建筑工程结构中桩基础设计

王明媚

摘 要：基础是建筑物最重要的组成部分之一，很大程度上决定了建筑物的使用寿命和安全性，目前桩基础已经成为我国建筑工程实践中被广泛应用的基础形式，设计人员应在工程实践过程中不断发现问题、总结问题，在新的工程中运用已有的经验，选择合理、经济的设计方案，选择合适的桩基础类型，做好桩基础设计。

关键词：建筑结构；桩基础；设计

1 前言

近年来，城市建筑用地日趋紧张，建筑已经成为城市建筑工程规划和建设的主流趋势。随着我国城市建筑的数量增加，规模越来越大，人们对城市建筑的质量也提出了越来越高的要求。在建筑工程施工中应用桩基础施工技术，很大程度上满足了人们对建筑工程施工安全和质量的双重要求。

2 桩基础设计概述

2.1 桩基础

桩基础由桩基和承台两部分组成，承台位于桩顶处。根据承台位置不同，桩基础又分为低承台桩基础和高承台桩基础，前者指承台底面与土接触，桩身全部埋于土中的桩基础；后者指承台底部位于地面以上，桩身上部露出地面的桩基础。通常的建筑都设计为低承台桩基础，桩基础在高层建筑中应用广泛。

2.2 桩基础设计

桩基础设计指：根据工程要求、地质勘察资料、施工条件，来确定桩基础的类型、桩断面的尺寸和长度、桩的数量、单桩承载力特征值、平面布置、承台的尺寸与构造等，再根据承受的荷载进行桩基承载力的验算，估算桩基础沉降量、验算桩和桩承台的强度。

2.3 桩基础特点与分类

（1）特点。较高的承载力：桩支承在坚硬或较硬的持力层中，如基岩、密实的卵砾石层、中密砂、硬塑粘性土等，在竖向单桩承载和群桩承载方面都具有很高的承载力，足以达到承担高层建筑全部竖向荷载的水平，包括偏心荷载。较大的竖向刚度：桩基具有较大的单桩刚度、群桩刚度，当自重、相邻荷载对其产生影响时，不会产生过大的不均匀沉降，且建筑物的倾斜在一定范围内。较高的稳定性：单桩、群桩基础所具有的巨大侧向刚度和整体较强的抗倾覆能力，可以抵御地震和风引起的力矩荷载、水平荷载，确保高层建筑的抗倾覆稳定性。较好的抗压与抗拔承载力：因桩身穿过可液化土层，坚实地固定在深土层或基岩层，使其深部具有很强的抗压与抗拔承载力来抵抗因地震和浅部土层液化等因素产生的影响，尤其是在高层建筑中，能确保稳定性，沉陷和倾斜现象不明显。

（2）分类。从桩基础的受力原理划分，可分为两类：摩擦桩和端承桩，前者利用基桩与桩侧土的摩擦力来承载构造物，分抗拔桩和抗压桩，大致用于持力层较深或地基土无坚硬之持力层；后者原理为使基桩支承于持力层之上，承载上部建筑物、构筑物。按照施工方式划分，可分为：预制桩和灌注桩，预制桩系通过打桩机将预制的钢筋混凝土桩打入地下，具有节省材料、施工速度快、造价低等优点，但其对场土质有一定的要求，亦有挤土等不良特点；灌注桩系在施工现场钻孔、冲孔或人工挖孔等成孔方式成孔后，然后将钢筋笼放入进行混凝土浇灌，具有穿越各种硬夹层、进入坚硬的持力层的特点，同时，桩径及单桩的承载力的调整空间较大，成桩质量可靠度较高，更适合应用于高层建筑。

3 变刚度调平的设计原则与应用

3.1 传统设计思想的误区

我国目前建造的高层建筑中有住宅、办公楼酒店等，其中住宅大多采用剪力墙结构，其结构体系整体刚度大，荷载与刚度分布较为均匀，上部结构的刚度对基础的均匀沉降的贡献大，设计上较为方便。但像办公楼酒等高层建筑主要采用框架核心筒结构、框架剪力墙结构，部分采用框支剪力墙结构、筒中筒结构，此类结构体系整体刚度较差。荷载与刚度分布不均匀，上部结构与桩基础、地基之间的相互作用更为复杂，桩基础设计难度较大，此类结构工程中由于设计不当而引发的问题较多。根据某一均匀布桩的框架剪力墙结构的实际沉降观测资料，桩顶反力在底板自重作用下呈近似均匀分布，随着结构的刚度与荷载的增加，外圈反力增幅大于内部，经过沉降反应，最后桩顶反力呈现马鞍形分布。这样的马鞍形反力分布必然加大承台的整体弯矩，不仅使承台本身内力的增大及材料的消耗，而且承台的挠曲差异变形也将增大，从而引起上部结构的次应力。对于上述的马鞍形桩土反力分布，实测的桩筏基础的沉降却与反力分布相反，呈碟形分布，表面看起来，反力小的内部沉降大，反力大的外圈沉降小是种矛盾的反常现象，其实这正反映了半无限体在局部荷载作用下的桩土应力和变形的本质现象，内部桩的相互影响导致变形的叠加强于外圈桩，从而竖向支承刚度降低、沉降增加、反力减少，于是，马鞍形反力分布和碟形沉降就此形成。为了改善马鞍形桩反力，有的设计人员往往会加大外围的基桩的承载力来弥补外圈柱的承载力的不足，殊不知，越加大外圈桩的刚度，马鞍形桩反力差异反而更大，导致恶性循环。正确的方法应该是弱化外圈桩的竖向刚度，适合加强内部桩的支承刚度，来实现支承刚度与荷载集度分布相协调，让桩反力分布合理、承台的内力减小，沉降趋于均匀。

3.2 变刚度调平设计原理及细则

（1）调整桩土支承刚度分布以调整桩土支承刚度分布为原则，由荷载、地质条件和上部结构布局，考虑相互作用效应，采取强化与弱化结合，减沉与增沉结合，刚柔并济，整体协调，实现差异沉降、承台内力最小化目标。关于桩土支承刚度，在实际设计操作中近似以桩土承载力进行度量。对单桩，支承刚度与桩承载力呈正比关系，对于群桩，尚应考虑支承刚度随桩数增加、桩距减小而降低的群樁效应。

（2）减小相互作用效应对于框-筒结构，应减小各区位应力场的相互重叠对核心区有效刚度的削弱，基桩布局宜做到竖向错位或水平面拉开距离。核心区设计为普通桩基，外围框架设计为复合桩基。当地基承载力满足平均荷载要求时，对于180m以下高层建筑，可于核心筒区以局部刚性桩复合地基增强，外围框架区采用天然地基。

（3）剪力墙结构的变刚度调平设计剪力墙结构的整体刚度好，而且荷载由墙体直接传给基础，分布较均匀。同样对于荷载较高的电梯井和楼梯间应强化布桩。基桩宜布置于墙下，对于墙体交叉和拐角处宜予布桩。当地基土不存在与承台脱空时，可采用复合桩基。

参考文献：

[1] 周幼平，葛华永.试论建筑工程土建施工中桩基础技术的应用[J].城市建设理论研究（电子版），2015（20）：1025～1026.

[2] 王启钱.试论建筑工程土建施工中桩基础技术的应用[J].建筑工程技术与设计，2015（23）：191.