建筑工程常用的地基基础与桩基础设计

2021-11-26马刚

中国建筑金属结构 2021年4期

马刚

1.地基工程设计的主要工作内容

在建筑工程全寿命周期中，施工首要解决的问题就是基础工程。而建筑的地基设计，要从实际的工程情况出发，将各类环境因素考虑在内。由于地基工程的主要功能是承载整个建筑工程上部结构的所有荷载和保持建筑工程结构的整体性和稳定性，进而达到建筑工程的设计使用年限和提高建筑工程在使用过程中的可靠性，我们在实际工程设计和施工中应该根据项目所在的工程环境和建筑物的上部荷载情况进行合理的基础工程设计。

1.1 桩基础

地基工程桩基础从应用方面可以分成以下几种情况:

（1）当地基土壤层承载力较弱，而建筑物对下部结构的承载能力要求比较高时，我们可以将桩基础的端尖嵌入到较深的坚实土层中，以保证持力层的承载能力；

（2）当地基土壤层承载力满足要求，但是建筑物受到沉降因素制约的情况下也可以使用桩基础进行施工；

（3）当天然地基沉降现象非常严重，难以处理或者处理代价过大时，可以选择使用桩基础；

（4）当天然地基土层比较松软，施工条件比较恶劣时，通过钻孔灌注桩进行处理承载力问题是一个有效途径。

1.2 独立基础

在基础的设计中，独立基础一般都设置在框架柱下，分为刚性基础和柔性基础。当基础工程中的桩基础间距相对较大时，我们会采用独立基础进行施工。而在实际施工过程中我们也会根据实际施工环境进行配置拉梁，用以提升整个建筑物的整体性和稳定性，从而达到增强啊基础的刚度、强度和抗震等性能[1]。

1.3 条形基础

当基地的抗形变能力较弱，地基承载力无法达到设计要求时，我们通常会选择刚性基础进行施工。但是在建筑物上部结构荷载作用较大的情况下，选择刚性基础容易因为基础的断面较大而不利于建筑结构的稳定性。如果采用浅基础形式，则基础可能会裸露在地面，如果采用深基础的形式，又会导致土方量的增加和总造价的增加。而且即使采用的刚性基础，也容易因为基础承受上部荷载过大，而导致基础底部出现贯穿裂缝和沉降量变大等问题。对于这些问题我们就可以采用钢筋混凝土条形基础进行配置，不仅可以在横向或者纵向承受较大的剪切力和抵抗较大的弯矩，同时也更符合规范中要求的断面尺寸和配筋率的参数。在实际工程中还可以增加肋梁，用以提高条形基础的抗形变能力，防止地基基础发生不均匀沉降[2]。

2.建筑物桩基础设计的主要工作内容

当地质环境相对较为恶劣的时候，我们通常都会选择桩基础。桩基础进行设计的时候，有两个设计要点，就是桩基础的种类和桩基础桩的长度，与此同时还要对单桩竖向的承载力进行单独验算，用以保证桩基础能够支撑上部结构，以及有足够的承载力以抵抗建筑物的倾覆。

2.1 桩基础的核心参数

科学合理地进行桩基础设计是整个建筑物全寿命周期工作顺利开展的基础工作内容。首先，应当由负责设计的工作人员对施工环境以及现场情况进行踏勘，查阅地质水文资料以及对周边各种建筑物进行综合分析，从而选择合理的桩基础设计方案。其次，在设计层面要考虑上部结构作用于基础的荷载，通过验算得出桩长，并在设计的过程中尽量使桩尖嵌入土壤的持力层，以达到保证桩基础承载能力和稳定性能。

2.2 通过地基结构等级核算单桩的竖向承载能力

我国建筑地基结构根据现场实际工程情况分为甲乙丙三级。等级为甲级的结构一般是指三十层以上的高层超高层建筑，或者地下施工环境复杂，施工条件恶劣的建筑物；而等级为乙级的结构则适用于普通民用工程，同样地，丙级结构主要是指使用与地质条件简单，基坑深度不高的建筑工程。

当等级为甲级时，桩基的设计应考虑单桩静载力测试的结果，掌握测试中单桩极限的承载力数据；当等级为乙级时，且现场施工环境较为适宜时，可参照类似规模的其他建筑工程案例，同时做好相应的复原试验；当等级为丙级时，由于丙级的建筑相对常见且比较简单，我们可以通过乙级的复原测试得出所需的相关数据。

