土木工程结构设计与地基加固技术探究

李雪玲

（山东协和学院，山东 济南 250107）

土木工程作为基础设施建设的重要组成部分，对于人类社会的发展和安全至关重要。然而，土木工程在面临自然环境的影响和工程要求的挑战时，常常面临耐久性和安全性的问题。为了提高土木工程的质量和可持续性，结构设计和地基加固技术成为不可或缺的关键因素。

1 土木工程结构设计和地基加固技术的作用

1.1 提高土木工程的耐久性

土木工程结构设计和地基加固技术在提高土木工程的耐久性方面起着关键作用。结构设计师会根据项目要求和环境条件选择适当的材料，耐久性强的材料能够抵御时间、环境和负载的影响，延长土木工程的使用寿命。例如，使用高强度混凝土或耐候钢等材料可以提高结构的抗腐蚀性和耐久性。同时，结构设计师会考虑到土木工程所面临的各种环境和外界条件，采取措施来保护结构免受损害。这可能包括使用防水层、防腐涂层和隔热材料等，以防止水分、化学物质、紫外线和其他因素对结构造成损害。

1.2 增强土木工程的抗震能力

土木工程的抗震设计是确保结构在地震事件中能够承受地震力量并保持完整性的关键因素，结构设计师会考虑到地震荷载的作用，并采用合适的设计方法来提高结构的抗震能力，包括选择适当的结构形式、配置合理的构件和连接方式，以及使用抗震材料等。峰值位移指标（Peak Ground Displacement，PGD）指结构在地震作用下所发生的最大位移，它反映了结构对地震动的响应程度，是评估结构性能的重要指标。

其中，u表示结构的位移响应，max表示取位移响应的最大值。在土木工程中，应将峰值位移限制在结构高度的1%以内或0.5%以内，土木工程中的抗震技术包括各种方法和技术，旨在增强结构对地震荷载的抵抗能力，包括抗震支撑系统、减震装置、阻尼器和隔震设备等，可以减少地震力的传递和结构的震动响应，从而降低结构破坏的风险。在土木工程结构设计中，结构合理性对于增强抗震能力至关重要，通过合理布置结构构件、设置适当的剪力墙、拱、横梁等，可以提高结构的刚度和稳定性，增强其抗震能力。

2 土木工程结构设计

2.1 剪力墙结构设计

剪力墙是一种常用的结构形式，用于提供土木工程的抗震能力和稳定性。它是由连续的垂直墙体构成，通过吸收和分散地震力量，将其传递到地基并保护建筑结构。第一，剪力墙应布置在建筑结构的关键位置，通常位于建筑的外围或内部核心区域，在布置剪力墙时，要考虑到结构的几何形状、建筑功能和空间布局等因素。第二，剪力墙的形状和尺寸应根据土木工程的设计要求进行确定。通常，剪力墙的高度较大，延伸从地基到建筑物的上部，以提供足够的刚度和稳定性。剪力墙可以是直墙、L型墙、U型墙或C型墙等形式，根据具体情况选择适当的形状，其特点如表1所示。第三，常见的剪力墙材料包括钢筋混凝土、预应力混凝土或砌块。材料的选择取决于土木工程的设计要求和地震区域的特点，高强度混凝土和钢筋可以提供剪力墙所需的刚度和强度。第四，剪力墙应设计适当的纵向和横向钢筋配置，以提供足够的抗剪和抗弯刚度，纵向钢筋用于抵抗墙体的弯曲力和剪切力，而横向钢筋用于增加墙体的抗震能力。第五，剪力墙与土木工程的其他结构构件，如梁、柱和楼板等，需要进行良好的连接，连接方式可以采用焊接、螺栓或钢筋混凝土节点等，以确保剪力墙和其他构件间的力的传递和协同工作。第六，剪力墙的抗震设计是确保其在地震荷载下发挥预期功能的关键。设计时要考虑到地震力的作用，包括水平地震力和垂直地震力，通过合理的分析和计算，确定剪力墙的尺寸、钢筋配置和墙体厚度等参数，以满足设计要求。

