建筑结构设计中的桩基设计要点

1   建筑结构桩基础分类

桩基础按照分类基准不同，划分类别存在较大差异，应明确其类别划分标准，熟知各类桩基础优劣，为后续设计提供保证。

（1）承台位置高低划分，其主要包含高、低承台桩基础，前者多用于桥梁、码头等工程中，后者适用于房屋建筑中。

（2）承载性质不同分为端承桩和摩擦桩。端承桩是指穿过软弱土层，并将建筑结构实际载荷依托桩端坚硬土层中，对桩身产生的摩擦力较小；摩擦桩主要是指沉入软弱土层中一定深度，受桩侧土实际摩擦作用下，完成上部载荷分散至周围土体中，桩端土具有一定的支撑作用，桩与土存在相对位移，具有摩擦桩作用。

（3）桩身材料不同划分，主要包含钢筋混凝土桩、钢桩、木桩等，钢筋混凝土桩可进行预制或现浇，应按照实际设计要求，桩长度和截面实际尺寸进行任意选择；钢桩自身承载力较大，运输、沉桩等操作十分便捷，但耗损钢材量较大，经济性不佳，仅在少量重点工程中应用；木桩使用频次较低，仅用于部分加固或临时工程中。

（4）制作工艺划分，包含钢筋混凝土预制桩、灌注桩，前者主要是在工厂或现场完成预制，利用锤子进行击打、振动沉入等方式，促使其最终沉入地下；后者又称为现浇桩，可直接在设计桩地基完成成孔，在孔内放置相应的钢筋笼，最终灌注混凝土形成桩，其与预制桩相较，可节省钢材使用量，持力层起伏平整性不佳时，长度可按照现场实际状况设计。

2   建筑结构设计中的桩基设计要点

2.1   桩选型和间距选择设计

桩型选取作为桩基设计核心内容之一，实际选取桩型过程中，应综合性考量建筑物特征、地形、地质条件、施工环境及各类桩施工工艺特征及难度，制桩材料供应条件，整体造价及施工周期等系统性分析，并做好技术、经济方案选择，最终筛选经济合理、适宜的桩型及成桩工艺。桩基选型过程中，其选定基准不同，最终选型不尽相同。

（1）依照地质条件确定桩型

针对硬土层、岩层埋设深度较浅地质状况，建议优先选取灌注桩；淤泥地质条件不建议选取灌注桩，防止后续出现缩颈等质量缺陷，为保证桩身质量和成型可靠性，建议选取预制桩；冲孔灌注桩针对粘土、粉土、砂土等地质中适用性较佳。

（2）以载荷类型确定桩型

载荷特征主要是指载荷动静态、固定载荷实际大小、竖向载荷偏心距等特征。上述因素均对桩水平、竖向承载力造成影响，应根据载荷实际大小，选取科学的单桩承载力。若承载过大会加大桩长、桩径，不利于项目造价经济性，单桩承载力过校，增加桩实际数量，难以发挥地基自身价值。

（3）按照施工条件确定桩型

1）针对静压预制桩而言，其施工周期短，不会产生噪声污染，适用于市区内施工。单其针对粉砂层埋藏厚度较大，其桩端难以获取良好的持力层，整体经济性不佳。

2）打入式预制桩，主要包含两种类型，即预制方桩、预应力管桩，前者自身强度较大，施工速度快，但钢筋使用量耗损较大，成本较高；后者穿透力较强，承载力较高，经济性优良。

3）灌注桩施工机械简单，施工无振动、无噪声，在实际项目中使用频繁。

4）桩间距作为桩基设计核心参数之一，桩间距确定与桩承载力发挥密切相关，决定桩基施工难易程度。选取桩间距之前，应明确桩基为摩擦桩或是端承桩，摩擦桩对桩侧土体造成严重影响，若设计间距过小，桩间土会随桩发生沉降，所以为增强桩基承载力，建议适当将桩间距增加；端承桩自身承载力源于桩端，对周围土体造成较小，可忽略不计，所以可选取较小的间距。桩间距确定过程中，应综合性考量成桩过程中，会产生挤土效应，软土挤土效应大的桩基，若其间距设计过小，后续施工桩对之前施工桩造成干扰，如倾斜、上移等，其最小中心距应满足相关要求，一般需超过3.5d。

2.2   桩长和桩径选择

（1）桩长选择

与桩端持力层选择和进入持力层深度密切相关，桩端持力层作为影响桩基承载力核心因素，约束桩端阻力、侧阻力发挥，所以应选取硬度较大的持力层。同时，应保证桩端进入持力层实际深度，进而发挥自身承载力，桩端进入持力层具有临界值，其达到特定深度之后，阻力符合规定，将该深度称为临界深度。若桩端进入持力层深度较小，导致桩端剪切破坏，桩端阻力减少。临界深度大小取决于土性质，不同土临界深度存在较大差异性，砂与碎石类性为3~10?d，粉土、粘性土为2~6?d。明确桩端进入持力层深度时，应考量持力层厚度和卧层状况，若其下方存在软弱卧层，应严格以等代实体基础计算其实际强度及形变。桩长选择与桩基础设计经济性密切相关，保证建筑结构可靠性基础因素。

（2）桩径选择

桩径选择取决于承载力大小、地质条件及桩长度等，针对摩擦型桩而言，桩径较小长度越长，最终承载力效率较高；端承桩桩径确定，应从经济方面予以考量。从设计、施工角度考量，土质状况存在差异性，桩径大小不尽相同，利用端部岩层时，建议选取直径较大桩。地质条件具有一定复杂性，应明确不良地质对成桩产生的不利影响，最终确定桩身直径。

