房屋建筑结构设计中的基础设计

程勇

（贵阳市建筑设计院有限公司，贵州 贵阳 550004）

0 引言

在房屋建筑结构设计方面，基础设计为重要组成部分，不仅要求承受建筑使用和施工产生的各种作用，同时需满足耐久性、承压性、整体稳固性等各种要求，以免建筑因偶发事故出现结构连续倒塌问题，给人们的生命财产安全带来威胁。因此应加强建筑结构基础设计研究，保证基础设计质量，从而使建筑整体的可靠性、安全性得到提升。

1 影响房屋建筑基础设计的因素

在房屋建筑结构设计活动中，基础设计效果首先将受到地质条件影响。如受土质特点影响，不同土层的物理特性不同，能否合理选择持力层将直接影响基础稳定性。选用不同的基础形式，对持力层也提出了不同要求，还要结合实际需求展开分析。除了受地层分布影响，地下水分布也将给基础施工穿越能力和承载力带来影响。其次，基础设计应保证后续结构施工顺利进行，因此应考虑施工条件带来的影响。一方面，基础施工将受到环境温度影响，如选用混凝土基础在低温条件下施工容易发生混凝土冻胀，导致基础承载力下降，甚至引发安全事故。另一方面基础设计需要考虑人为环境因素影响，如桩基施工将对土体产生挤压作用，因此应确保基础设计不会给周围建筑、管线等带来不利影响。最后，基础设计应考虑上部结构作用，如上部结构高度、厚度等存在差异，导致不同位置荷载存在明显差异，将引发地基不均匀沉降，在基础设计上则要求达到较高稳定性和抗变形等能力要求[1]。

2 房屋建筑结构基础设计方法分析

2.1 独立基础

在农村、城市近郊等地区的自住房建设中，多采用独立基础，如图1 所示，结构设计难度较低。根据土壤条件，可以对基础设计方案进行调整，如在地质条件好的地区，由于土质承载力较高，拥有较大密实度，多使用刚性基础。而在含水量大、土质软的地区，则采用柔性基础，有效应对地基不均匀沉降问题。从独立基础结构类型来看，划分为杯形、阶形、坡形等类型，使用方式划分为柱下和墙下基础。采用柱下基础，需在承重柱下方进行基础布置，而在地基承载力较大、上部荷载小的墙下条件下，可在墙下布置条形基础[2]。

图1 独立基础

2.2 桩基础

采用桩基础结构，可以获得更强的结构承载力，有效支撑上层结构。作为动静结合的深基础，桩基可以穿越软土层，将上部结构荷载转移至坚硬土层，避免地基出现不均匀沉降问题。在高层建筑中，多采用桩基础设计方案。为避免地基稳定性受地质条件影响，将采取增加桩基埋深、扩大桩径等措施，保证桩基承载力足够。从桩基础设计方式来看，当持力层选用岩石时目前多采用嵌岩桩，桩体下段为在岩体内浇注的灌注桩，桩端嵌入部分被称之为嵌岩段，一般情况嵌岩深度需大于等于500mm，具有单桩承载力高、变形小等优势。在高层建筑建设过程中，由于上部结构向基础传导的载荷较高，需要将稳定的微风化岩层或中风化岩当成是持力层，将上部荷载传递至嵌岩桩上，继而依靠岩层提供向上的承载力。在桩嵌入1m 或1 倍桩径的情况下，桩侧和周边岩土也可计入摩阻力，可以提高其承载力。因此从承载力组成上来看，包含桩端阻力、土层侧阻力、嵌岩段侧阻力，三者之和能够满足上层结构提出的承载力要求[3]。随着嵌岩深度的增加，桩端阻力也将有所增加。从施工方式上来看，嵌岩桩又可以划分为人工挖孔和机械成孔两类，前者适用于基岩埋深浅、底层稳定、动水压力弱等情况，采用人工挖孔方式对桩端进行扩底，能够达到提高结构承载力的作用。遭遇硬土层，无法进行人工挖孔，则也采用机械成孔方式，利用钻孔、冲孔、旋挖等方式作业，可以采用不同机具组合挖孔，能够提高桩入岩效率。实际采用嵌岩桩，应在设计阶段做好桩身大小、桩长等各方面数据分析，以便完成桩承载力验算，保证基础结构稳定性达到实际施工要求。在地下空间开发方面，桩基础运用广泛，能够向地下延伸，使上层结构受到风阻被抵消，增强建筑抗震性。在设计实践中，应加强土层条件分析，根据各项物理性能指标做好场地划分，做好桩基、承台等材料选型。根据土地承载力，合理确定桩数量和位置，并加强桩分布间距计算，可以在满足承载力要求的同时，增强结构施工经济性。

3 房屋建筑结构基础设计实践探讨

3.1 工程概况

某房屋建筑属于高层住宅和商业用房，共11 幢，总面积约8 万m2。3 栋主塔楼高度达到115m，周围裙房未设缝，构成多塔大底盘结构。建筑主体采用钢筋混凝土剪力墙和框架结构，地下建有停车库、地下室和设备房，结构安全等级达到二级，抗震设防烈度为Ⅶ度。

