建筑结构设计中桩基设计微探

2019-04-11靳逸凡

山西建筑 2019年5期

靳逸凡

(山西省建筑设计研究院，山西太原 030013)

1 桩基设计与计算的常见问题

1.1 桩基打压难以到达设计位置

桩基在实际施工过程中，很可能无法轻易到达设计标高的指定位置，一是由于设计阶段没能做好事前的地质勘探工作，导致数据分析计算结果有误，且没有事前利用试验桩基进行测试，桩长、承载力等参数无法符合实际情况。二是由于地下土层结构阻碍了桩基的进一步深入，比如地下土壤或岩石的缝隙之间存在地下水压力，桩基打压效果无法冲破缝隙水压力的阻碍，所以在施工过程中可以利用跳打减弱地下的缝隙水压力，之后再进行后续桩基施工，还可以采取打孔等措施释放堆积在一处的压力，并利用性能较为优越的压桩机给予静力压桩一定的纵向压力，在桩基逐渐深入过程中同时控制桩体对于周围环境的挤压力，减少抬机等不良现象的出现，见图1。

1.2 单根桩体极限纵向承载力的计算

了解单根桩体的纵向极限承载力是进行桩基设计的基本也是重要条件之一。首先纵向承载力的设计需要按照《建筑地基基础设计规范》开展工作，甲级和乙级的建筑桩基需要经过静载实验获取单桩竖向承载力的特征数据，丙级和较简单的乙级桩基可以根据其现场地质特点，参照同行工程范例，结合自身工作经验开展试验工作，也可以结合原位实验综合测量计算其单根桩体的竖向承载力。

1.3 桩体的长径比例选择

建筑工程在设计桩体时，往往通过调整长径比例来达到性能要求，由于计算结果很难达到完美的比例设计，所以造成了桩体材料浪费。通常通过长径比值的确定以满足桩体自身承载力需求，并考虑到实际情况，端承桩需要有一段比较坚硬并且不会轻易变形的耐力层。然而，如果桩体过于细长，容易在打压过程中受到巨额的纵向荷载影响对桩体结构造成损坏。

1.4 桩体偏差的设计与控制

在满足单根桩体基本承载力性能的基础上，打压过程中维持桩体中心线保持在预定位置上也是十分重要的。设计阶段要重点考虑由于偏差可能对桩体造成的不良影响，特别是一些承台桩和条形桩，由于偏差对其造成的附加作用力将会大大影响桩基的整体性能。根据JGJ 94—94建筑桩基技术规范要求，对条形桩基、标高控制允许偏差、斜桩倾斜度允许偏差等都有着明确的数据范围，在尽可能满足限制的基础上，也需要对误差范围内的桩体进行调整。

2 桩基设计优化调整策略

2.1 数学函数有限元法的运用

当前，有限元法的运用逐渐成为桩基设计工作者的模拟测试手段之一，有限元法可以将集合内的元素进行离散分割，再进行函数和近似方程的计算，适用于多种桩基设计需求，也可以更加方便地获取桩体的几何拓扑信息，并将在求解桩基整体承载力等计算环节发挥重要作用。

与传统的桩体强度计算相比，有限元法能够更加反映出客观的实际情况，传统计算方法会忽略地下桩基与土体结构相互之间的某些作用力，以尽可能减少参与计算的元素，比如工作人员常常采用文克尔假定法对土体所受法向力进行计算，先假定桩基打压过程中只有桩体下方的土层受到了作用力影响，并假设土体变形与承受荷载之间存在一个地基反力系数使二者始终成正比，通过这种计算方法，仅仅能够得出一个近似的数值，不能完全反映出客观实际情况，其设计结果可能出现一定的误差。而通过有限元法则可以将忽略的作用力和影响因素都考虑进来，无论是桩体材料还是受作用力影响的空间结构等都能通过有限元法实现受力的非线性分析，并通过计算机软件建立模型进行模拟，得出的仿真数据具有一定可靠度，便于提升桩体自身的性能。

