建筑结构设计中的桩基设计要点研究_汤明光.pdf

Construction&DesignForProject工程建设与设计1建筑桩基础结构的分类1）根据承台的高度，建筑桩基础包括高承台桩基础、低承台桩基础等。在房屋建筑结构中，低承台桩基础较为常见。2）按照承载力的产生原理，桩基础可分为摩擦桩、端承桩两种。对于存在不良地质的建筑项目，可采用端承桩，使其穿过软弱地层，落在坚硬土层内，承托建筑结构产生的荷载。这类桩基础结构中，桩身和土层的摩擦力较小。若基础桩在软弱土层中的深度较大，桩侧土和桩身相互摩擦后，将建筑荷载分散到土体内时，桩身、土层会存在相对位移，桩端土具有基础的承载作用，这类桩基础可称之为摩擦桩1。3）按照桩身材料，建筑桩基础包括木桩、钢桩、混凝土桩、现浇钢筋混凝土桩等。随着建筑质量要求的提升，钢筋混凝土桩在建筑桩基础结构中较为常见。设计人员可结合建筑结构设计需求，通过预制、现浇的方式布设钢筋混凝土桩。2建筑结构中桩基础的设计要求1）为确保建筑结构设计的可靠性，桩基础、地基土层的作用力应相对稳定，确保桩基在承受建筑物荷载时，桩基础的承载能力符合建筑荷载要求，不会出现不均匀沉降、沉降量过大等问题。因此，设计人员应重视桩基础的荷载计算，控制好桩基础的挠曲变形、弯矩等设计参数，加强桩基础强度设计，使桩基础结构内力处于建筑基础结构材料强度的容许范围内，保障建筑桩基础的稳定性2。2）桩身规格设计、基础桩布置、持力层选择会直接影响建筑桩基结构设计的合理性。设计人员应通过以上参数的控制，增强桩基结构的承载能力。同时根据建筑结构的设计要求，计算桩基内力、确定桩身配筋率、局部材料强度等数据。3）桩基设计时，还应考虑建筑项目的建设成本。设计人员可基于合理的设计方案，在把握桩基整体性能的基础上，对比分析设计方案，选择造价较低的方案，确保建筑桩基结构设计的经济性。3建筑结构设计中桩基设计要点3.1桩型选择建筑桩基结构设计时，设计人员应结合建筑结构、建筑荷载、桩基础区域土层类别、施工环境、地下水分布情况选择桩【作者简介】汤明光（1988），男，福建宁德人，工程师，从事结构设计与研究。建筑结构设计中的桩基设计要点研究Research on Key Points of Pile Foundation Design in Architectural Design汤明光（中土集团福州勘察设计研究院，福州 350013）TANG Ming-guang(CCECCFuzhouSurvey&DesignInstituteCo.Ltd.,Fuzhou350013,China)【摘要】介绍了建筑桩基础的类别，从桩基选型、规格设计、承载力核算等方面对建筑结构中桩基设计的要点展开研究。并结合项目需求提高桩基承载力，优化桩基结构，加强设计参数验算，确保承载力计算的准确性，以促进建筑结构设计中桩基设计质量的提升。【Abstract】This paper introduces the categories of building pile foundation,and studies the main points of pile foundation design inbuilding structure from the aspects of pile foundation selection,specification design and bearing capacity calculation.And combined withthe project needs to improve the bearing capacity of pile foundation,optimize the structure of pile foundation,strengthen the designparameter checking calculation,to ensure the accuracy of bearing capacity calculation,in order to promote the improvement of the qualityof pile foundation design in the design of building structure.