建筑结构设计中的桩基设计要点研究

汤明光

（中土集团福州勘察设计研究院，福州 350013）

1 建筑桩基础结构的分类

1）根据承台的高度，建筑桩基础包括高承台桩基础、低承台桩基础等。在房屋建筑结构中，低承台桩基础较为常见。

2）按照承载力的产生原理，桩基础可分为摩擦桩、端承桩两种。对于存在不良地质的建筑项目，可采用端承桩，使其穿过软弱地层，落在坚硬土层内，承托建筑结构产生的荷载。这类桩基础结构中，桩身和土层的摩擦力较小。若基础桩在软弱土层中的深度较大，桩侧土和桩身相互摩擦后，将建筑荷载分散到土体内时，桩身、土层会存在相对位移，桩端土具有基础的承载作用，这类桩基础可称之为摩擦桩[1]。

3）按照桩身材料，建筑桩基础包括木桩、钢桩、混凝土桩、现浇钢筋混凝土桩等。随着建筑质量要求的提升，钢筋混凝土桩在建筑桩基础结构中较为常见。设计人员可结合建筑结构设计需求，通过预制、现浇的方式布设钢筋混凝土桩。

2 建筑结构中桩基础的设计要求

1）为确保建筑结构设计的可靠性，桩基础、地基土层的作用力应相对稳定，确保桩基在承受建筑物荷载时，桩基础的承载能力符合建筑荷载要求，不会出现不均匀沉降、沉降量过大等问题。因此，设计人员应重视桩基础的荷载计算，控制好桩基础的挠曲变形、弯矩等设计参数，加强桩基础强度设计，使桩基础结构内力处于建筑基础结构材料强度的容许范围内，保障建筑桩基础的稳定性[2]。

2）桩身规格设计、基础桩布置、持力层选择会直接影响建筑桩基结构设计的合理性。设计人员应通过以上参数的控制，增强桩基结构的承载能力。同时根据建筑结构的设计要求，计算桩基内力、确定桩身配筋率、局部材料强度等数据。

3）桩基设计时，还应考虑建筑项目的建设成本。设计人员可基于合理的设计方案，在把握桩基整体性能的基础上，对比分析设计方案，选择造价较低的方案，确保建筑桩基结构设计的经济性。

3 建筑结构设计中桩基设计要点

3.1 桩型选择

建筑桩基结构设计时，设计人员应结合建筑结构、建筑荷载、桩基础区域土层类别、施工环境、地下水分布情况选择桩型。通常情况下，对于设计为排架结构、框架结构，且建筑地基为坚硬土层、桩基埋深不大的建筑，可设计为灌注桩，以预防建筑沉降，提升建筑桩基础的承载力，桩基结构可设置为单桩单柱。

民用建筑、工业建筑的桩型选择相对复杂，建筑楼层设计高度、场地条件、建筑荷载性质都会影响桩基选型。比如，设计人员可根据楼层高度选择桩基结构，楼层数小于10层的建筑，桩基可设计为桩径为500 mm的灌注桩或300 mm的混凝土预制桩。楼层数为10~20层的建筑物，灌注桩直径应在600~1 000 mm，预制桩直径应控制在400~500 mm。

按照现场地质条件选择桩型时，硬土层、岩层工况下，桩基埋深浅时，一般采用灌注桩。存在淤泥、淤泥土等软土地基的建筑物，为避免桩基础出现缩颈问题，通常可设计为预制桩。黏土、砂土、粉土等地质中，冲孔灌注桩较为多见。

3.2 桩身规格设计

1）桩长计算。计算桩长时，设计人员应根据桩端持力层确定持力层进入土层的深度。桩端持力层是影响建筑地基承载力的重要因素，应选择承载力高且硬度较大的土层作为持力层，并控制好桩基嵌入持力层的深度。使其进入持力层后，阻力大小符合桩基设计规定，并且桩长符合持力层临界深度。桩端进入持力层深度较小时，桩端阻力会变小，容易导致桩端剪切破坏。具体的临界深度可根据建筑地基范围内的土层性质决定。地基土质为碎石、砂土时，临界深度一般为3~10d（d为桩径）。黏性土与粉土层中，临界深度一般为2~6d。

2）桩径选择。桩径取决于建筑桩基承载力、地质条件、桩基选型。桩基设计为端承桩时，建筑基础层土质、工艺水平都会导致桩径存在差异。

3.3 承载力设计

3.3.1 水平承载力

验算桩基水平承载力可以确保建筑桩基的抗震性能，根据行业的相关规定，对于水平荷载力较小的高大建筑与一般建筑，单桩基础、群桩中的桩基应满足：Hi≤Rh（其中Hi是在荷载效应标准组合下，作用于建筑集装桩顶的水平力；Rh为单桩基础、群桩中基桩水平承载力的特征值）；桩身截面尺寸、桩身材料强度、建筑基础结构设计都会影响桩基水平承载力，建筑基础层体质为软土地质时，需要对地基进行换填处理后，根据其承载力设计桩基水平承载力。

3.3.2 竖向承载力

建筑桩基结构设计初期，为避免单桩竖向承载力设计值和建筑承载力实际值存在差异，需要进行竖向承载力验算，验算内容包括桩基所承受的轴心荷载、偏心荷载，以及轴心竖向作用力下，桩基顶的竖向压力。验算桩基所承受的轴心荷载时，竖向承载力设计值应满足公式Nk≤Ra（Nk为轴心竖向作用力下，桩基础的平均竖向力；Ra为基桩、复合基桩竖向承载力特征值）。

