建筑结构设计中的桩基设计

钟智谦

（广州大学建筑设计研究院，广东 广州 510400）

在建筑结构施工中，会容易受到各种不确定因素的影响，进而导致现场岩土出现了一系列的变化。尤其是在建筑荷载的作用下，建筑基层底部很容易发生严重的变形。桩基础是建筑工程中的一种主要施工形式，可以有利于增强地基的稳定性，提高地基的平衡力作用，从而可以实现良好的抑制深陷的作用发挥。从目前桩基础技术在施工中的具体应用进行分析，主要体现在高层台桩基和低承台桩基两种方式。其中，高层台桩基也可以分为灌注桩和预制桩，这是建筑施工应用中最常见的桩基础技术。通常在遇到地震、台风等自然灾害时，桩基础技术可以实现不同方向的承载力转移作用，从而使其可以散布到桩基周边的土层中，以保护建筑结构的稳定性，降低外力对建筑物的破坏程度。

在建筑工程的项目设计中，结构优化设计是基于建筑安全性、适用性、美观性、经济性等多方面的因素影响下，实现结构设计的最优化创新。具体可以落实到实际的项目活动中，而且都具有对应的限定条件，例如原材料供应、造价控制指标、地理环境、视觉美学等等，在诸如此类的条件下尽可能的满足项目建设的实际需求。但是由于工程设计具有一定的复杂性，往往在人力、物力、资源、时间紧缺的条件下，无法达到预期的设计目标。因此，在结构优化设计工作中，安全、经济、适用是作为最根本的优化主题与内容，通过综合分析概念设计、计算、经验等方面，结合专业的通力配合与协作，可以促进结构优化设计的系统性发展。

根据分类标准的使用环境不同，可以按照具体类别对桩基础结构进行划分，并了解和掌握各种桩基础的优点和劣势，从而促进后续结构设计活动的顺利开展。第一，按照承台位置的高低进行划分，具体包含了高、低两种形式的承台桩基础结构，高承台桩基础一般常用在桥梁和码头等施工工程中，而低承台桩基础常适用于房屋的建筑施工中；
第二，根据承载性质的区别，可以将其划分成端承桩与摩擦桩两种，端承桩通常是指穿过软土层并把建筑载荷依托在桩端的坚硬土层中，对于桩身产生的摩擦力比较小。而摩擦桩一般指沉入一定深度的软弱土层中，由于受到桩侧土的摩擦作用以完成上部载荷并分散至周围的土体中，桩与土之间具有相对位移而且桩端土具有支撑作用；
第三，按照桩身材料的类别进行划分，总体包含了木桩、钢桩、钢筋混凝土桩等。通常情况下，木桩的使用频率比较少，只用在部分的加固工程中。钢桩的承载力比较大，在实施运输和沉桩等操作时相对简便，可是钢材的耗损量过大，所以缺乏经济性，一般只在少量的重点工程中进行运用。而钢筋混凝土桩按照设计需求，可以进行预制或现浇，也可以自由选择桩长度和截面尺寸；
第四，根据制作的工艺可以分为钢筋混凝土预制桩和灌注桩两种，钢筋混凝土预制桩通常是在工厂或现场进行预制，一般采用锤子击打、振动沉入等方法。灌注桩也被称为现浇桩，是指在孔内放置钢筋笼后灌注混凝土而形成桩，可以大大节省钢材的使用量。

其影响因素首先为地质条件，对于建筑结构状基础设计问题分析后不难发现，可以对最终的设计结果进行明确，这在一定程度上将会受到地质条件影响，若不能根据现场情况来对处理措施进行想，则会对结构承载性产生影响，从而诱发沉降不均匀的现象。现阶段建筑设计和和土地资源之间存在较为严重的矛盾，工程施工面临的地质环境存在显著的差异，特别是城市基础设施相对完善，建筑结构装基础设计施工需要的工艺不同。

其次为上部结构，为了达到社会发展对建筑工程的需求，现阶段工程结构设计要能够实现多样化，结构所具有的不同形式、地上建筑高度、墙体厚度都会对基础类型、埋深、截面积等，上不结构将会对建筑结构桩基础设计产生直接影响，要想保证基础结构能够承担上部结构荷载，就要能够让其达到安全性和稳定性要求，通过对之前结构设计结果进行分析，可以明确上部结构的类型、高度和墙体厚度，并且能够反映出建筑物的抗变形能力、沉降能力、稳定性等，并且在设计阶段作为要点来实施分析。

最后为现场施工环境。为了能够更好地解决土地资源和工程建设之间的矛盾，现阶段建筑工程在建设期间除了增设了上部高度之外，还对地下空间进行开发，让基础深度逐渐增加，这样不仅会受到已存管线、地下水的影响，也会增加作业难度，导致基础结构设计需要关注更多的内容。为了避免环境因素对设计结构产生的负面影响，要能够从人工环境、自然环境等入手，科学对结构抗震等级进行明确，保证抗震缝设计位置和数量都能够达到有效性要求。