2.2 桩土复合计算

桩基设计不仅仅要考虑到单根桩体的承载能力，还需要考虑到它们组成的整体群落是否符合建筑需求。通过有限元法的应用，可以比较容易地计算出单根桩体的性能，然而考虑到建筑施工的整体结构，还需要从宏观方面研究桩体群落的承载能力，保证桩基在承受建筑上层较大荷载的同时，受力变形在施工允许范围之内。所以有必要通过桩土复合计算模式对桩体群落进行设计和分析，在有限元计算单根桩体的基础上，通过连续的计算处理即可以完成桩土复合计算模式的工作任务。我们可以将有限元法各离散单元的跨度适当增大，减少其细化的程度，以便减少对群桩的模拟计算量，提升工作效率。

在实际计算过程中，可能会遇到桩基的沉降效果不满足实际载荷需求的问题，其主要原因是在桩基计算设计阶段没有充分得出桩基施工与承载力间的关系，所以为了加强对于沉降量的控制，可以将垂直于桩基础轴线的桩土作为各向同性材料，并根据桩体和土体弹性模量与泊松比相互复合形成新的各向同性材料参数，最后利用该等效材料参数完成群桩的载荷沉降分析工作。

2.3 桩体基础结构设计

根据承载性状、桩体直径、桩身材料、用途功能等，建筑桩体基础结构可以选用不同的桩体基础类型。以下主要针对建筑上层荷载与桩基整体承载力方面进行考虑，选取几种桩体基础结构设计方式进行说明，包括了高、低桩承台基础，桩筏基础结构。

首先，按照不同的建筑施工需求，桩承台基础结构主要可以应用在建筑高度不高，上部荷载不大的乙丙级桩基设计当中，如果建筑所需高度超过100 m，对桩体承载力和沉降设计要求较高，则需要采取桩筏基础结构。如果桩的持力层比较深，桩长很长，计算出的桩基承载力很大，能够在墙柱下布桩时，就优先采用墙、柱下布桩桩筏基础，否则就采用均匀等间距桩筏基础。

桩筏基础设计需要考虑到自身载荷结构、筏板厚度、建筑物沉降等因素。为了发挥桩筏的承载能力，通常选用弹性地基梁作为分析和计算的基础，以分散建筑上层的整体压力，并能够充分减少地基结构中梁的变形和承受应力。在计算过程中主要受两方面因素影响：一是建筑上层结构的压力；二是桩体自身竖向的刚度，可以将上层结构的压力适当地进行叠加，再进行桩筏基础的设计和计算，这样可以提升基础平面的刚度，充分抵御建筑上层的不均匀传力现象，以预留出刚度性能减少所导致的变形现象，并可以适当抽离桩基内部的配筋，充分发挥出工程的成本资金投入价值。另一方面，桩体自身竖直方向上的刚度对于筏板厚度和配筋情况设计起着至关重要的作用，是提升桩筏基础承载力上限的重要设计部分，在此过程中，要按照国家有关的行业标准规定和自身企业的投资和施工能力进行筏板的设计，一味地增加筏板的厚度并不是十分明智的选择，其会对配筋的设计以及自身性能造成一定的不良影响，结合国家有关标准数据以及多年的工作经验，桩的竖向刚度要与工程设计的沉降量和桩基极限承载力相互挂钩，一般要保证在50 Ra～100 Ra范围内。

2.4 桩基受力分析

桩基是保证建筑功能，维持建筑稳定的重要组成部分，对于承担绝大部分建筑上层压力的需求，严谨科学的桩基受力分析是决定桩基性能的先决条件，为了充分发挥桩基的承载力效果，减少建筑物不均匀沉降现象，需要多方面考虑桩基受力变形情况，特别是对于来自建筑物上层结构的压力，需要设计出针对性的解决方案，以投入更少，效果更佳为目的开展计算工作(见图2)。