房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中基礎(chǔ)選型研究

劉華昌

（廣州市花都建筑設(shè)計院有限公司，廣東廣州 510800）

0 引言

房屋建筑的重力作用最終會通過基礎(chǔ)傳導(dǎo)至地基處，穩(wěn)定合理的地基是保證房屋建筑安全的基本需求。對于房屋建筑的上部結(jié)構(gòu)而言，基礎(chǔ)屬于隱蔽工程，而且占建筑整體造價的15%以上。從該角度分析，房屋建筑基礎(chǔ)是工程設(shè)計中的重要組成部分。相關(guān)人員在房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)當(dāng)從承載性、經(jīng)濟性等方面進行綜合考量，在滿足相關(guān)規(guī)范要求的基礎(chǔ)上盡可能降低工程造價。為提高房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計中基礎(chǔ)選型的合理性，明確基礎(chǔ)類型是十分必要的工作，下文便對房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中具有一定代表性的基礎(chǔ)類型進行簡要說明。

1 房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中基礎(chǔ)類型

從開挖深度的角度分析，房屋建筑基礎(chǔ)可分為淺基礎(chǔ)與深基礎(chǔ)。

1.1 淺基礎(chǔ)

淺基礎(chǔ)指的是埋深在5m 以內(nèi)或埋深小于寬度的基礎(chǔ)，此設(shè)計僅需要進行排水、挖槽等難度較低的施工便可進行基礎(chǔ)的建造。此種類型的基礎(chǔ)種類較多，本文便挑選出具有一定代表性的基礎(chǔ)形式進行簡要說明。

（1）條形基礎(chǔ)。條形基礎(chǔ)指的是沿著房屋建筑墻的走向進行擴展的基礎(chǔ)，此技術(shù)能夠直接將墻體的重力荷載分散并傳導(dǎo)至地基。從材料的角度分析，可將此種基礎(chǔ)類型分為剛性條形基礎(chǔ)以及鋼筋混凝土條形地基，其整體施工難度較低、經(jīng)濟性較強。

（2）獨立基礎(chǔ)。獨立基礎(chǔ)通常用于房屋建筑工程中的柱下，將柱自身的重力荷載與上部荷載傳導(dǎo)至地基中。從斷面形式角度進行分析，可將獨立基礎(chǔ)分為錐形、杯形以及踏步形。此種基礎(chǔ)類型多采用鋼筋混凝土形式，傳力路徑較為明確，設(shè)計難度較小，經(jīng)濟性較高。

（3）交叉基礎(chǔ)。當(dāng)現(xiàn)場實際情況無法采用條形基礎(chǔ)與獨立基礎(chǔ)時通常會將交叉基礎(chǔ)作為備選方案。交叉基礎(chǔ)的交叉形式為十字交叉，空間剛度較大，但由于其具有一定施工難度，而且經(jīng)濟性較差，在實際工程中并不常見。

（4）筏板基礎(chǔ)。當(dāng)?shù)鼗休d力無法達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，而且現(xiàn)場土質(zhì)不均勻以及上部荷載較大時便需要采用筏板基礎(chǔ)。此種基礎(chǔ)類型也可在地下室底板結(jié)構(gòu)中應(yīng)用，其整體施工難度較低，具有一定經(jīng)濟性，因此，其在實際建筑工程中的應(yīng)用較為頻繁。筏板基礎(chǔ)的具體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 筏板基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)

（5）箱型基礎(chǔ)。箱型基礎(chǔ)是將混凝土作為底板、頂板，并與若干縱橫墻共同構(gòu)成的中空箱體結(jié)構(gòu)。此種基礎(chǔ)類型是利用底板、頂板以及縱橫墻共同作用承受上部的重力荷載。此種結(jié)構(gòu)類型的空間剛度較大，通常適用于高層建筑或軟土地基中。當(dāng)箱型基礎(chǔ)中空部分空間較大時可將其作為地下室使用。

1.2 深基礎(chǔ)

深基礎(chǔ)指的是埋深較大以及將下部堅實土層或者巖石層作為持力層的基礎(chǔ)類型，及作用是將上部荷載較為集中的傳導(dǎo)至地基深處，深基礎(chǔ)與淺地基有所區(qū)別的是將所承受的荷載進行集中傳導(dǎo)[1]。其中具有一定代表性的便是樁基礎(chǔ)、地下連續(xù)墻，具體分析如下。

1.2.1 樁基礎(chǔ)