某些工程中桩基础的桩径较大时，我们可以选择深层平板承载负荷试验来确定单桩的竖向承载力的数值，在工程设计中设置嵌岩桩时，则可以选择专门的岩基平板承载负荷试验来确定单桩的竖向承载力[3]。

3.实际工程中的地基基础选择和设计

在实际工程的设计中，尤其是地基基础设计，需要通盘考虑各种因素和施工环境，以国标规范为准绳进行设计，综合考虑新建项目地区的实际施工环境和地质条件，对地基基础的间距或者施工标准还有建筑后期的维护和使用进行全面的了解后再进行设计。无论本项目是工业项目还是民用项目，或者是高层超高层建筑等，都需要进行详细全面的现场踏勘和调研，才能确定具体适合实际项目的基础设计方案，从而指导后续的材料采购和施工组织设计等工作。如果在进行设计之前没有对施工现场进行实地考察和调研，做出来的设计很有可能就会脱离实际，忽略很多没有考虑到的问题，从而造成资源的浪费。所以我们在做设计时一定要将工作的前瞻性和全面性相结合，统筹兼顾各项条件，方能将设计方案做到最优。在针对砌体结构进行设计优化时，可以通过采用刚性条形结构，例如采用毛石条形结构或者混凝土条形结构进行设计优化。如果基础工程中基础的宽度大于2m 的情况下，我们就需要引入柔性基础用以增加稳定性，例如引入钢筋混凝土扩展基础。而针对不同的地质条件，不同的施工环境，所采用的基础设计方案也是不同的，应该因地制宜进行设计方案的优化[4]。下面分情况进行讨论。

情况一：某工程为多层框架结构，无地下室结构，上部荷载较大，对基础工程需要的承载能力要求较强。如果从增强整体性的目的出发，则在设计时就需要降低地基不均匀性带来的影响，这样既可以降低沉降发生的概率，也可以控制地基的沉降量。所以，我们通常会选择配置了十字交叉梁的条形基础梁来提高地基承载能力和控制形变量。但是布置十字交叉梁条形基础也会有一定的缺陷，就是不能完全满足地基的形变量和强度要求，这时候我们一般采用人工制造地基进行解决。这就印证了上文所说到的筏板基础。筏板基础主要分为有梁筏板和无梁筏板两种形式。对于普通框架混凝土结构，在具备地下室的情况下，工程实际对地基的均匀性和防水性要求较高时，我们就会采用箱型基础。采用箱型基础可以非常有效地增加地基基础结构的防水性能和提高牢固性。

情况二：对于有一定防水要求的结构，我们则需要选择钢筋混凝土筏板基础或者箱型基础。选择钢筋混凝土筏板基础一般是有地下室结构的建筑，而选择钢筋混凝土箱型基础则是针对地下室结构中含有钢筋混凝土隔墙的情况。在其他地基基础条件不是很好的情形下，为了提升地基基础的稳定性能，则会选择人工打地基或者配置桩基础，以确保地基结构的稳定性和安全性，从而达到让建筑物牢固的目的。

桩基础的设计在现代建筑中应用非常普遍，是建筑工程中的主要施工环境，因此桩基础的设计就显得尤为重要。桩基础按其结构的形式可以分为高承台和低承台两种。所谓的高承台指的就是桩身上部分和在地面上的承台底部。高承台的主要分为预制桩和钻孔灌注桩，在施工过程中应当根据设计图纸和施工规范进行施工作业，合理地选择作业机械和配置相对应的施工班组。特别是钻孔灌注桩，要注意钢筋笼在下孔之前是否变形，如果变形则要先暂停混凝土的灌注作业，先将钢筋笼复原后再进行后续的灌注作业。低承台则主要指的是地表以下打入天然土层的桩体，它的工作方式主要有静压施工，敲打施工和振动施工。施工的工艺方式主要是对桩体进行物理打击，使其进入土层。桩基础在桥梁工程中应用十分广泛，主要作用是使建筑物与地面紧密连接，在提高建筑物的抗倾覆能力和稳定性能的同时，也可以将上部荷载进行传导，提升对外部荷载的承载能力。在抗震地区还可以起到加强抗震能力的作用，最大限度地降低建筑物的施工风险，例如倾斜和坍塌。