表1 不同剪力墙结构特点

2.2 钢筋混凝土结构设计

钢筋混凝土结构是土木工程中常见且广泛应用的结构形式，具有优秀的强度、刚度和耐久性。钢筋混凝土结构设计的第一步是确定作用于结构的各种荷载，包括常规荷载（如自重、使用荷载）和可变荷载（如风荷载、雪荷载），通过荷载计算和分析，确定结构所需的强度和刚度。第二，根据土木工程的具体要求和功能，选择适当的结构形式，如框架结构、平面框架结构、梁柱结构等，结构形式的选择应考虑到建筑物的几何形状、空间布局和使用要求。第三，设计各种结构构件，如梁、柱、楼板和基础等，根据荷载计算和结构形式，确定构件的尺寸、钢筋配置和混凝土强度等参数，构件的设计应满足强度、刚度、稳定性和耐久性的要求。第四，在钢筋混凝土结构设计中，钢筋的配置对结构的强度和刚度至关重要，通过合理布置和设计钢筋，可以抵抗结构受力时的弯曲、剪切和扭转等力的作用，钢筋配置应遵循国家和地区的建筑标准和规范。第五，混凝土是钢筋混凝土结构的重要组成部分，混凝土配合比设计包括确定水泥、砂、骨料和水的比例，以满足结构的强度和耐久性要求，混凝土的设计应考虑到材料的可获得性、施工工艺和耐久性等因素。

2.3 承重结构设计

在土木工程结构设计中，特别是对于不同地区的建筑物，考虑到地理位置和相关因素的影响是至关重要的。不同地区具有不同的地理位置和气候条件，如海岸地区、高海拔地区、热带地区等，这些因素会影响建筑物所需的抗风能力、抗雨水侵入能力和耐久性等，设计人员需要根据地理位置的特点，选择合适的建筑结构和材料，以应对当地的气候和环境条件。地质条件对建筑物的抗震能力和稳定性有重要影响。例如，存在地质问题的地区，如软土地基、岩石地层、地下水位较高等，需要进行地质勘测和分析，并采取相应的地基加固措施，以增强建筑物的抗震能力。

3 地基加固技术在土木工程设计中的应用

3.1 排水固结技术

3.1.1 真空预压法

真空预压法是地基加固技术中的一种常用方法，用于改善黏性土地基的工程性质，尤其是在软土地区。真空预压法利用负压作用，通过排空土层中的空气，降低土体内的孔隙水压力，促使地下水从竖向方向排出，从而提高土体的有效应力和压缩强度。真空泵通过抽取土壤中的空气，产生负压，将土壤颗粒更加紧密地结合在一起，使土体的固结时间大幅缩短。真空预压法可以显著加快地基固结速度，缩短施工周期，通过真空预压法，土体的有效应力和压缩强度得到提高，从而改善地基的工程性质，如承载力、稳定性和变形性能。

3.1.2 堆载预压法

堆载预压法通过堆载填土并施加荷载，使地基产生沉降，从而增加地基的有效应力和固结，提高地基的承载力，在加载过程中，预压荷载力要超过项目工程的荷载，以确保地基能够承受预期的荷载。施工人员需要根据土木工程的设计要求和地基的情况，确定合适的预压荷载力，预压荷载力应超过项目工程的荷载，并控制在建筑荷载的1.3倍左右。在地基上堆载填土，通过逐层填充和均匀压实，形成一定厚度的填土层，以及在填土层上施加荷载，使地基开始沉降，并产生固结效应，荷载的施加可以通过静载或动载的方式进行，具体根据项目要求和工程实际情况确定。

3.2 桩基加固技术

桩基加固技术是通过在地基中插入桩来增加地基的承载能力和稳定性。桩基加固技术通过将桩体插入地下，利用桩的承载能力和侧阻力来转移结构荷载到更深的土层或岩石中，桩的插入可以增加地基的承载能力、改善地基的稳定性、减小地基的沉降和变形。在桩基施工过程中，需要根据设计要求和地基情况选择合适的桩基类型，并进行相关的施工准备工作，如勘察、标定桩位和准备施工设备，以及根据设计要求和施工方法，进行钻孔或振动插桩操作，钻孔桩需要先进行钻孔，然后进行桩身灌注；而振动插桩则是通过机械振动或冲击的方式将预制桩或钢筋混凝土桩插入地下。对于钻孔灌注桩和钢筋混凝土灌注桩，需要在桩孔中进行混凝土灌注，确保桩体的牢固和连接性。同时，根据工程要求和设计，对桩顶进行处理，如修剪、加固或安装钢板等，以连接到建筑结构或其他地基构件。桩基加固技术可以增加地基的承载能力，适用承受大荷载的建筑物和基础设施，桩的插入可以改善地基的稳定性，尤其是在软土地区和地震区域。

