结构设计中的桩基设计研究

杨 东 神华工程技术有限公司安徽分公司工程师

建筑行业发展速度越来越快，人们越发重视建筑工程的安全性。目前，高层建筑基础常常采用桩基础形式，其工期可控，施工技术也相对成熟。在设计过程中，桩基础的合理选择对整个工程的造价和工期都有极大影响，因此房地产开发公司和设计院等都非常重视桩基设计的合理性。在建筑结构设计中选择适合的桩基础类型，对整个项目的建设起到至关重要的作用。因此，加强桩基设计研究具有重要的意义，需给予更多关注[1]。

1 建筑桩基础种类

在当前的建设项目中，桩基工作是工程作业的基础和前提，也是综合化施工环节的重点[2]。如果建筑物的基础稳固性较差，在外力的影响下会进一步威胁人身安全，甚至造成经济损失。建设基础包括桩身和承台两个层次，当前我国最核心的桩基主要有两种，分别是预制桩和灌注桩[3]。灌注桩施工过程中，大多运用钻孔压浆的方式以使泥浆灌注的状况与需求相适应[4]。

1.1 钻孔灌注桩

钻孔灌注桩是常见的施工技术，主要利用钻孔装置，在孔洞中放置钢筋，并进行混凝土浇灌。钻孔灌注桩必须先钻孔再成柱，与现实状况相结合确立成桩的方式，但是这类方式并不能确保成孔的垂直程度。因此要保证使用的钻机可靠、安全，使作业位置更加牢固，防止钻孔出现偏移。此外，还可扩大桩机支撑面积，从而使成孔更加准确[5]。

1.2 静力压桩

静力压桩基于自身重量以及桩架的作用对桩出现反作用，使桩基进一步优化运作，需合理把控偏移状况。静力压桩施工技术相对简易，实施较为便捷，同时成本较低，因此在建设结构桩基础设计施工中有着较为广泛的运用。

1.3 人工挖孔桩

人工挖孔桩是运用人工的方法进行施工作业，施工成效较为显著。运用人工挖孔桩基结构时，使用的人力资源价格昂贵，具备优质、稳固等特性，在项目施工阶段的运用范围较广[6]。运用人工挖孔桩增宽桩基，可以进一步融合水流量的精确需求，优化改良施工方案，从而确定挖掘范围，从本质上确保桩基结构的施工品质。

2 桩基结构设计的常见问题分析

2.1 桩基难以到达设计位置

桩基的设计需要结合多方面的要素，依照周边状况的变化，及时对桩基结构设计方案进行调整（如图1 所示）。相关调查研究显示，在实际建设过程中，桩基一般都较难精准地达到设计目标，这种状况一般发生在预制管桩中，原因一般有两种。一是在设计过程中，设计人员没有对周边状况做相应调研，没有结合地质状况在项目施工前完成实验，导致桩基的各类指标无法适应周边环境[7]。二是土质结构与桩基不适应，这类状况发生的主要原因是土壤内部的岩土阻碍桩基，致使桩基位置出现偏差。

图1 桩基设计

2.2 桩体的长度、比例选择

项目建设过程中，施工单位需要依据环境状况对施工计划进行及时调整，保证项目能够稳步开展。环境变化可能导致桩基相关施工变更，此时应及时优化方案，减少原料浪费[8]。此外，需关注桩基的长度、比例等各项数据，比如桩体的长度合理会扩大桩基的载荷，对于延长建筑物寿命有着明显的效果。相反，桩基比例失调会进一步提高建筑物的载荷压力，对于建筑物较为不利。

2.3 单根桩体极限纵向承载力的计算

在进行桩基策划前，要考虑单根桩体所能承载的压力。《建筑地基基础设计规范》有明确规定，前两级的建筑桩基必须以通过静载实验所测得的一根桩体所能承载的压力参数为标准，而丙级就稍微简单点，但也不能低于类似的工程。要在现有的地质基础上按照以往的实验方法进行测试，也可以根据原位实验获得单根桩体的承载压力[9]。

2.4 桩体偏差的设计与控制

在结合单根桩体基础载荷能力的基础上，打压过程中保持桩体作用维持在相应位置极其重要。设计环节要考虑由于偏差引起的对于桩体的不良作用，并把控条形桩基以及标高等相关数据和需求。