3.1 桩选型和间距的选择与设计

在桩基设计工作中，桩型的选取是最核心的一个组成内容。对于桩型的选取需要综合考虑建筑物的地形、施工环境、突出特征、桩施工技术的难度等方面，根据制桩材料的供应状况结合整体造价和施工周期，科学选择施工技术和经济方案，在最终的筛选过程中选出经济、适宜的桩型和成桩技术。由于选定的基准条件不同，所以选型的结构也不相同。具体如下：第一，从地质条件的角度来说，对于硬土层、岩层埋设的深度状况进行分析，一般都会优先选取灌注桩。在面对淤泥地质环境时不建议选灌注桩，这是为了有效避免出现缩颈等质量问题。同时，为了可以充分保证成型的可靠性以及桩身的质量，可以选取预制桩技术。一般在粉土、砂土、粘土地质中适合选用冲孔灌注桩技术；
第二，根据载荷的类型可以明确桩型。如固定载荷大小、载荷动静态等都属于载荷的主要特征，这些特征因素都可以对桩水平和竖向承载力产生一定的影响，按照载荷的大小可以科学选用单桩承载力。如果承载过大不利于工程造价的经济性，而且还会加大桩长和桩径。而单桩承载力过小则会增加桩的实际数量，所以很难充分保障自身价值的最大化发挥；
第三，根据施工的条件明确桩型。静压预制桩一般常用于市区内的施工活动中，而且施工周期短，基本没有产生任何的噪声污染。但是粉砂层埋藏的厚度比较大，桩端很难获得良好的持力层，所以无法实现整体经济性。在打入式预制桩中存在预制方桩和预应力管桩两种类型，预制方桩的施工速度快、强度大，可是会耗损大量的钢筋，所以投入成本也高。而预应力管桩的穿透力比较强，承载力大且经济优良。在灌注桩施工中具有操作简单、无振动、无噪声等优点，所以比较在实际活动中运用广泛。桩间距是桩基设计的一个核心参数，决定了桩基施工的难易程度，可以与桩承载力的发挥具有紧密的联系。在选取桩间距前，需要明确桩基到底是摩擦桩还是端承桩，因为摩擦桩容易对桩侧土体产生影响，如果设计间距比较小，就会导致桩间土出现沉降现象。为了可以增强桩基的承载作用力，可以适当增加桩间距。而端承桩的自身承载力源于桩端，对于周围土体产生的影响比较小，所以可以忽略不计并选取较小的间距。在明确桩间距的过程中，需要综合分析成柱过程形成挤土效应的问题，如果间距设计过小的情况下，软土挤土效应大的桩基会对后续施工桩产生一定的干扰，比如出现倾斜、上移等现象，所以在设置最小中心距时通常需要超出3.5d。

3.2 桩长和桩径的选择

在选择桩长时，需要充分考虑到桩端持力层的选择与进入持力层的深度。桩端持力层是桩基承载力的一个主要影响因素，会进一步限制桩端阻力和侧阻力的作用发挥，因此可以选取硬度较大的持力层。需要保证桩端进入持力层实际深度后可以充分发挥出自身的承载力作用，使桩端进入持力层可以达到一定的临界值，在符合阻力的相关规定下可以把该深度称为临界深度。如果桩端没有进入足够深度的持力层，就会使桩端剪切破坏进而减少桩端的阻力。临界深度的大小和土性质具有密切的关系，不同土的临界深度也具有一定的差异。其中粉土和粘性土为2～6d，砂与碎石类为3～10d。在桩端进入持力层深度的过程中需要综合考量持力层的厚度和卧层状况，如果在下方具有软弱卧层则需严格计算实际强度和形变大小。桩长的选择是建筑结构可靠性的基本因素，而且与桩基础设计工作的经济性存在重要的关联。从另一方面来说，在选择桩径时，需要分析桩长度、承载力的大小、地质条件等方面。对于摩擦型桩在选择桩径时如果长度越长，那么承载力的效率就越高。对于端承桩桩径的选择可以从经济角度进行分析，结合设计和施工活动等方面进行考量，由于土质状况不同，所以选择的桩径大小也存在一定的差异性，比如在使用端部岩层时可以选取直径较大的桩。针对地质条件的复杂性特点，在选择桩身直径时必须要明确不良地质对成桩造成的不良影响。

3.3 单桩竖向承载力

在桩基的设计初期，承载力与地基土物理指标的相关性可以作为单桩竖向承载力的主要参考标准，用于估测单桩竖向承载力的大小。可是桩估算数值和实际的数值间还存在较大的差异性，按照相关规定可以开展试验桩进行验证，并基于此进行科学的调整。在设计施工图纸的过程中，一般会选取静载荷试验来明确桩承载力的相关参数，该方法的应用范围比较适合一些设计要求比较高、地质条件比较复杂的桩基设计工作中。有时会因为桩基设计的时间紧迫，所以会将地质报告的数据作为开展基础，实施单桩承载力的测试工作。在相关的调研数据中表明，通过选取高应变动测法可以有效减少承载力的测量误差，而且提高了经济性和适应性。所以，在设计桩基础时可以根据试桩的实际承载力大小进行设计，以促进设计工作的科学性、准确性，从而提高建筑结构的可靠性。

