房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的基礎(chǔ)設(shè)計

程勇

（貴陽市建筑設(shè)計院有限公司，貴州 貴陽 550004）

0 引言

在房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，基礎(chǔ)設(shè)計為重要組成部分，不僅要求承受建筑使用和施工產(chǎn)生的各種作用，同時需滿足耐久性、承壓性、整體穩(wěn)固性等各種要求，以免建筑因偶發(fā)事故出現(xiàn)結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌問題，給人們的生命財產(chǎn)安全帶來威脅。因此應(yīng)加強(qiáng)建筑結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)設(shè)計研究，保證基礎(chǔ)設(shè)計質(zhì)量，從而使建筑整體的可靠性、安全性得到提升。

1 影響房屋建筑基礎(chǔ)設(shè)計的因素

在房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計活動中，基礎(chǔ)設(shè)計效果首先將受到地質(zhì)條件影響。如受土質(zhì)特點(diǎn)影響，不同土層的物理特性不同，能否合理選擇持力層將直接影響基礎(chǔ)穩(wěn)定性。選用不同的基礎(chǔ)形式，對持力層也提出了不同要求，還要結(jié)合實(shí)際需求展開分析。除了受地層分布影響，地下水分布也將給基礎(chǔ)施工穿越能力和承載力帶來影響。其次，基礎(chǔ)設(shè)計應(yīng)保證后續(xù)結(jié)構(gòu)施工順利進(jìn)行，因此應(yīng)考慮施工條件帶來的影響。一方面，基礎(chǔ)施工將受到環(huán)境溫度影響，如選用混凝土基礎(chǔ)在低溫條件下施工容易發(fā)生混凝土凍脹，導(dǎo)致基礎(chǔ)承載力下降，甚至引發(fā)安全事故。另一方面基礎(chǔ)設(shè)計需要考慮人為環(huán)境因素影響，如樁基施工將對土體產(chǎn)生擠壓作用，因此應(yīng)確?；A(chǔ)設(shè)計不會給周圍建筑、管線等帶來不利影響。最后，基礎(chǔ)設(shè)計應(yīng)考慮上部結(jié)構(gòu)作用，如上部結(jié)構(gòu)高度、厚度等存在差異，導(dǎo)致不同位置荷載存在明顯差異，將引發(fā)地基不均勻沉降，在基礎(chǔ)設(shè)計上則要求達(dá)到較高穩(wěn)定性和抗變形等能力要求[1]。

2 房屋建筑結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)設(shè)計方法分析

2.1 獨(dú)立基礎(chǔ)

在農(nóng)村、城市近郊等地區(qū)的自住房建設(shè)中，多采用獨(dú)立基礎(chǔ)，如圖1 所示，結(jié)構(gòu)設(shè)計難度較低。根據(jù)土壤條件，可以對基礎(chǔ)設(shè)計方案進(jìn)行調(diào)整，如在地質(zhì)條件好的地區(qū)，由于土質(zhì)承載力較高，擁有較大密實(shí)度，多使用剛性基礎(chǔ)。而在含水量大、土質(zhì)軟的地區(qū)，則采用柔性基礎(chǔ)，有效應(yīng)對地基不均勻沉降問題。從獨(dú)立基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)類型來看，劃分為杯形、階形、坡形等類型，使用方式劃分為柱下和墻下基礎(chǔ)。采用柱下基礎(chǔ)，需在承重柱下方進(jìn)行基礎(chǔ)布置，而在地基承載力較大、上部荷載小的墻下條件下，可在墻下布置條形基礎(chǔ)[2]。

圖1 獨(dú)立基礎(chǔ)

2.2 樁基礎(chǔ)