2.3   单桩竖向承载力

桩基初期设计过程中，单桩竖向承载力核心参考基准为承载力与地基土物理指标相关性，最终估算单桩竖向承载力。然而，桩估算数值与实际值差异性较大，根据相关规程应开展试验桩进行验证，以此为基础进行调整。施工图设计过程中，会选取静载荷试验产生桩承载力等参数确定，该方式适用于设计要求较高，且地质条件十分的复杂桩基设计中。由于部分桩基设计时间紧，会以地质报告数据为基础，开展单桩承载力测试，以其作为基础开展设计施工，科学性难以保证。根据调研实践数据表明，选取高应变动测法测试，可大幅度降低承载力误差，同时此种方式经济性优良，测试数量较多。因此，桩基础设计过程中，应依照试桩实际承载力开展设计，保证设计科学性及合理性，实现建筑结构可靠性。

2.4   桩水平承载力验算

对桩基水平承载力进行验算，能保证其具有良好抗震性能。我国相关规范中明确要求，桩基应开展抗震验算范围，桩基水平承载力验算桩身、桩基水平承载力。桩身水平承载力，一般属于大直径灌注桩均可满足相关要求，预制桩应严格依照相关规范确定数值。影响桩基水平承载力因素较多，如桩身截面尺寸、混凝土强度、承台侧面图土、有无地下室等，若土质为淤泥应对其及时处理，同时应保证回填土质量满足要求，保证桩基水平承载力达标。

2.5   桩偏差处理和控制

桩基设计施工过程中，要以桩偏差处理控制作为核心工作，尤其针对条形桩和承台桩控制，减少桩基设计存在的隐患。桩顶标高超出初期设计数值，应进行劈桩，尤其是预应力管桩等空心桩建设，桩顶存在桩帽开展劈桩经济性、开展难度较大；桩顶标高不足初期设计数值，应进行补桩。该过程中应严控回降量，要求设计人员设计中综合性考量施工存在误差，一般保证其偏差处于2?mm为宜。

3   完善桩基础设计主要策略及建议

3.1   科学应用数学函数有限元法

有限元法科学合理划分集合内元素，并将其作为基础计算相关函数和近似方程，其吻合不同桩基设计要求，同时可短时间内更便捷地获取桩体几个拓扑信息，在桩基承载力计算方面发挥重要价值。与传统桩体强度计算方法相较，有限元计算方法可直观反映现场施工条件，原有计算方法中未考量桩基和土体间作用下，简化计算流程，此类计算方法最终结果精准性难以保证。因此，选取有限元设计方式，可充分考量桩基与土体形成的作用下，更接近实际状况，应用专业软件构建模型，获取完整、可靠度较高的数据，不断调整优化桩体性能。

3.2   提高桩土符合计算精准性

桩基设计过程中不仅需考量单根桩体承载力，而且应综合性考量其构成整体是否满足建筑要求，应用有限元法可掌握单根桩性能参数。为保证建筑结构整体性，需综合性考量桩体群落承载力，保证桩基可承受较大载荷，将其形变控制在合理范围内。因此，桩体群落分析中可选取复合计算模式，基于有限元单根桩体，选取连续性计算方式保证桩土复合质量。计算过程中桩基自身沉降实际成效难以满足承载力需求，核心原因在于设计中桩基施工和承载力关系未明确，所以保证沉降量得以控制，需将桩基础轴线桩土布置为性质相同材料，对群桩载沉降展开进行分析。

4   项目设计案例分析

某多层建筑框架柱界面为400×800?mm，承载上部建筑结构实际载荷，其初期传输载荷设计值为轴力、弯矩以及剪力，数值分别为2800?kN·m、420?kN·m、50?kN·m。对建筑结构施工现场进行勘察，其地基土层分别为人工填土、粘土、淤泥质粘土、厚粉土,实际厚度分别为0.8m、1.5?m、9.0?m、6?m。结合初期勘察资料获知，地基表层填土和1.5?m后的粘土以下为软黏土，其整体厚度高大9?m，对其进行分析表明，柱载荷作用下自然地基无法满足相关要求，选取桩基础，结合地质条件将粉土层作为持力层。该项目勘察深度范围内并无较佳持力层，最终选取摩擦型桩，选择钢筋混凝土预制桩，桩承台埋设地下深度为1.2?m，桩进入持力层内2d，伸入承台100?mm，桩长度为10.9?m。单桩实际承载力根据相关规程计算，最终获取数值为679?kN,桩基竖向承载力设计数值确认，由于其数量超过3根非端承桩复合桩基，应综合性良好桩群效应，最终取数值为339.5kN。由于承台下方存在一定的淤泥粘土，所以不考量承台效应，由于桩数量、间距等处于未知，应将其明确之后方可验算承载力设计值是否满足相关要求。先未考量承台实际质量，初步明确桩数量，最终建议其数量取8，结合相关设计规程，摩擦型桩中心矩与桩身直径之比应超过3:1,以及考量需越过软土，最终桩距取350?mm。

5   结束语

桩基础设计合理性及科学性，关乎建筑结构稳定性及可靠性，需对其加以关注。桩基础设计过程中，应掌握设计各要点，并严格依照相关要求做好取值及试验，综合性考量现场地质条件，保证设计与后续施工吻合性，确保桩基设计合理性及可靠性，为建筑施工安全性及质量保证予以支撑。