土木工程结构设计与地基加固技术探究

代蒙南

曼彻斯特大学 英国 曼彻斯特 M13 9PL

在城市化进程背景下，建筑行业发展较为迅速，同时对建筑结构稳固性的期求也不断提升，该期求的本质是对当前建筑结构加固技术和土木工程结构的新设计需求，使土木工程结构更加稳定和可靠。在建筑工程中，土木工程结构和地基的坚固性，是影响建筑工程施工的主要因素之一，一个建筑工程的土木结构或地基的坚固性不足，严重影响建筑工程寿命，甚至威胁住户生命安全。我国近年来也出现几次重大的建筑安全事故，究其原因为土木工程结构设计不够合理以及地基的承载力不足[1]，致使建筑结构出现坍塌。面对上述情况，对建筑的土木工程结构和地基进行加固处理，是建筑行业亟待解决的问题。为此，本文研究土木工程结构设计与地基加固技术，为建筑行业施工提供有效的技术指导。

1 土木工程结构设计与地基加固技术

1.1 土木工程结构设计内容与设计特点分析

在建筑行业领域内，土木工程结构被划分为很多方面，其主要的结构为钢筋混凝土结构、承重墙结构、剪力墙结构等，其中钢筋混凝土结构在整个建筑物结构内占比最大[2]，其结构设计尤为重要。在建筑物结构内，钢筋混凝土结构始终处于受力状态，若其使用的材料不合格或施工不够规范，导致其承载力无法满足建筑物承载力标准，则土木工程结构稳定性能较差[3]。因此，在设计钢筋混凝土结构时，需依据建筑物施工标准和材料性能展开设计。目前大多数建筑物均为较为规则的矩形，且矩形的横向刚度略小于纵向刚度，因此在设计建筑物承重墙结构时，需考虑其横向或纵向。建筑物破坏除特殊情况下均为剪切破坏，在设计剪力墙结构时，需考虑建筑物的抗震等级，通过技术手段提升建筑材料的强度，以保障土木工程质量。

现代信息处理、逻辑运算技术不断发展，使建筑物土木工程结构设计途径更加便捷与精准。但由于我国地域广阔，区域建筑物受文化和环境影响存在一定差异[4]，所以在设计土木工程结构时，需考虑建筑物的区域特点，以及建筑物在该区域内随着时间的推移，其使用寿命会不断降低。在设计建筑物土木工程时，需考虑应用不同类型的混凝土和不同型号钢筋，使二者结合发挥出最大的效应，并严格按照建筑物施工标准进行施工，方可保障建筑物土木工程质量。

1.2 土木工程结构设计方法

设计不同类型土木工程结构如下

（1）选择钢材

在建筑物土木工程结构内，钢材是用量较多的材料，但由于土木工程结构承载力需求以及应用位置不同，在选择钢材时，需按照土木工程实际情况选择合适的钢材，通常会选择碳素结构较佳、硬度和强度较高的钢筋，但在需要钢筋弯曲的土木工程结构内[5]，通常选择可塑性较强的钢筋。土木工程结构内，钢筋之间使用高强螺栓或者焊接的方式使其形成一个整体。

（2）钢筋混凝土结构

土木工程的钢筋混凝土稳定性较好，在建筑物实际建设过程中，需依据建筑物受力需求，选择合适的砂石、水和不同强度的水泥进行配比，根据建筑物的用途、地理位置和规模等因素，确定所需承受的荷载标准，包括自重、活载、风载、地震作用等。根据荷载标准和建筑物的实际情况，选择合适的结构形式和材料，如框架结构、梁柱结构、墙体结构等，以及钢筋、水泥、砂、石等材料。选定的结构形式和材料，进行结构计算，包括静力计算、动力计算、稳定性分析等，以确定结构的尺寸、形状和布置等。根据计算结果，进行结构细化设计，包括钢筋的直径、数量和布置，混凝土强度等参数的确定，以及结构连接方式、防震措施等。根据设计结果，编制结构施工图和规范，明确各个构件的尺寸、数量和材料等，以及施工过程中的注意事项和质量要求等,以提升钢筋混凝土结构的受力性能。