除此之外，设计人员可通过静荷载试验确定建筑桩基结构中单桩、复合桩基础的承载力。静荷载试验是在初步确定桩身规格后，在桩顶分别施加轴向压力、轴向上拔力、水平力，观测桩基区域的沉降、上拔或水平位移，然后依据桩身荷载与位移的基本关系，判定单桩竖向抗压承载力与水平承载力。

3.4 桩数及平面设计

1）设计人员可根据建筑上部结构荷载确定桩基的单桩、复合桩数量，以及桩基础的平面布置情况。桩基数量n计算公式为：

式中，Fk、Gk分别为作用于承台顶面的竖向力、承台自重标准值，kN；R为建筑承载力设计值，kPa。桩基平面设计需要考虑桩基的布置形式与桩距，桩距设计应考虑成桩工艺、土层性质。桩排数大于3排，根数大于9根时的桩距见表1。

表1 建筑桩基结构中桩距设计

2）桩基平面设计时，应在发挥桩身作用的同时，尽量紧凑布桩，以控制承台面积。为保证桩基结构中各桩受力均匀，还应将桩基长期荷载作用点、群桩横截面的形心重合。柱下桩一般可设计为矩形、梅花形、三角形；墙下桩基可设计为双排桩、单排桩。确定桩位时，还应重视桩位竖向偏差、水平偏差的控制。

3.5 承台设计

桩基承台设计时，需要按照承台选型设计承台。柱下梁板式承台，梁板结构的高跨比、平板结构的厚跨比一般为1∶8。设计梁板筏式承台时，板厚、双向板短边净跨比应控制在1/16以内，板厚应大于400 mm。桩基承台设计为墙下平板式承台时，承台厚跨比应大于1/20，承台厚度同样大于400 mm。建筑桩基础为框筒结构时，可采用筏式承台。建筑结构设计为剪力墙结构时，承台一般为平板式承台，承台配筋率取决于桩基础结构的局部弯矩。

此外，独立柱下桩基承台最小宽度应大于50 cm，承台边桩中心点及其边缘的间距应大于单桩直径。桩外边缘、承台边缘的间距应大于150 mm。设计墙下条形承台梁时，桩边、承台边的间距应大于75 mm。墙下布桩时，对于建筑结构为剪力墙的建筑体，若承台设计为筏形承台，其最小厚度应大于200 mm。

4 优化建筑桩基结构设计的基本思路

4.1 基于现场实况，校正桩基承载力

初步完成建筑桩基设计后，设计人员应对建筑施工场地进行全面勘察，并结合具体的水文信息、地质信息、现场环境调整桩基设计参数校正桩基承载力。勘察时需要做好记录，评估周围环境对桩基施工的影响，排除其他干扰。测量最佳放线距离和位置，精确计算单桩承载力的特征值。综合评估影响桩基设计与施工的因素，有利于提高桩基设计施工质量。

确定桩基分布方案后，还应考虑建筑结构设计、布桩方案，再次验算桩基承载力，记录分析布桩时的桩基结构设计参数，包括桩身垂直度、桩基钻孔深度等。另外，建筑地基基础设计等级为甲级的桩基，以及体形复杂、荷载不均匀、桩端下存在软弱土层且设计等级为乙级的桩基，还应提前进行沉降验算，桩基沉降值不得超过该类建筑物的沉降允许值，同时符合GB 50007—2017《建筑地基基础设计规范》。

4.2 结合项目需求，优化桩基结构

城市化发展中，城市范围内的人口数量增加，新时期建筑高度整体呈上升趋势。因此，进行建筑桩基设计时，设计人员还应基于建筑项目的实际需求优化桩基结构。

对于高层建筑，为确保建筑物的承载力，设计人员可将桩基结构设计为桩筏基础结构，该结构的应用能够有效提高建筑物稳定性，桩基长度设计应考虑持力层的分布情况。为提升建筑的承压能力，应重点设计桩基中的单桩间距和桩体布局。此外，还应考虑建筑水平承载力、竖向承载力等，精确计算桩基础的承压力，合理选择桩身材料。

4.3 加强设计参数验算，确保承载力计算准确性

桩基设计期间，设计人员不仅需要计算单个桩的桩身承载力，还应根据桩基布置方案，以及群桩和承台、建筑结构之间的作用力，采用有限元计算模式验算桩基设计参数，分析单根桩基、群桩的承载力。为保证群桩承载力计算的准确性，设计人员在单独运算单桩承载的前提下，可通过复核计算的方式对桩基结构的整体设计参数进行强度计算。然后在原有基础上计算离散单元跨度，减少模拟计算量，提升计算效率。根据以往的经验可知，部分桩基会出现预期沉降量与实际值不符的情况，为避免该问题，需要设计人员利用地基结构的土体弹性模量、泊松比，准确计算桩基结构建设材料的承载力。完成基础设计后，需要进行成果核算，用可视化先进技术建立3D模型，输入设计参数后模拟运行，保证承载力计算准确。

5 结语

综上所述，为设计可靠的建筑桩基础结构，设计人员应结合建筑项目的实际需求、现场地质条件，对桩基础进行合理选型。然后，依据建筑结构相关设计规范，确定桩基础结构中桩身、桩径的设计规格，总结完善桩基设计方案的方法，以此保障建筑桩基础结构设计的合理性，为建筑结构设计水平的提升创造有利条件。