3.2 基础选型

在基础设计阶段，通过前期勘查可知工程所在场地为岩溶强发育地带，溶洞发育规律差，横向上成群、成线分布，竖向上呈珠串状发育，部分溶洞连通。从地层条件来看，从上到下依次分布人工回填土、第四系冲洪积层、中风化白云岩。回填土厚度不均，以砂土为主，回填时间不超1 年，尚未实现自重固结，容易引发地面不均匀沉降问题，导致桩基承受负摩阻力。冲洪积层主要为砂土、卵石，颗粒粗大，层理不明显，透水性较强，稳定性较差。中风化白云岩节理较发育，含有砂屑泥晶白云岩，芯部位短柱状或块状，局部发生溶蚀现象。通过综合分析，将白云岩当成是持力层，可知其容重达到27kN/m3，承载力特征值为4000kN，极限侧阻力为1200kPa，端阻力达到8000kPa。在基础设计方面，钻孔揭示溶洞高度在0.4~5.7m 范围内，地质剖面图如图2所示，顶部标高达到-17.1~12.8m，可见溶洞率达到24%，属于中等发育场地，不存在土洞。

图2 工程地质剖面图

按照上述思路从施工方式出发，首先可以提出方案一，即采用机械成孔嵌岩桩，持力层选用中风化白云岩。在穿越溶洞时，考虑到上部结构对单桩承载力特征值提出了较高要求，还要采用机械成孔嵌岩桩克服复杂地质条件带来的影响，保证桩顺利入岩。方案二，则将工程基础设计为人工挖孔嵌岩桩，可以扩底。针对地质勘察确认桩基持力层岩面埋藏较浅的区域，确认孔桩深度不超过15m，同时不存在串珠状溶洞，可以采用该种成桩方式。通过做好成孔质量检查，先确认地质变化情况，能够确保混凝土浇注质量和沉渣的检查，施工时先进行机械施工，填芯后再进行人工挖孔。经过经济性、可操作性和质量控制性比较，业主选用了两者相结合的方式。因人工挖孔的质量较机械成孔更容易得到保证，同时在后期施工时对溶洞地区还可以进行补勘，经济性和所需场地操作性较机械成孔好，因此在有些地区还是能得到施工单位常选用，但要注意有些地区受政策影响不可采用。

3.3 基础设计

完成基础选型后，结合工程条件确认桩径在1400~2000mm 之间，嵌入基岩深度达到1m。按照国标和地标《建筑桩基础技术规范》规范，可知嵌岩桩单桩承载力可以利用式（1）计算：

式中：Quk——单桩桩端极限承载力标准值；u——桩身周长；qsik——桩周土极限侧阻值；qpk——桩周土极限端阻值；li——桩周所在土层厚；Apl——桩面积。通过计算分析可知，单桩承载力特征值在8792~16328kN 之间。设计时要求桩底持力层厚度应达到桩径3 倍且不小于5m 要求。为确保各基桩能够协同发挥支撑作用，按照桩筏进行布置，通过冲切和抗剪计算最后确定筏板厚度为1.8m。桩基平面布置如图3 所示。

图3 桩基平面布置

在基础设计实践中，为确保嵌岩桩能够可靠嵌入基岩面中，还应认识到岩层表面存在较大起伏，可能存在溶槽、沟槽等结构，一旦桩端落在斜面或隆起位置将引发滑桩问题。为确保桩端应力范围内不存在临空面，需要通过详细勘探确定每根桩的持力层位置和深度，保证桩基础设计的可靠性。按照技术规范可知，针对大直径嵌岩桩需要采用一桩多孔方式对持力层性状进行确认。在桩径不超1m 时，可以布置1 个钻孔，而桩径在1m 和 1.2m 之间则布置 2 个钻孔，在 1.2m 和 1.6m 之间布置3 个钻孔，超出1.6m 布置至少4 个钻孔。考虑到工程溶洞发育无明显规律，各钻孔勘察得到的岩面标高可能存在较大差值，需要在距离桩中心0.25d（d 为桩径）的位置布置1 个钻孔，对持力层的钻探深度达到至少4d 且不小于8m。在掌握溶洞发育情况和岩面等高线等参数的基础上，可以进行第二阶段布孔，确保钻孔数量和深度等达到要求。通过超前钻探可以发现，主体建筑所在位置洞隙率变化较大，岩面起伏较大，将最低稳定基岩当成是桩端持力层，针对直径不超2m 桩需获得最少2 孔超前钻数据，直径达到2m 及以上则需要布置3 孔。遭遇因溶洞导致相邻桩底高差过大的情况，如图4 所示，需要使溶洞范围桩进入持力层深从洞底开始算起，确认标高较高的桩入岩起点与相邻桩入岩面夹角至少达到45°，同时桩底至少达到3d 且至少5m，保证基岩内不存在临空面[4]。遭遇陡坡面，需要将应力扩散角设在30°~40°之间。遇到鹰嘴岩，应确认桩端穿越岩层，直至落于稳定基岩面。结合实际情况确定桩长，能够确保各单桩提供足够承载力，避免因溶洞分布因素给工程带来安全隐患，使工程建设质量得到保证。

图4 相邻桩底高差大情况下稳定基岩面的判定

4 结语

在房屋建筑结构基础设计中，需要结合地质条件、施工条件和上部结构压力等各方面因素合理进行基础选型。而掌握独立基础、桩基础等各种基础的特点和适用条件，能够在设计实践中合理制定基础设计方案。在方案选定和基础设计过程中，需要进一步验证基础承载力足够，保证每根嵌岩桩嵌入持力层的深度合理。所以在基础设计时应做到贯彻执行国家技术经济政策，结合地方特点，做到安全适用、技术先进、经济合理、确保质量。