典型综合楼桩基础设计

张 胜 程中林 郑 雷 査 力

（芜湖中安电力设计院有限公司 安徽芜湖 241000）

引言

桩基础作为一种改良地基性能和改善力学传导的结构，广泛应用于生产实践中，其承载力和安全性直接影响工程建设的质量，是工程建设的重要内容。由于用桩量与工程造价两者之间成正比关系，如何在工程质量和经济性获得平衡成为工程建筑需要解决的难题之一。学者们就此展开深入研究，在桩基类型、施工工艺和设备、桩基理论和设计方法等领域均取得了很大的成果。[1～5]

本文以某中学6#综合楼桩基础设计工程为例，从实际工况和地质情况出发，选取预制桩进行桩基础设计，并对关键技术参数进行验算，希望为相似工程提供借鉴案例。

1 工程概况

本案例中建筑采用框架结构，其中柱截面为800×600mm2，由于使用用途为中学综合楼，因此须满足二级安全级别。荷载方面，对基础顶面采用2组不同的基本组合设计值，其中M、H作用于柱的长边方向且均为从左指向右：

①轴向力 F=5275kN；弯矩 M=475kN·m；H=150kN；

②轴向力 F=3700kN；弯矩 M=650kN·m；H=180kN。

2 工程地质条件

通过施工前的调查取样，发现施工区域土层呈现7层分布态势：第一层为人工填土，土层厚度1m，未完成自重固结；第二层为淤泥质土，土层厚度16m，性能呈软塑状；第三层为粘土，土层厚度2m，性能呈可塑状；第四层为粉质黏土，土层厚度1m，性能表现为硬塑；第五层为强风化软质岩，土层厚度8.25m，风化强烈；第六层为软黏土，呈软塑，可塑状；第七层为坚硬岩，风化强烈。此外，本工程中地下水位到地表的距离为0.95m，对混凝土不产生侵蚀影响。

3 桩基础类型

3.1 预制桩

预制桩指预先在专业工厂或施工场地进行制作并使用沉桩机械将其打入设计桩位的桩。由于预制桩生产环境相对封闭，技术要点较易控制，桩基制作迅速且质量较高，同时根据设计要求可以制成多形状多尺寸的截面，施工时亦不受地下水影响，无泥浆排放的问题，具有良好的环保性能，适用于较高要求的建筑工程。

3.2 灌注桩

灌注桩指在工程现场通过打钻器械等掘进手段制作桩孔，并就位埋设钢筋笼和灌注混凝土而制作的桩，常见类型有钻孔灌注桩和沉管灌注桩。灌注桩可以根据现场工况进行针对性施工，但成孔工艺较为复杂，对现场操作人员专业素质亦具有一定要求，成本较高，施工周期较长。

3.3 桩基础选择

本工程为中学综合楼项目，宜更加注重施工安全性和质量要求，对桩基础质量须严格把控。由于工程地质条件勘测到位，施工时技术要点较易控制，因此拟采用预制桩进行桩基础设计。

4 预制桩基础设计

4.1 桩基础几何设计及承台埋深

对桩的成桩工艺，结构的荷载情况和工程地址条件综合考量，宜采用直径400mm的预制桩并将强风化岩作为持力层，柱端进入持力层的设计深度取1m，以满足规范要求[6]，故桩入土深度为21m。同时为避免地下水位对承台的不利影响，设计低承台桩的埋深为1.4m，桩顶嵌入承台0.1m，因此桩基的实际长度为19.7m，计20m，几何设计如图1所示。

图1 桩基础几何设计示意图（单位mm）

4.2 出桩量计算及排布

已知该工程属于二级建筑，根据经验参数法确定单桩竖向承载力标准值，公式如下：

RA=0.5×Quk=0.5×（Qsk+Qpk）=0.5×（μ∑qsik1i+qpkAp）

经验算其特征值RA为874.11kN，斟酌桩偏心受压的影响，安全系数取1.2，最终出桩量为6根，按照行列式进行排布，桩距Sa大于等于（3～4d）=1.2m～1.6m，取 Sa=1.4m，承台混凝土选用 C30，底面尺寸为 4.0m×2.6m，高度为1.2m。预制桩的立面图与承台布置图如图2所示。

图2 预制桩与承台的布置图（单位mm）

4.3 技术参数核算

4.3.1桩顶荷载

为使该工程安全等级达到设计所要求的二级标准，γ0=1.0，且室内地面比室外高，设为300mm，即承台底至室内标高为1.2+0.5=1.7m，承台底至室外标高为1.2+0.2=1.4m，则承台的平均埋深为d=0.5×（1.7+1.4）=1.55m。

当荷载为基本组合设计值①时：A柱弯矩的最大标准值组合为Fk=3907.4kN，Mk=351.9kN·m，Hk=111.1kN，此时桩基础承台及承台上的自重：Gk=γGAd1+（γG-γω）A(d-d1)=244.4kN，因此承台底形心处的弯矩∑Mk=485.22kN·m，故桩顶平均竖向力=691.97kN＜Ra=874.77kN，Q=691.97±86.65kN。

当荷载为基本组合设计值②时：A柱弯矩的最大标准值组合为：Fk=2740.7kN，MK=481.5kN·m，HK=133.3kN，此时作用在承台底形心处的弯矩：∑Mk=641.46kN·m，则柱顶平均竖向力874.77kN=497.52±114.55kN。由于荷载基本组合设计值②中最大剪力H=180kN，小于1/12竖向荷载，故不验算单桩水平承载力。

4.3.2 桩基础沉降计算

由于桩基础的桩中心距小于6d，因此，最终沉降量计算采用等效作用分层总合法，等效作用面位于桩端平面，等效作用面积为桩承台投影面积，等效作用附加压力近似取承台底平均附加压力，则计算矩形桩基中点沉降时，桩基沉降量可按下式简化计算：

本工程中强风化岩重度取20kN/m3，软黏土重度取16kN/m3，当地基最终沉降值为11.25m时，附加应力与自重应力的比值低于附件应力系数，故取该值推算总沉降值，得s，=136.1mm。查表得C0=0.0500，C1=1.3223，C2=15.5442，故ψs=0.1076。由于本工程中桩基础具有良好的持力层性能，因此经验系数ψ取值1.0，故本工程中桩基础的最终沉降量s=满足规范要求。

5 结论

（1）预制桩较灌注桩，具有质量可控，成桩迅速和不受施工环境影响的优势，适用于较高要求的建筑工程。

（2）桩基础的几何设计应充分考虑工程结构的实际需要并引入安全系数，合理设置出桩量和布桩形式。

（3）桩基础设计完毕后，应及时完成桩顶荷载等参数的验算，确保符合各项技术要求。