设计认为整个建筑物裙房、纯地下室结构的荷载差异较大，为了保证建筑物的安全，控制沉降就成为整个工程项目的重点，因此将桩基设计作为整个工程项目的重点。
        3.2桩基设计
        3.2.1桩基选型
        在该工程项目中，施工现场场地的地基基础掩埋深度为10～15m，施工现场勘察结果显示主楼与裙楼的下方存在一定厚度的填石、粉质黏土等，虽然勘察结果显示该土层的土质质量密实度理想，但是存在局部缺失的问题，整体上分布不够稳定，会对工程项目施工造成影响。同时，按照其他工程项目的钻孔灌注桩的施工经验，判断该土层的压桩难度极大，且调查结果也发现场地内有3.0m左右的高度起伏，导致贯入阻力增加。基于上述施工场地环境可以发现，该工程现场钻孔灌注桩在持力层的施工难度较大，针对这一问题，确定了最终的设计参数，相关资料如图1所示。
        在该项目中，第一时间对压桩压力进行检测，当发现压力参数没有满足设计标高的规定，但是已经达到停止标准区域后，可以截桩。
        3.2.3选择持力层
        该项目的南区有多栋高层塔楼，塔楼的荷载很大，因此对沉降量的控制要求高，并且其核心筒与外围框架注、裙房柱、纯地下室框架的异常沉降要求很高，所以持力层的选择应该充分发挥本项目刚度设计优势。同时，结合相邻地块的沉降计算结果，且该项目中并不设施永久沉降缝，因此对不均匀沉降的要求极高。因此在持力层的选择中，根据当地的地质特征，采用粉黏夹粉砂层为桩端持力层。

        3.2.4试桩
        设计该项目与当地的著名标志物较近，属于相同的地址单元，虽然土层的图形特征存在一定的差异，但是总体上基本相似。其中，项目采用了直径为0.8m的钻孔专注装，并且增加了桩端后的朱亮亮，将单桩的注浆水泥用量控制在3.5～4.0t，试桩阶段的最大夹在两达到了30000kN时没有发生破坏。根据这一结果可以认为，增加注浆压力与注浆量，有助于提高桩侧的翻浆高度，最终强化了桩承载力。
        3.2.5注浆要求
        该项目中采用了P42.5普通硅酸盐水泥配置的将其，其水灰比为1：0.55～1：0.57。将注浆压力控制在3.8～4.2MPa之间，塔楼桩端注浆的水泥用量为4000kg，并且在桩身上均匀设置多根注浆管。严格控制注浆流量，避免注浆量大于75L/min；采用钢制注浆管，其直径为35mm，厚度为3.5mm；注浆过程中，将注浆管上端高出地面0.2m，且下段与注浆器连接，桩端注浆器插入孔底下方的0.5m位置；同时下放注浆导管、注浆器、钢筋笼等，通过注水试验检查漏水现象。
        3.2.6工程桩的设计
        根据试桩结果，扣除试桩桩顶高度至筏底板的桩侧阻力后。同时在该项目的桩基设计中，充分评估水浮力的影响，并根据正常使用阶段的高水位抗浮与低水位抗压做设计，并根据最不利情况确定桩基参数[1-2]。到了抗拔阶段，需要充分评估结构恒载问题，并根据当地相关场地的特征，设计中决定按照地坪下0.5m的数据标准确定地下水位设计要求；在抗压阶段，考虑到结构恒载与活载中的最不利组合情况，并根据相邻项目最低水位下的2m做设计。同时，按照工程项目的施工情况，考虑到该项目中的地下室、裙房等沉降值相对较小，其主要面对是控制塔楼的绝对沉降情况，并将纯裙房、纯地下室之间的沉降差异控制在满意水平下。该项目确定桩基的布置原则为：按照桩基变刚度调平设计要求，并综合考虑上部建筑物结构、地基等共同作用下，对塔楼区域可以通过调整桩基的刷量改善刚度分布情况，最终将整个建筑物的沉降控制在理想水平下[3]。该项目中裙房为大跨结构，柱所承载荷载水平较大。所以针对这一问题，可以采用与塔楼相同直径、长度的钻孔灌注桩，并通过注浆的方法控制差异沉降等问题。
        4结语
        作为建筑物重要的基础部分，桩基的承载力需要通过科学的设计与计算才能充分发挥出其应有作用，并且随着科学技术的提高，一些先进的计算策略和系统软件将会更好地帮助设计人员进行分析与计算，并结合不同建筑物的不同需求选取相应的桩基础结构，这将会使桩基设计更加符合实际情况。
        参考文献:
        ［1］曾超．工业建筑结构设计常见问题分析［J］．山东工业技术，2017(4):56．
        ［2］许蓓．建筑桩基在施工中的沉降问题分析及处理技术［J］．江西建材，2016(21):78．
        ［3］吕文亮．建筑结构设计中存在的问题与解决对策分析［J］．绿色环保建材，2018(12):122124．
        ［4］乔栋．土木工程建筑结构设计中的问题初探［J］．现代工业经济和信息化，2016(15):87-89．
        ［5］陈国威．对建筑结构设计的探究［J］．珠江现代建设，2017(3):205．