【关键词】建筑结构设计；桩基设计；要点研究【Keywords】building structure design;pile foundation design;key points research【中图分类号】TU470【文献标志码】A【文章编号】1007-9467（2023）01-0046-03【DOI】10.13616/ki.gcjsysj.2023.01.21546型。通常情况下，对于设计为排架结构、框架结构，且建筑地基为坚硬土层、桩基埋深不大的建筑，可设计为灌注桩，以预防建筑沉降，提升建筑桩基础的承载力，桩基结构可设置为单桩单柱。民用建筑、工业建筑的桩型选择相对复杂，建筑楼层设计高度、场地条件、建筑荷载性质都会影响桩基选型。比如，设计人员可根据楼层高度选择桩基结构，楼层数小于10层的建筑，桩基可设计为桩径为500 mm的灌注桩或300 mm的混凝土预制桩。楼层数为1020层的建筑物，灌注桩直径应在6001 000 mm，预制桩直径应控制在400500 mm。按照现场地质条件选择桩型时，硬土层、岩层工况下，桩基埋深浅时，一般采用灌注桩。存在淤泥、淤泥土等软土地基的建筑物，为避免桩基础出现缩颈问题，通常可设计为预制桩。黏土、砂土、粉土等地质中，冲孔灌注桩较为多见。3.2桩身规格设计1）桩长计算。计算桩长时，设计人员应根据桩端持力层确定持力层进入土层的深度。桩端持力层是影响建筑地基承载力的重要因素，应选择承载力高且硬度较大的土层作为持力层，并控制好桩基嵌入持力层的深度。使其进入持力层后，阻力大小符合桩基设计规定，并且桩长符合持力层临界深度。桩端进入持力层深度较小时，桩端阻力会变小，容易导致桩端剪切破坏。具体的临界深度可根据建筑地基范围内的土层性质决定。地基土质为碎石、砂土时，临界深度一般为310d（d为桩径）。黏性土与粉土层中，临界深度一般为26d。2）桩径选择。桩径取决于建筑桩基承载力、地质条件、桩基选型。桩基设计为端承桩时，建筑基础层土质、工艺水平都会导致桩径存在差异。3.3承载力设计3.3.1水平承载力验算桩基水平承载力可以确保建筑桩基的抗震性能，根据行业的相关规定，对于水平荷载力较小的高大建筑与一般建筑，单桩基础、群桩中的桩基应满足：HiRh（其中Hi是在荷载效应标准组合下，作用于建筑集装桩顶的水平力；Rh为单桩基础、群桩中基桩水平承载力的特征值）；桩身截面尺寸、桩身材料强度、建筑基础结构设计都会影响桩基水平承载力，建筑基础层体质为软土地质时，需要对地基进行换填处理后，根据其承载力设计桩基水平承载力。3.3.2竖向承载力建筑桩基结构设计初期，为避免单桩竖向承载力设计值和建筑承载力实际值存在差异，需要进行竖向承载力验算，验算内容包括桩基所承受的轴心荷载、偏心荷载，以及轴心竖向作用力下，桩基顶的竖向压力。验算桩基所承受的轴心荷载时，竖向承载力设计值应满足公式NkRa（Nk为轴心竖向作用力下，桩基础的平均竖向力；Ra为基桩、复合基桩竖向承载力特征值）。除此之外，设计人员可通过静荷载试验确定建筑桩基结构中单桩、复合桩基础的承载力。静荷载试验是在初步确定桩身规格后，在桩顶分别施加轴向压力、轴向上拔力、水平力，观测桩基区域的沉降、上拔或水平位移，然后依据桩身荷载与位移的基本关系，判定单桩竖向抗压承载力与水平承载力。3.4桩数及平面设计1）设计人员可根据建筑上部结构荷载确定桩基的单桩、复合桩数量，以及桩基础的平面布置情况。桩基数量n计算公式为：nFk+GkR（1）式中，Fk、Gk分别为作用于承台顶面的竖向力、承台自重标准值，kN；R为建筑承载力设计值，kPa。桩基平面设计需要考虑桩基的布置形式与桩距，桩距设计应考虑成桩工艺、土层性质。桩排数大于3排，根数大于9根时的桩距见表1。表 1建筑桩基结构中桩距设计土层性质和成桩工艺桩距非挤土和部分挤土的灌注桩33.5d挤土灌注桩非饱和土饱和黏性土4d4.5d钻孔、挖孔扩底灌注桩2d沉管夯扩钻孔挤土桩非饱和土饱和黏性土4d2.54.5d注：d为桩径。2）桩基平面设计时，应在发挥桩身作用的同时，尽量紧凑布桩，以控制承台面积。