2.5 桩基钢筋设计

按照现行的《混凝土结构设计规范》（GB 50010—2010），钢筋受力时应根据相应的规定布置箍筋。桩身箍筋应采用螺旋方式，钢筋的直径不小于6 mm，间距控制在200～300 mm。在某些地形影响下，桩基可能承受较大的水平载荷，而在某些地震带还要同时承受地震作用。在这些情况下，桩基计算桩身承受压力时应在桩顶以下全面加高加密，同时箍筋的间距不超过100 mm。桩身的混凝土保护层应按照以下的要点进行厚度设计：一是预制桩的桩尖混凝土强度应大于C30，而桩身混凝土的强度只需大于C25；二是灌注桩的混凝土保护层在主筋中的厚度不应小于35 mm，当灌注桩位于地下水中时，混凝土保护层不应小于50 mm；三是在四、五类环境中的混凝土保护层应符合相关规定[10]。

2.6 桩与承台连接构造

对于中等直径桩，桩顶伸入承台的长度不宜小于50 mm，对于大直径桩，不宜小于100 mm。若桩伸入承台的长度较大，则会减小承台有效高度h0，对桩受力不利。混凝土桩顶主筋伸入承台内并满足锚固长度，锚固长度不得小于主筋直径（35 mm）。抗拔桩桩顶纵向钢筋主筋的锚固长度应符合《混凝土结构设计规范》。大直径灌注桩采用一柱连接一桩情况下有两种连接方式，一种是设置承台，将桩基础与柱子通过承台进行连接，另一种是桩与柱子直接连接。

3 建筑工程桩基结构设计要点分析

3.1 全面分析施工现场实际情况

在具体施工过程中，因受地理因素的影响，原有的桩基结构仍需进行再处理，以便在具体操作中能正常实施。因此，要求设计人员根据相关的施工标准，在对当地建筑环境和水文条件详细了解的前提下，科学改进建筑桩基，使其设计与具体的施工能够相吻合。此外，要实地勘察施工区域，更精确地掌握该地区的土质成分、地形状况以及周边的各种设施，进一步改进桩基结构的相关设计，从而促进施工的有效进行。

3.2 确定桩基础规格

在确立桩基状况时，必须掌握桩基在现实项目中的运用状况，并开展严格的数据核查。除此之外，还需要调研建设项目在施工场地的实际状况，结合桩基础结构的强度以及载荷能力等，确保桩基础的设计效果。而保证桩基础的设计效果，合理确定桩基础的规格非常关键，如桩基础结构横截面积和长度等。进行桩基设计前，根据了解的项目实际情况，结合建筑行业标准设计桩基。初步确定桩型后，全面计算桩基承载力、桩基截面以及长度。技术人员在设计过程中需要全面了解情况，并深入分析现场情况，了解建筑结构的荷载、承载力需求，从而确保桩基础的设计效果。

3.3 明确建筑物桩基的作用特征

在建筑结构设计中，桩基础设计可以结合载荷建筑物的压力状况，实现良好的承载效果，进一步降低建筑物发生沉降的概率。设计人员必须掌握建筑物桩基的搭建方法，确定桩基结构设计的有效方式，使建筑桩基基本结构设计及施工更加有效。此外，还要计算建设项目的高度与承载力，并了解相应特征。

3.4 校正桩基承载力

桩基的载荷能力直接反映建筑物的载荷成效，因此必须计算建筑物桩基的载荷能力，以获得准确的载荷数据（如图2 所示）。同时结合有关数据及时校正桩基载荷状况，确保桩基结构稳固。

图2 地基应力

3.5 控制偏差

桩基施工时需要控制偏差，特别是条状承台桩。偏差会导致附加内力出现，致使桩基稳固性变差。如果施工有偏差，则需要运用补桩等手段，造成施工任务量增加，进一步引起经济损失。对于较为明显的问题，可以采用多种手段，比如桩顶标高设计过高，可以采用截桩手段，截断超出的部分。而桩顶标高比设计标高低时，要开展补桩工作，会进一步影响施工进度。因此，施工部门必须严格把控标高，确保和设计相符。