（3）钢结构地点选择

在使用车辆运输钢材时，钢材摆放位置或受运输空间限制，钢材会出现变形情况，在使用该钢材制作土木工程钢筋混凝土结构时，需对弯曲钢材进行校正处理。常用的校正方法包括机械校正和火焰校正两种。机械校正主要是通过机械力量对钢材进行拉伸或压缩，以恢复其原始形状。火焰校正则是利用高温火焰对钢材进行加热，使其产生塑性变形，再通过机械力量对其进行塑性形变，最终恢复其原始形状,在钢材结构的安装过程中，需要遵循一定的安装规范和标准。首先，需要在大于材料1.5倍的地面上进行安装，以确保安装的稳定性和安全性。其次，在安装过程中需要注意钢材的位置和方向，保证结构的稳定性和准确性。同时，还需要进行安装质量检查和验收，确保安装的质量和可靠性。

（4）剪力墙结构

设计师在设计剪力墙时，需依据均匀和对称的原则展开设置，且保障墙面结构的质量中心和剪力墙的刚度是匹配的，以避免剪力墙承受剪力时出现裂缝、扭曲现象。剪力墙应该具有足够的刚度和强度，以承受地震等自然灾害产生的剪力和弯矩。同时，在墙体的纵向和横向位置上设置钢筋筋肢，以增强墙体的抗震性能。同时为保障建筑物的抗震性能，设计剪力墙结构时尽量避免单项有墙设计。通常剪力墙的边缘分为有约束边缘和无约束边缘，其中无约束边缘的剪力墙承载力低于有约束边缘的剪力墙，在选择剪力墙边缘时，要充分考虑建筑物实际的承重需求和建筑物级别的轴压比等参数，选择合理的剪力墙边缘结构。在施工过程中，应该采用高质量的建筑材料，并严格控制施工质量，以确保剪力墙的结构牢固可靠。

（5）地梁结构

土木工程结构内的地梁是指梁板式筏形基础和柱下条基中的梁，地梁是梁板式筏形基础的连接件，其负责支撑地基结构，使其不发生沉降现象。

在设计土木工程结构中的地梁结构时，需考虑梁板式筏形基础埋深，如表1所示，如若基础埋深数值较大，地梁框架柱的标高数值可设计较小，反之则需提升地梁框架柱的标高。同时在地梁设计过程中，需对其承载力和整个土木工程结构的承载力进行模拟计算，依据结构承载力设计出满足施工技术要求的地梁结构。需要注意的是，在确定基础埋深和框架柱标高的数值时，还需要考虑其他因素，如地质条件、建筑用途、荷载特点等。同时，在实际施工过程中，也需要严格控制施工质量，确保结构的安全可靠。

表1 地梁结构设计中基础埋深和框架柱标高

（6）伸缩缝结构

土木工程的伸缩缝是防止混凝土结构变形的结构。混凝土结构在浇筑完成后，需对其进行标准养护，但若养护条件较差和受混凝土结构自身的收缩、膨胀特性影响时，混凝土结构会出现变形情况，为防止该情况发生，设计混凝土结构的伸缩缝结构。伸缩缝选择添加膨胀剂的混凝土材料，其凝结后具备一定的膨胀性，当混凝土结构受温度变化产生收缩时，伸缩缝可抵抗混凝土结构收缩，提升混凝土结构的坚固性。

1.3 地基加固技术内容分析

地基是土木工程建设的基础，地基会随着应用时间的增加，受地质运动和风荷载的情况下，地基会出现磨损和裂缝甚至位移等情况，导致土木工程结构出现倾斜、坍塌等现象出现，因此需对土木工程的地基进行加固处理，以提升土木工程结构的稳定性和抗震性能。地基加固技术包括地基排水加固、加筋加固、挤压加固等，选择地基加固技术方式需考虑建筑物实际情况和该地区地质条件，对建筑物现状进行充分评估和计算后，方可实施地基加固技术。

1.4 地基加固技术实施方法

地基加固技术分为注浆法、锚杆静压桩法等多种方法，其详细实施方法如下：

（1）注浆法地基加固技术

注浆法地基加固技术也被称为压密灌浆技术，该技术适用于软土地基，其施工流程如下：

第一，对地基加固现场进行勘察计算，获得地基深度、承载力、加固范围等参数。勘察计算的具体内容包括地形地貌、土层厚度、土质类型、地下水位等方面的调查和测量，以确定地基的实际情况和所需加固的范围。

第二，采集地基土壤样本，送至实验室分析土壤构成，按照土壤成分选择合理的水灰比，配置成地基加固用的泥浆。土壤分析的主要内容包括土壤的颗粒组成、孔隙结构、含水率、压缩性等方面的分析和测试，以确保泥浆的配比和强度符合实际情况和工程要求。利用高水压将配置好的泥浆灌注到土壤孔洞内，待泥浆充分扩散并凝固后，即可提升地基的坚固性。需要注意的是，泥浆灌注需要根据实际情况和工程要求进行合理的施工和控制，以确保加固效果和质量。