采用樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，可以獲得更強(qiáng)的結(jié)構(gòu)承載力，有效支撐上層結(jié)構(gòu)。作為動靜結(jié)合的深基礎(chǔ)，樁基可以穿越軟土層，將上部結(jié)構(gòu)荷載轉(zhuǎn)移至堅硬土層，避免地基出現(xiàn)不均勻沉降問題。在高層建筑中，多采用樁基礎(chǔ)設(shè)計方案。為避免地基穩(wěn)定性受地質(zhì)條件影響，將采取增加樁基埋深、擴(kuò)大樁徑等措施，保證樁基承載力足夠。從樁基礎(chǔ)設(shè)計方式來看，當(dāng)持力層選用巖石時目前多采用嵌巖樁，樁體下段為在巖體內(nèi)澆注的灌注樁，樁端嵌入部分被稱之為嵌巖段，一般情況嵌巖深度需大于等于500mm，具有單樁承載力高、變形小等優(yōu)勢。在高層建筑建設(shè)過程中，由于上部結(jié)構(gòu)向基礎(chǔ)傳導(dǎo)的載荷較高，需要將穩(wěn)定的微風(fēng)化巖層或中風(fēng)化巖當(dāng)成是持力層，將上部荷載傳遞至嵌巖樁上，繼而依靠巖層提供向上的承載力。在樁嵌入1m 或1 倍樁徑的情況下，樁側(cè)和周邊巖土也可計入摩阻力，可以提高其承載力。因此從承載力組成上來看，包含樁端阻力、土層側(cè)阻力、嵌巖段側(cè)阻力，三者之和能夠滿足上層結(jié)構(gòu)提出的承載力要求[3]。隨著嵌巖深度的增加，樁端阻力也將有所增加。從施工方式上來看，嵌巖樁又可以劃分為人工挖孔和機(jī)械成孔兩類，前者適用于基巖埋深淺、底層穩(wěn)定、動水壓力弱等情況，采用人工挖孔方式對樁端進(jìn)行擴(kuò)底，能夠達(dá)到提高結(jié)構(gòu)承載力的作用。遭遇硬土層，無法進(jìn)行人工挖孔，則也采用機(jī)械成孔方式，利用鉆孔、沖孔、旋挖等方式作業(yè)，可以采用不同機(jī)具組合挖孔，能夠提高樁入巖效率。實(shí)際采用嵌巖樁，應(yīng)在設(shè)計階段做好樁身大小、樁長等各方面數(shù)據(jù)分析，以便完成樁承載力驗(yàn)算，保證基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性達(dá)到實(shí)際施工要求。在地下空間開發(fā)方面，樁基礎(chǔ)運(yùn)用廣泛，能夠向地下延伸，使上層結(jié)構(gòu)受到風(fēng)阻被抵消，增強(qiáng)建筑抗震性。在設(shè)計實(shí)踐中，應(yīng)加強(qiáng)土層條件分析，根據(jù)各項物理性能指標(biāo)做好場地劃分，做好樁基、承臺等材料選型。根據(jù)土地承載力，合理確定樁數(shù)量和位置，并加強(qiáng)樁分布間距計算，可以在滿足承載力要求的同時，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)施工經(jīng)濟(jì)性。

3 房屋建筑結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)設(shè)計實(shí)踐探討

3.1 工程概況

某房屋建筑屬于高層住宅和商業(yè)用房，共11 幢，總面積約8 萬m2。3 棟主塔樓高度達(dá)到115m，周圍裙房未設(shè)縫，構(gòu)成多塔大底盤結(jié)構(gòu)。建筑主體采用鋼筋混凝土剪力墻和框架結(jié)構(gòu)，地下建有停車庫、地下室和設(shè)備房，結(jié)構(gòu)安全等級達(dá)到二級，抗震設(shè)防烈度為Ⅶ度。