3.6 积极使用数学函数有限元法

在建设结构的桩基设计中运用有限元法进行模拟实验。在桩基设计中，运用有限元法结合各类要素进行离散分割以及函数运算，有利于设计人员更加便捷地获取桩基数据和桩基综合承载数学数据，为之后的桩基设计提供主要信息。相关人员可以利用有限元软件开展桩基以及土层结构的三维信息解析，模拟桩基结构受到承载后出现的沉降状况以及载荷施加在桩基结构后的传递状况。经过有限元模拟，保证桩基结构策划的科学性和有效性，防止发生不良风险。

3.7 提高桩基土复合计算的准确性

为了确保桩基设计的合理性，不仅需要计算单根桩体所能承受的压力，还要根据桩基的相关标准全面分析整个桩基。先利用有限元对一个桩体进行测定，然后进行连续计算，这样在进行桩土复合测定时效果更好。另外，在使用有限元法时，如果改变其跨度，则不必进行较多的模拟计算，从而加快计算速度。

3.8 优化布置桩平面

在前期的设计过程中，对于桩基础的设计，首先要对结构平面尤其是对重心和间距进行科学布置，保证基础结构稳定性的同时，桩基也拥有良好的承载力。建筑行业发展至今，桩基的平面布置有许多方式，如梅花形网格状、矩形网格状以及不等距排列方式等，这些布置方法都具有良好的效果，可以根据不同施工的特点进行选择和优化调整。

3.9 确定基础埋置深度

《建筑地基基础设计规范》中明确，天然及复合地基基础埋置深度“可取”建筑物高度的1/15，桩基“可取”建筑物高度的1/18，但并不是限值。而很多设计人员由于惯性思维当成了“不应”。在《全国民用建筑工程设计技术措施》（地基与基础）第5.1.4 中有详细描述，还可以取1/18 或1/20。注意，也是“可取”，没有必要硬性规定埋置深度与高度挂钩。

3.10 桩基选型、布置应合理化

砂层优选空心方桩，层数高的选用钻孔桩，桩的直径应和房屋层数、重量相匹配。为减小底板抗浮配筋，可将承台下桩距适当放大或将柱帽（承台）增大。预应力管桩及空心方桩的接头不宜超过3 个，不应超过4 个，注意相邻桩的高差按1/10 桩长取。钻孔桩配筋率宜按最小配筋率设置，承台条形桩外边缘至承台边不小于75 mm，板式承台桩边缘至承台边一般为0.5 倍桩径。

3.11 桩长、桩型的设计

桩基设计中桩型和桩长的选择对于桩基设计十分重要，科学合理地选择能够产生巨大的经济效益。例如一次住宅设计中，由于时间紧迫，甲方要求采用D400 的预应力管桩，地质报告资料显示，将桩长定为16 m，单桩承载力极限标准值为800 kN，预算基础部分造价约为150 元/m2，根据经验，预算偏高。了解当地设计经验后，最终决定设计桩长不变，将桩型改为300 mm×300 mm的预制钢筋混凝土小方桩，单桩承载力极限标准值为650 kN，而当地预制小方桩的施工价位价钱比较低，整个基础造价降低很多且符合本项工程的要求。综合这个例子，可见合理选择桩型对工程的造价影响很大。因此，设计桩基时要准备多种桩型和桩长的桩以供选择，选择既能满足工程要求又具有很好经济效益的方案。

3.12 选择持力层

有些项目属于高层塔楼，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、裙房柱以及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。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。

3.13 筏形基础设计

利用PKPM-JCCAD 和有限元分析软件得出在桩筏中的整体受力。通过多种内力组合，针对不同筏板的厚度，按照底板配筋量和基础变形展开具体分析，优化计算得出筒体筏板厚3.4 m，在框架柱的地方，选择处筏板的厚度为2.6 m。基础混凝土的强度指数是C35，按照当前的计算，在筏形基础上产生了显著的差异沉降。但是因为厚筏存在的压力，在沉降倾斜值的计算上，需要选择二跨以上的沉降差，在主裙房间中，最大差异沉降倾斜值需要在0.002 以下。

