房屋建筑结构设计中基础选型研究

2023-11-19刘华昌

建材与装饰 2023年34期

刘华昌

（广州市花都建筑设计院有限公司，广东广州 510800）

0 引言

房屋建筑的重力作用最终会通过基础传导至地基处，稳定合理的地基是保证房屋建筑安全的基本需求。对于房屋建筑的上部结构而言，基础属于隐蔽工程，而且占建筑整体造价的15%以上。从该角度分析，房屋建筑基础是工程设计中的重要组成部分。相关人员在房屋建筑结构设计中应当从承载性、经济性等方面进行综合考量，在满足相关规范要求的基础上尽可能降低工程造价。为提高房屋结构设计中基础选型的合理性，明确基础类型是十分必要的工作，下文便对房屋建筑结构设计中具有一定代表性的基础类型进行简要说明。

1 房屋建筑结构设计中基础类型

从开挖深度的角度分析，房屋建筑基础可分为浅基础与深基础。

1.1 浅基础

浅基础指的是埋深在5m 以内或埋深小于宽度的基础，此设计仅需要进行排水、挖槽等难度较低的施工便可进行基础的建造。此种类型的基础种类较多，本文便挑选出具有一定代表性的基础形式进行简要说明。

（1）条形基础。条形基础指的是沿着房屋建筑墙的走向进行扩展的基础，此技术能够直接将墙体的重力荷载分散并传导至地基。从材料的角度分析，可将此种基础类型分为刚性条形基础以及钢筋混凝土条形地基，其整体施工难度较低、经济性较强。

（2）独立基础。独立基础通常用于房屋建筑工程中的柱下，将柱自身的重力荷载与上部荷载传导至地基中。从断面形式角度进行分析，可将独立基础分为锥形、杯形以及踏步形。此种基础类型多采用钢筋混凝土形式，传力路径较为明确，设计难度较小，经济性较高。

（3）交叉基础。当现场实际情况无法采用条形基础与独立基础时通常会将交叉基础作为备选方案。交叉基础的交叉形式为十字交叉，空间刚度较大，但由于其具有一定施工难度，而且经济性较差，在实际工程中并不常见。

（4）筏板基础。当地基承载力无法达到标准，而且现场土质不均匀以及上部荷载较大时便需要采用筏板基础。此种基础类型也可在地下室底板结构中应用，其整体施工难度较低，具有一定经济性，因此，其在实际建筑工程中的应用较为频繁。筏板基础的具体结构如图1 所示。

图1 筏板基础结构

（5）箱型基础。箱型基础是将混凝土作为底板、顶板，并与若干纵横墙共同构成的中空箱体结构。此种基础类型是利用底板、顶板以及纵横墙共同作用承受上部的重力荷载。此种结构类型的空间刚度较大，通常适用于高层建筑或软土地基中。当箱型基础中空部分空间较大时可将其作为地下室使用。

1.2 深基础

深基础指的是埋深较大以及将下部坚实土层或者岩石层作为持力层的基础类型，及作用是将上部荷载较为集中的传导至地基深处，深基础与浅地基有所区别的是将所承受的荷载进行集中传导[1]。其中具有一定代表性的便是桩基础、地下连续墙，具体分析如下。

1.2.1 桩基础

在桩基础形式中较为常用的是灌注桩以及预应力混凝土管桩。

（1）灌注桩。灌注桩是通过机械钻孔、钢管挤土或人力挖掘等手段在地基土中形成桩孔，并在其内放置钢筋笼、灌注混凝土而做成的桩。从成孔方法的角度可分为钻孔灌注桩、沉管灌注桩、人工挖孔灌注桩、爆扩灌注桩。钻孔灌注桩指的是通过机械设备进行钻孔，人工挖孔则是通过人力挖掘手段成孔，沉管灌注桩指的是利用和桩的设计尺寸相适应的钢管（即套管），在端部套上桩尖后沉入土中后振动、锤击进行成孔。爆扩灌注桩指的是用爆破方法将孔底端部扩大，再就地浇灌混凝土，此方法所形成的灌注桩长度较短。

（2）预应力混凝土管桩。预应力混凝土管桩可分为先张法预应力管桩与后张法预应力管桩，可利用先张法和后张法制作混凝土预制构件。先张法预应力管桩指的是按照设计要求将钢筋张拉到控制应力，使用锚具固定后再进行混凝土浇筑，当混凝土达到75%强度后放松钢筋，形成管桩后放入桩位。后张法预应力管桩指的是先进行混凝土浇筑，当强度达到75%后再进行预应力张拉，形成管桩预制构件。预应力管桩的单桩承载力较高，所以适用范围较广，可运用在工业、民用等建筑中。