3.4 桩水平承载力的验算

通过科学验算桩基水平的承载力，可以充分保证建筑结构具有良好的抗震性能。按照国家相关规定和要求标准，桩基需要实施抗震验算范围、桩基水平承载力等验算，一般桩身水平承载力属于大直径灌注桩即可达到标准，而预制桩则需要严格根据相关规定来明确数值。针对桩基水平的承载力来说，具有多方面的影响因素，比如桩身的截面尺寸、混凝土强度等等。同时，也要及时处理淤泥土质，确保回填土的质量可以达到实际的要求，进而促进桩基水平承载力可以达到相关标准。

3.5 桩偏差的处理与控制

在设计桩基的过程中需要严格控制桩偏差，特别是对于条形桩和承台桩的管理与控制，以解决桩基设计过程中存在的现实问题。在桩顶标高超出预期的设计数值时，需要采取劈桩的方法，比如针对预应力管桩等一些空心桩的建设，由于桩顶存在桩帽，所以使用劈桩时会出现难度大、经济性不强的问题。同时，如果桩顶的标高没有达到预期的设计数值，则需要采取补桩的方法。在进行补桩时需要严格控制回降量，这就需要相关设计人员综合考虑施工中的误差，通常将偏差控制在2mm为最佳。

3.6 确保打桩和送桩可以达到要求标准

桩基施工中对于偏差需要进行严格的控制，一般常见于条形桩、承台桩，如果存在偏差但是没有及时解决，就会导致附加内力的产生，给桩基础的安全性造成一定的隐患。不管是打桩环节还是送桩环节，都需要及时、准确的记录相关数据和信息。在进行打桩时，相关施工人员应当按照规定要求，详细记录入桩的深度，确保数据的有效性、真实性。同时，在进行焊接时也需要落实相应的隐蔽记录。此外，施工人员在进行插桩时需要保证桩头可以与地面标志处于对齐位置，一旦发现桩头没有与地面标志进行对准，则需要立刻进行调整，在进行桩位的判断时就可以采用吊砣垂线或是经纬仪进行完成。而且在进行打桩时还应当随时配备水准尺，目的是为了便于随时对垂直度进行测量。根据施工的具体要求标准，垂直偏差一般不得大于0.5%，在送桩时工作人员需要利用水准仪 来精确控制标高误差，并把误差合理控制在上下5cm之内。

4.1 科学利用数学函数进行完善

在数学函数的应用中，有限元法可以针对集合内元素进行科学、合理的划分，而且将其作为函数和近似方程的计算基础。该方法可以达到不同桩基设计的需求标准，而且也可以在短时间内准确获取桩体的拓扑信息，对于桩基承载力的计算工作起到了重要的促进作用。和传统的桩体强度计算模式进行对比，有限元计算方法可以更加直观的反映出现场的施工条件，最主要的是原有的计算方法中没有全面考虑到桩基与土体间的作用，而且只是简化了计算的流程，所以无法保证最终的结果，更无法确保计算的准确性。所以，在利用有限元的设计方法时能够充分结合桩基和土体的形成作用，比较接近具体的施工状况，而且通过运用专业软件进行模型的构建，更容易获取完整性强、可靠度高的数据信息，从而有利于桩体性能的不断调整和优化。

4.2 提高桩土符合计算的精准性

在进行桩基的设计工作时，不只是需要分析单根桩体的承载力大小，更需要综合分析构成整体能否实际满足建筑的设计需求，通过应用有限元法可以明确单根桩性能的具体参数。为了可以进一步提高建筑结构的整体性，还需要分析桩体群落的承载力，确保桩基能够承受较大的载荷作用力，进而合理控制其形变可以保持在一定的可控范围内。在桩体群落的分析中，可以使用复合计算模式，选取连续性的计算方式确保桩土的复合质量。除此之外，在计算的过程中，桩基自身沉降也很难达到承载力的实际需求，这是因为设计工作中的桩基施工与承载力关系没有进行科学的确定，因此沉降量无法得到充分的保障和管理控制，这就需要把桩基础轴线桩土布置为性质相同的材料，对群桩载沉降进行全面的分析。

综上所述，在建筑结构的施工设计中，桩基础设计是一个重要的基础内容，通过分析建筑结构设计的具体内容，以及优化设计的原则等方面，对桩基础设计的内容和关键性要素进行综合的分析。由于桩基础设计存在复杂性的特点，所以施工效果可以对工程整体造成巨大的影响，所以在设计和施工中应当高度重视桩基设计施工的环节和流程，通过采取科学、适应的方法提高桩基础的设计效果，进而促进建筑结构可以发挥出最大化的功能作用。