4 桩基结构设计的应用

4.1 承台的设计

承台设计需要结合上部建筑结构和布桩要求等进行分析。对应桩基下部需要选择独立型承台，墙下结构以条形、井格形式的承台为主，避免沉降不均引起的负面效应。为了降低不均匀沉降作用，需要将承台及时进行合理连接，保证下部条形承台的密合效果，一般是沿一个方向进行连接，有时可采取双向井格形式的连接。上部载荷作用过强状况下，需要采取整片式设计结构，提高构造的合理性。

4.2 桩基设计中静载荷的试验

在桩基设计中，静载荷试验占有重要地位。在如今桩基设计过程中，容易受到时间的限制，要根据地质报告的参数确定单桩承载能力设计值，然后再根据这个设计值进行桩基设计施工，等到施工结束后挑选桩进行静载荷试验。如果试验结果符合要求，那么就可以完成任务，如果结果不满足估计值，就会产生极大的不便。因为施工已经完成，进行修正和补桩比较困难，同时地质报告对施工也会产生数值的出入，从而造成影响。这里主要有两个问题，一是根据地质报告提供的桩周摩擦力标准值及桩端土承载力标准值，经规范计算得出的场区单桩承载力标准值是一个经验数值，不宜直接采用。通过对各类桩基础检测，发现大多数桩的实际承载力相对于计算值普遍偏高，有些甚至差距很大。因此，如果根据试验要求，按照试桩的实际承载力相比估计的承载力来设计桩基将会产生更大的经济效益。二是当场地不均匀或地质报告数值有偏差的情况下，不进行试桩而直接按地质报告进行工程桩施工，将给施工带来巨大的困难且造成不必要的浪费。

如果在设计中采用静力压桩，那么实际施工中每根桩都要压到要求的深度，因此就要提高桩身的强度。为了满足这一点，每根桩都采用劈桩，在时间和资金上造成了严重浪费。因此，桩基设计过程中，静载荷试验是十分重要的步骤。因为静载荷试验工作质量直接影响到桩基形式、桩规格以及桩入土深度的确定，同时也对施工难易有密切影响，所以通过科学试验取得准确数据，能使设计方案更加合理、可行、经济，远远超过缩短工期所获得的效益。

5 工程案例分析

案例项目位于安徽南部，是一个由许多单体建设构成的建筑物，建设面积超过5×104m2。其中塔楼运用钢筋混土框架—核心筒结构，裙房以及地下室采用框架结构。按照项目基本状况，设计人员认为综合化建设项目裙房以及地下室结构载荷差异较大，为了确保建设项目的安全，把控沉降成为综合项目的核心。因此，桩基设计成为综合项目的核心工作。项目实施前，勘测施工现场地下140 m左右的位置，发现了许多第四系冲湖积相沉积物，包括粉土和黏性土等，虽然土层整体稳定性良好，但是施工难度较大。在与审图部门、勘探部门沟通后，新的抗压计算准则从基本的水位下调整。建筑物需要根据刚度调平原则，桩基刚度结合摩擦性桩基作用，并结合承台的使用效果，最后确立竖向载荷压力的特性数据。与此同时，为了能够把项目造价控制在科学范围内，改良桩基结构承载压力，结合不同面层载荷的作用进行评估。由于这种建筑物的裙房大多采用大跨结构，因此会承载较大压力。在这种状况下，结合0.7 m 桩、0.8 m 桩的经济效益分析，当桩的直径达到0.7 m 时，数量超过7 根就可以选用0.8 m 长桩代替，进一步缩减工程用价，更好地满足刚度调节设计的需求。此外，桩身设计依照土体的抗拔力调整结果，运用桩三段式配筋结构，有助于降低桩身的配筋总量，从而达到降低造价的目的。

6 结语

桩基设计对工程建筑有很大的影响作用，只有依据相关的设计标准，并综合考虑施工过程中各方面的影响因素，才可以设计出符合实际需求且科学有效的桩基。因此，专业工作人员要对施工区域开展精准勘测，详细了解当地的地形和水质状况等，并在此基础上改进桩基设计，确保桩基设计能够跟现场施工一致，从而促进建筑结构设计质量的有效提升。