3.3 地基强夯加固技术

地基强夯加固技术利用冲击装置（例如沉重的钢质锤头）或夯实工具在地表上进行冲击，将冲击能量传递到地下土层，冲击能量的传递会引起土层颗粒的振动和重排，从而增加土层的密实度和抗剪强度，提高地基的承载能力。在施工过程中，要根据工程要求和地基情况，确定地基强夯的施工方案和设备选择。同时，进行现场勘察和土壤测试，了解地基的土质特性和力学性质。同时，根据设计要求和施工方案，将冲击装置或夯实工具放置在地表上，进行冲击作业，冲击时应控制冲击力和频率，以避免对周围结构和设施造成不良影响。在强夯施工过程中，需要进行间隙观测和监测，以监测地基的沉降和变形情况，通过实时监测，调整施工参数，确保施工效果和地基稳定性。

3.4 化学加固技术

深层搅拌法和注浆加固法是化学加固技术中常用的方法，用于改善地基的力学性能和提高地基的承载能力。①深层搅拌法。深层搅拌法是一种通过在原有地基结构中加入水泥、石灰等建筑材料，并通过深层搅拌技术形成牢固的复合型地基的加固方法，使用特殊设备在地基中进行搅拌，将建筑材料均匀分布于地基土层中。搅拌过程中，旋转刀具或螺旋桨会将土壤与建筑材料混合，形成牢固的复合型地基，搅拌后的建筑材料与土壤发生反应，形成固结和强化作用。水泥或石灰会与土壤颗粒结合，增加土壤的强度和稳定性。深层搅拌法适用于需要增加地基承载能力、避免不均匀沉降的工程，如高层建筑、桥梁和堤坝等。②注浆加固法。注浆加固法是一种通过注入特定的固化材料（注浆材料）到地基中，以改善地基土的力学性能和增加地基的承载能力的方法。注浆材料与地基土发生反应，并固结、硬化。固结过程中，注浆材料填充孔隙，与土壤形成牢固的结合，增加地基的强度和稳定性。注浆加固法适用于岩石结构不稳定、土层孔隙多等地基问题，如基坑支护、隧道工程和地下管道等。

3.5 加筋加固技术

加筋加固技术主要包括锚固法、加筋土法及竖向加筋复合地基法。锚固法主要是通过使用减压材料如土钉来减少地基边缘处水平方向的力，以提高地基边缘的稳定性，防止地基边缘沉降。它的主要目的是通过增加地基边缘的抗拉能力，以抵抗地基土壤的水平推力，从而确保地基的整体稳定性。在施工过程中，土钉会被嵌入地基边缘或近地表的土体中，并与地基结构进行固定连接。这样可以有效减少地基边缘土壤的水平位移，防止边缘部分的沉降，从而提高地基的整体稳定性。加筋土法适用于浅层软土地基的加固和处理，浅层软土指的是地下较浅处的松软土层，其力学性质较差，抗压、抗剪能力较低。加筋土法需要选择合适的加筋材料，常用的包括钢筋、纤维增强材料等，这些材料具有较高的抗拉强度和刚度，可以增加地基的承载能力。竖向加筋复合地基法主要适用于深部软土地基，例如大型建筑物、桥梁、堤坝等工程，对于这些工程，地基处于深部软土层，且存在较大的承载要求。预制桩柱是竖向加筋复合地基法中的关键组成部分，通常采用钢筋混凝土或预应力混凝土制成，并通过钻孔、灌注或冲击等方式嵌入到地基中，预制桩柱的长度和直径根据设计要求和地基特性来确定。

4 结论

总之，土木工程结构设计和地基加固技术在现代建筑领域中扮演着重要的角色。通过对土木工程的结构设计和地基加固技术的深入探究，深刻认识到它们对工程的耐久性、抗震能力和安全性的重要性。因此，需要不断加强对土木工程结构设计和地基加固技术的研究和应用，以推动建筑行业的发展，为人们创造更安全、稳定和可持续的建筑环境。