利用注浆法地基加固技术后，地基土壤的力学性能得到较大幅度提升，同时，注浆法地基加固技术具有施工简便、成本低廉、对周围环境影响小等优点。其施工过程不需要大规模的挖掘和填筑，减少了对周围环境的破坏和影响，同时也降低了施工成本和工期。此外，注浆法地基加固技术还可以在现场进行操作和调整，适应性较强，可以满足不同工程的需求。随着泥浆的凝固，使整个泥浆灌注区域形成一个支撑体系，其可较好地支撑地基的同时，还具备较强的防渗透和防腐性能，有效提升地基的使用时长。

（2）锚杆静压地基加固技术

锚杆静压地基加固技术适用于砂土型地质结构，静压桩在加固地基时，其可击穿地基土质结构且可不破坏现有的土质结构。目前静压桩有PCT管桩和RC方桩，在选择静压桩时需考虑其应用位置和地基加固预算，选择合适的静压桩，然后使用管桩分段压入技术将静压桩压入预先测量好位置的地基内，在进行接桩、压桩等重复施工后，完成锚杆静压地基加固过程。锚杆静压地基加固技术可有效防止砂土型地质结构在含水率较大时的土质流失，以及具备较好的防腐性，提升砂土型地质结构稳定性。总之，锚杆静压地基加固技术是一种高效、经济、环保的地基加固方法，适用于各种类型的地质结构。在实际施工中，需要结合具体情况选用不同的加固方案，并严格控制施工质量，以确保加固效果达到预期目标。

（3）软基加固技术

软基加固是地基加固技术中的难点，软基的含水率均较高，且透水性能较差，极容易变形其支撑能力较差。在对软基进行加固时，通常选择真空预压法、反压护道法和加筋法。对于下沉数值较小的地基，可选择加筋法对其进行加固处理，选择与地基建设型号相同的钢筋对地基进行加固，可降低软土的应力比，提升土壤不同方向的应力数值。真空预压法适用于土源紧缺、软土性质较差的地基加固，其施工步骤为：1）依据地基加固总体设计需求，进行施工放线和装置安放位置确定；2）挖掘密封沟和密封墙，通常密封沟深度不得低于1.5m；3）埋设主滤管和支滤管，并使用出膜器连接吸水管和真空泵；4）抽取真空和填充密封水膜，保障真空值在地基加固设计范围内并真空值大于80KPa。真空预压法可使软土地基下方形成膜下负压，提升地基的有效应力。反压护道法适用于含水率较高的地基加固，其施工流程为：1）对地基反压护道位置进行勘探和测量，保障其可有效防止地下水位上升；2）开挖反压护道，并在其底部铺设防水材料；3）令钢筋混凝土、钢板桩等材料安装反压护道；4）固定反压互道并对其进行测试。经过以上步骤完成反压护道法地基加固技术施工，该地基加固技术可有效防止地下水位上涨，提升地基的防水能力和稳定性。

（4）夯实地基加固技术

由表2得出，在地基加固技术内，夯地基加固技术是应用最为广泛的技术，其利用重锤从高空快速落下，对地基土壤进行夯实，使地基土壤硬度得到增加。在利用夯实地基加固技术时，通常选择8-10吨重的重锤，重锤落差在20m左右，该技术施工过程产生的噪声较大，适用于四周较为空旷区域的地基。

（5）化学加固法

在对地基进行加固处理时，可通过添加化学添加剂的方式使地基更加牢固，提升土壤的紧密程度，从而实现地基加固。化学加固法通常应用深层搅拌方法，该方法将水泥、化学溶液或者固结剂搅拌到水玻璃浆液内，利用灌注、旋喷等方法将其注入地基内，以提升该地基的坚固程度和抗渗透能力。

2 结语

建筑工程中的土木工程结构设计和地基加固技术的综合性较强，其与工程质量存在直接关系，一旦土木工程结构设计不合理或地基坚固程度不达标，为后续施工和建筑应用带来不可预估的影响。因此在土木工程结构设计和地基加固过程中，需充分考虑建筑设计标准以及建筑施工条件，优化土木工程结构，保障其稳定性能。在加固地基时，充分考虑当地地质条件、水位等参数，选择合适的地基加固技术并验证把控地基加固技术施工标准，以提升地基的强度和承载力，保障土木工程的经济效益。