3.2 基礎(chǔ)選型

在基礎(chǔ)設(shè)計階段，通過前期勘查可知工程所在場地為巖溶強(qiáng)發(fā)育地帶，溶洞發(fā)育規(guī)律差，橫向上成群、成線分布，豎向上呈珠串狀發(fā)育，部分溶洞連通。從地層條件來看，從上到下依次分布人工回填土、第四系沖洪積層、中風(fēng)化白云巖?；靥钔梁穸炔痪?，以砂土為主，回填時間不超1 年，尚未實(shí)現(xiàn)自重固結(jié)，容易引發(fā)地面不均勻沉降問題，導(dǎo)致樁基承受負(fù)摩阻力。沖洪積層主要為砂土、卵石，顆粒粗大，層理不明顯，透水性較強(qiáng)，穩(wěn)定性較差。中風(fēng)化白云巖節(jié)理較發(fā)育，含有砂屑泥晶白云巖，芯部位短柱狀或塊狀，局部發(fā)生溶蝕現(xiàn)象。通過綜合分析，將白云巖當(dāng)成是持力層，可知其容重達(dá)到27kN/m3，承載力特征值為4000kN，極限側(cè)阻力為1200kPa，端阻力達(dá)到8000kPa。在基礎(chǔ)設(shè)計方面，鉆孔揭示溶洞高度在0.4~5.7m 范圍內(nèi)，地質(zhì)剖面圖如圖2所示，頂部標(biāo)高達(dá)到-17.1~12.8m，可見溶洞率達(dá)到24%，屬于中等發(fā)育場地，不存在土洞。

圖2 工程地質(zhì)剖面圖

按照上述思路從施工方式出發(fā)，首先可以提出方案一，即采用機(jī)械成孔嵌巖樁，持力層選用中風(fēng)化白云巖。在穿越溶洞時，考慮到上部結(jié)構(gòu)對單樁承載力特征值提出了較高要求，還要采用機(jī)械成孔嵌巖樁克服復(fù)雜地質(zhì)條件帶來的影響，保證樁順利入巖。方案二，則將工程基礎(chǔ)設(shè)計為人工挖孔嵌巖樁，可以擴(kuò)底。針對地質(zhì)勘察確認(rèn)樁基持力層巖面埋藏較淺的區(qū)域，確認(rèn)孔樁深度不超過15m，同時不存在串珠狀溶洞，可以采用該種成樁方式。通過做好成孔質(zhì)量檢查，先確認(rèn)地質(zhì)變化情況，能夠確?；炷翝沧①|(zhì)量和沉渣的檢查，施工時先進(jìn)行機(jī)械施工，填芯后再進(jìn)行人工挖孔。經(jīng)過經(jīng)濟(jì)性、可操作性和質(zhì)量控制性比較，業(yè)主選用了兩者相結(jié)合的方式。因人工挖孔的質(zhì)量較機(jī)械成孔更容易得到保證，同時在后期施工時對溶洞地區(qū)還可以進(jìn)行補(bǔ)勘，經(jīng)濟(jì)性和所需場地操作性較機(jī)械成孔好，因此在有些地區(qū)還是能得到施工單位常選用，但要注意有些地區(qū)受政策影響不可采用。

3.3 基礎(chǔ)設(shè)計

完成基礎(chǔ)選型后，結(jié)合工程條件確認(rèn)樁徑在1400~2000mm 之間，嵌入基巖深度達(dá)到1m。按照國標(biāo)和地標(biāo)《建筑樁基礎(chǔ)技術(shù)規(guī)范》規(guī)范，可知嵌巖樁單樁承載力可以利用式（1）計算：

式中：Quk——單樁樁端極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值；u——樁身周長；qsik——樁周土極限側(cè)阻值；qpk——樁周土極限端阻值；li——樁周所在土層厚；Apl——樁面積。通過計算分析可知，單樁承載力特征值在8792~16328kN 之間。設(shè)計時要求樁底持力層厚度應(yīng)達(dá)到樁徑3 倍且不小于5m 要求。為確保各基樁能夠協(xié)同發(fā)揮支撐作用，按照樁筏進(jìn)行布置，通過沖切和抗剪計算最后確定筏板厚度為1.8m。樁基平面布置如圖3 所示。