1.2.2 地下连续墙

地下连续墙施工工艺如下。采用挖槽机械沿着周边轴线，在护壁的保护下开挖一条狭长的深槽，进行清理后放置钢筋笼，再使用导管法进行灌注形成单元槽段，并逐段进行灌注，直到在地下形成连续钢筋混凝土墙壁，可将此种结构作为房屋建筑防渗、承重、挡土的结构。此种基础类型施工难度较小，但工程量较大，而且经济性较差，所以无法应用在对工程造价有较高要求的房屋建筑工程中[2]。

2 房屋建筑结构设计中进行基础选型的具体方法

基础选型是房屋建筑结构设计中的重要工作，基础选型是否合理将会直接影响到房屋建筑的安全性与稳定性。本文以广东省某高层建筑工程为例探讨基础选型的具体方法。

2.1 工程地质概况

本文所选案例工程为广东省某高层建筑的结构设计部分。该高层建筑工程可分为办公楼与住宅楼两个部分。办公楼部分地下1 层，地上15 层，住宅部分地下1 层，地上16 层，均为框架结构。

基础选型的前提是明确工程所在区域的地质情况，本文案例工程所在区域的地质情况较为复杂，结合原位测试与野外钻探结果，显示该工程施工区域120m 深度范围主要存在13 种不同的土质类型，具体如表1 所示。

表1 120m 深度地质概况

2.2 方案对比

首先，考虑经济性最强的天然基础方案，由于天然基础类型不需要进行人工处理，在自然状态下的地质条件便可完全满足荷载要求，其原理较为简单，而且并不属于浅基础与深基础，所以上文未对此种类型进行说明。但实际房屋建筑工程中，天然基础是需要优先进行考虑的，此种基础类型能够最大限度降低工程造价。根据本文案例工程的实际土地条件可知杂填土层最大深度达到2.9m，若将天然基础类型作为基础方案，便需要对杂填土层进行开挖，开挖深度必须在2.9m 以上，但在该工程的西侧存在6m 高的挡土墙，若采用此方案便需要设置挡土桩。该工程西侧长度为45m，若设置挡土桩则最少需要设置40 根，按照现行定额进行估算，每根挡土桩需要接近1 万元的成本，共计40 万元用于挡土桩的建设，而且施工时间较长。所以此种方案不论是从经济角度出发还是从工期角度出发均为不可行[3]。

其次，考虑浅基础方案。由于本工程为高层建筑，内部柱距较大，而且功能较为复杂，部分单柱轴力甚至达到10000kN，若采用浅基础方案难以满足上部基础承载方面的需求。由于圆砾层的存在，无法将上部荷载力分散传导至地基中的持力层，所以浅基础方案对于此工程并不合适。

最后，考虑深基础方案。地下连续墙工程量较大，所需工期较长，本工程无法使用所以放弃。若采用桩基础方案便需要着重分析不同成孔类型。①夯扩沉管灌注桩方案。此方案基础单价较低，施工周期较短，较为适宜本文案例工程。但由于圆砾层的存在，钻进难度较高，难以穿透此层。②人工成孔灌注桩基础。本文工程单柱轴力较大，适合采用此种方案。但由于建筑自重较大，需要对承载力进行核算。将圆砾层作为持力层，为提高桩基础的荷载力，需要增加桩基础的直径，但本工程中圆砾层附近存在中粗砂与粉质黏土，扩大桩体直径难度较高[4]。

2.3 验算

由上述分析中可知，天然基础需要额外设置挡土墙，经济性较差；浅基础方案受圆砾层影响无法将荷载力传导至地基；深基础方案中的地下连续墙工程量较大、工期较长。而桩基础施工难度较小，而且承载力较强，不受圆砾层影响，其结构简单，具有较高的经济性，所以桩基础为本工程适宜基础类型。为确保能够承受上部荷载便需要对单桩承载力进行核算，并确定桩体长度。根据《建筑桩基础技术规范》（简称《规范》）地基土桩的侧阻力标准值（qsik），与极限端阻力标准值（qpk）的值在不同土层中的取值不同。在⑥号地质条件中，qsik 的取值为100kPa 及qpk 的取值为2600kPa，⑦地质条件中的取值分别为95kPa、1800kPa，⑧地质条件中的取值为160kPa、3500kPa，其他地质条件下取值见《规范》。根据《规范》中计算垂直方向单桩极限承载力，如式（1）所示。

结合经济性与承载力角度得出桩体长度可选择38m 与42m，不同桩径的相关参数如表2 所示。从表2 中数据可知38m 与42m 桩长的所有承载力值均在10000kN以上，可满足实际上部荷载需求。虽然其他长度的桩长也可满足需求，但考虑到经济性以及安全性，本工程选择桩长为38m 的桩基础。针对圆砾层钻进难度较大，桩体直径扩大难度较大的问题，本工程采用洛阳铲引孔以及越过圆砾层进行扩底的方法解决问题[5]。