为保证桩基结构中各桩受力均匀，还应将桩基长期荷载作用点、群桩横截面的形心重合。柱下桩一般可设计为矩形、梅花形、三角形；墙下桩基可设计为双排桩、单排桩。确定桩位时，还应重视桩位竖向偏差、水平偏差的控制。Engineering Design of the Ground基础工程设计47Construction&DesignForProject工程建设与设计3.5承台设计桩基承台设计时，需要按照承台选型设计承台。柱下梁板式承台，梁板结构的高跨比、平板结构的厚跨比一般为18。设计梁板筏式承台时，板厚、双向板短边净跨比应控制在1/16以内，板厚应大于400 mm。桩基承台设计为墙下平板式承台时，承台厚跨比应大于1/20，承台厚度同样大于400 mm。建筑桩基础为框筒结构时，可采用筏式承台。建筑结构设计为剪力墙结构时，承台一般为平板式承台，承台配筋率取决于桩基础结构的局部弯矩。此外，独立柱下桩基承台最小宽度应大于50 cm，承台边桩中心点及其边缘的间距应大于单桩直径。桩外边缘、承台边缘的间距应大于150 mm。设计墙下条形承台梁时，桩边、承台边的间距应大于75 mm。墙下布桩时，对于建筑结构为剪力墙的建筑体，若承台设计为筏形承台，其最小厚度应大于200 mm。4优化建筑桩基结构设计的基本思路4.1基于现场实况，校正桩基承载力初步完成建筑桩基设计后，设计人员应对建筑施工场地进行全面勘察，并结合具体的水文信息、地质信息、现场环境调整桩基设计参数校正桩基承载力。勘察时需要做好记录，评估周围环境对桩基施工的影响，排除其他干扰。测量最佳放线距离和位置，精确计算单桩承载力的特征值。综合评估影响桩基设计与施工的因素，有利于提高桩基设计施工质量。确定桩基分布方案后，还应考虑建筑结构设计、布桩方案，再次验算桩基承载力，记录分析布桩时的桩基结构设计参数，包括桩身垂直度、桩基钻孔深度等。另外，建筑地基基础设计等级为甲级的桩基，以及体形复杂、荷载不均匀、桩端下存在软弱土层且设计等级为乙级的桩基，还应提前进行沉降验算，桩基沉降值不得超过该类建筑物的沉降允许值，同时符合GB 500072017建筑地基基础设计规范。4.2结合项目需求，优化桩基结构城市化发展中，城市范围内的人口数量增加，新时期建筑高度整体呈上升趋势。因此，进行建筑桩基设计时，设计人员还应基于建筑项目的实际需求优化桩基结构。对于高层建筑，为确保建筑物的承载力，设计人员可将桩基结构设计为桩筏基础结构，该结构的应用能够有效提高建筑物稳定性，桩基长度设计应考虑持力层的分布情况。为提升建筑的承压能力，应重点设计桩基中的单桩间距和桩体布局。此外，还应考虑建筑水平承载力、竖向承载力等，精确计算桩基础的承压力，合理选择桩身材料。4.3加强设计参数验算，确保承载力计算准确性桩基设计期间，设计人员不仅需要计算单个桩的桩身承载力，还应根据桩基布置方案，以及群桩和承台、建筑结构之间的作用力，采用有限元计算模式验算桩基设计参数，分析单根桩基、群桩的承载力。为保证群桩承载力计算的准确性，设计人员在单独运算单桩承载的前提下，可通过复核计算的方式对桩基结构的整体设计参数进行强度计算。然后在原有基础上计算离散单元跨度，减少模拟计算量，提升计算效率。根据以往的经验可知，部分桩基会出现预期沉降量与实际值不符的情况，为避免该问题，需要设计人员利用地基结构的土体弹性模量、泊松比，准确计算桩基结构建设材料的承载力。完成基础设计后，需要进行成果核算，用可视化先进技术建立3D模型，输入设计参数后模拟运行，保证承载力计算准确。5结语综上所述，为设计可靠的建筑桩基础结构，设计人员应结合建筑项目的实际需求、现场地质条件，对桩基础进行合理选型。然后，依据建筑结构相关设计规范，确定桩基础结构中桩身、桩径的设计规格，总结完善桩基设计方案的方法，以此保障建筑桩基础结构设计的合理性，为建筑结构设计水平的提升创造有利条件。【参考文献】1杜鹏,张剑涛.多高层建筑设计中桩基选用布置技巧J.建筑结构,2021(1):209-211.2王飞宇.建筑混凝土结构桩基设计分析J.建筑建材装饰,2021(18):16-17.【收稿日期】2022-12-0148