圖3 樁基平面布置

在基礎(chǔ)設(shè)計實(shí)踐中，為確保嵌巖樁能夠可靠嵌入基巖面中，還應(yīng)認(rèn)識到巖層表面存在較大起伏，可能存在溶槽、溝槽等結(jié)構(gòu)，一旦樁端落在斜面或隆起位置將引發(fā)滑樁問題。為確保樁端應(yīng)力范圍內(nèi)不存在臨空面，需要通過詳細(xì)勘探確定每根樁的持力層位置和深度，保證樁基礎(chǔ)設(shè)計的可靠性。按照技術(shù)規(guī)范可知，針對大直徑嵌巖樁需要采用一樁多孔方式對持力層性狀進(jìn)行確認(rèn)。在樁徑不超1m 時，可以布置1 個鉆孔，而樁徑在1m 和 1.2m 之間則布置 2 個鉆孔，在 1.2m 和 1.6m 之間布置3 個鉆孔，超出1.6m 布置至少4 個鉆孔?？紤]到工程溶洞發(fā)育無明顯規(guī)律，各鉆孔勘察得到的巖面標(biāo)高可能存在較大差值，需要在距離樁中心0.25d（d 為樁徑）的位置布置1 個鉆孔，對持力層的鉆探深度達(dá)到至少4d 且不小于8m。在掌握溶洞發(fā)育情況和巖面等高線等參數(shù)的基礎(chǔ)上，可以進(jìn)行第二階段布孔，確保鉆孔數(shù)量和深度等達(dá)到要求。通過超前鉆探可以發(fā)現(xiàn)，主體建筑所在位置洞隙率變化較大，巖面起伏較大，將最低穩(wěn)定基巖當(dāng)成是樁端持力層，針對直徑不超2m 樁需獲得最少2 孔超前鉆數(shù)據(jù)，直徑達(dá)到2m 及以上則需要布置3 孔。遭遇因溶洞導(dǎo)致相鄰樁底高差過大的情況，如圖4 所示，需要使溶洞范圍樁進(jìn)入持力層深從洞底開始算起，確認(rèn)標(biāo)高較高的樁入巖起點(diǎn)與相鄰樁入巖面夾角至少達(dá)到45°，同時樁底至少達(dá)到3d 且至少5m，保證基巖內(nèi)不存在臨空面[4]。遭遇陡坡面，需要將應(yīng)力擴(kuò)散角設(shè)在30°~40°之間。遇到鷹嘴巖，應(yīng)確認(rèn)樁端穿越巖層，直至落于穩(wěn)定基巖面。結(jié)合實(shí)際情況確定樁長，能夠確保各單樁提供足夠承載力，避免因溶洞分布因素給工程帶來安全隱患，使工程建設(shè)質(zhì)量得到保證。

圖4 相鄰樁底高差大情況下穩(wěn)定基巖面的判定

4 結(jié)語

在房屋建筑結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)設(shè)計中，需要結(jié)合地質(zhì)條件、施工條件和上部結(jié)構(gòu)壓力等各方面因素合理進(jìn)行基礎(chǔ)選型。而掌握獨(dú)立基礎(chǔ)、樁基礎(chǔ)等各種基礎(chǔ)的特點(diǎn)和適用條件，能夠在設(shè)計實(shí)踐中合理制定基礎(chǔ)設(shè)計方案。在方案選定和基礎(chǔ)設(shè)計過程中，需要進(jìn)一步驗(yàn)證基礎(chǔ)承載力足夠，保證每根嵌巖樁嵌入持力層的深度合理。所以在基礎(chǔ)設(shè)計時應(yīng)做到貫徹執(zhí)行國家技術(shù)經(jīng)濟(jì)政策，結(jié)合地方特點(diǎn)，做到安全適用、技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理、確保質(zhì)量。