浅析房屋建筑结构设计中的桩基础设计

【摘要】近年来，我国的城市建设速度随着经济发展不断加快，全国各地高层、超高层建筑不断增加，最近几年全国房地产开发竣工面积每年均在10亿平米左右。由于土地面积不断减少，新开发的项目绝大部分均为高层和超高层，而此类建筑由于竖向荷载大，对沉降要求严格，大部分均采用桩基础。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，供设计人员在桩基础和地下室设计过程中进行参考。

【关键词】桩基础；结构设计；基础设计；优化措施

1、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、人工挖孔桩基础、冲孔桩基础。

2、各类桩基础特点及适用范围

2.1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、造价低、成桩质量可靠、施工速度快等优点得到广泛应用。

PHC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。

2.2灌注桩基础

灌注桩基础具有竖向、水平承载力高、桩径可根据上部竖向荷载不同选用不同桩径，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、除人工挖孔灌注桩以外的水下灌注桩桩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。

3 、桩基础设计中应注意的几个问题

3.1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，管桩成桩困难，断桩率高。这种情况可采取以下措施：a、改灌注桩基础；b、如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确定；c、如设计桩顶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、人工挖孔桩基础、冲孔桩基础。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》5.4.5条可知，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，既能满足向下的竖向荷载，也能满足抗拔承载力要求。

目前，由于人工单价的不断增长，以及对于施工安全方面的考虑，人工挖孔桩的适用范围已经越来越小。如广东地区已经严格限制使用人工挖孔灌注桩基础，湖南地区将桩长大于16m的人工挖孔灌注桩基础，列为危险性较大的分部分项工程，需要编制专项施工方案及组织专家论证通过。而旋挖灌注桩由于施工机械的技术进步、施工速度快、单价较人工挖孔桩低等优点得到越来越普遍的应用。

3.2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、底板标高位置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，底板标高已接近于强风化板岩，考虑筏板基础厚度后，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。

3.3桩基础计算

目前主流的结构计算软件均可直接接力上部结构计算结果进行基础设计计算。但设计参数的输入正确与否对桩基础设计是否安全合理至关重要。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，基础设计考慮上部刚度影响，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。

4 、桩基础优化设计

桩基础在整个建筑物造价中占有相当比例，设计过程中应注意其优化设计。可从以下几个方面进行优化：（1）桩基础正式施工前，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。笔者曾优化过一个项目，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。

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。

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作者简介：

易亮（1982-），男，本科，工程师，主要从事結构设计工作。