在樁基礎(chǔ)形式中較為常用的是灌注樁以及預(yù)應(yīng)力混凝土管樁。

（1）灌注樁。灌注樁是通過機械鉆孔、鋼管擠土或人力挖掘等手段在地基土中形成樁孔，并在其內(nèi)放置鋼筋籠、灌注混凝土而做成的樁。從成孔方法的角度可分為鉆孔灌注樁、沉管灌注樁、人工挖孔灌注樁、爆擴灌注樁。鉆孔灌注樁指的是通過機械設(shè)備進行鉆孔，人工挖孔則是通過人力挖掘手段成孔，沉管灌注樁指的是利用和樁的設(shè)計尺寸相適應(yīng)的鋼管（即套管），在端部套上樁尖后沉入土中后振動、錘擊進行成孔。爆擴灌注樁指的是用爆破方法將孔底端部擴大，再就地澆灌混凝土，此方法所形成的灌注樁長度較短。

（2）預(yù)應(yīng)力混凝土管樁。預(yù)應(yīng)力混凝土管樁可分為先張法預(yù)應(yīng)力管樁與后張法預(yù)應(yīng)力管樁，可利用先張法和后張法制作混凝土預(yù)制構(gòu)件。先張法預(yù)應(yīng)力管樁指的是按照設(shè)計要求將鋼筋張拉到控制應(yīng)力，使用錨具固定后再進行混凝土澆筑，當(dāng)混凝土達(dá)到75%強度后放松鋼筋，形成管樁后放入樁位。后張法預(yù)應(yīng)力管樁指的是先進行混凝土澆筑，當(dāng)強度達(dá)到75%后再進行預(yù)應(yīng)力張拉，形成管樁預(yù)制構(gòu)件。預(yù)應(yīng)力管樁的單樁承載力較高，所以適用范圍較廣，可運用在工業(yè)、民用等建筑中。

1.2.2 地下連續(xù)墻

地下連續(xù)墻施工工藝如下。采用挖槽機械沿著周邊軸線，在護壁的保護下開挖一條狹長的深槽，進行清理后放置鋼筋籠，再使用導(dǎo)管法進行灌注形成單元槽段，并逐段進行灌注，直到在地下形成連續(xù)鋼筋混凝土墻壁，可將此種結(jié)構(gòu)作為房屋建筑防滲、承重、擋土的結(jié)構(gòu)。此種基礎(chǔ)類型施工難度較小，但工程量較大，而且經(jīng)濟性較差，所以無法應(yīng)用在對工程造價有較高要求的房屋建筑工程中[2]。

2 房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中進行基礎(chǔ)選型的具體方法

基礎(chǔ)選型是房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的重要工作，基礎(chǔ)選型是否合理將會直接影響到房屋建筑的安全性與穩(wěn)定性。本文以廣東省某高層建筑工程為例探討基礎(chǔ)選型的具體方法。

2.1 工程地質(zhì)概況

本文所選案例工程為廣東省某高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計部分。該高層建筑工程可分為辦公樓與住宅樓兩個部分。辦公樓部分地下1 層，地上15 層，住宅部分地下1 層，地上16 層，均為框架結(jié)構(gòu)。

基礎(chǔ)選型的前提是明確工程所在區(qū)域的地質(zhì)情況，本文案例工程所在區(qū)域的地質(zhì)情況較為復(fù)雜，結(jié)合原位測試與野外鉆探結(jié)果，顯示該工程施工區(qū)域120m 深度范圍主要存在13 種不同的土質(zhì)類型，具體如表1 所示。

表1 120m 深度地質(zhì)概況

2.2 方案對比

首先，考慮經(jīng)濟性最強的天然基礎(chǔ)方案，由于天然基礎(chǔ)類型不需要進行人工處理，在自然狀態(tài)下的地質(zhì)條件便可完全滿足荷載要求，其原理較為簡單，而且并不屬于淺基礎(chǔ)與深基礎(chǔ)，所以上文未對此種類型進行說明。但實際房屋建筑工程中，天然基礎(chǔ)是需要優(yōu)先進行考慮的，此種基礎(chǔ)類型能夠最大限度降低工程造價。根據(jù)本文案例工程的實際土地條件可知雜填土層最大深度達(dá)到2.9m，若將天然基礎(chǔ)類型作為基礎(chǔ)方案，便需要對雜填土層進行開挖，開挖深度必須在2.9m 以上，但在該工程的西側(cè)存在6m 高的擋土墻，若采用此方案便需要設(shè)置擋土樁。該工程西側(cè)長度為45m，若設(shè)置擋土樁則最少需要設(shè)置40 根，按照現(xiàn)行定額進行估算，每根擋土樁需要接近1 萬元的成本，共計40 萬元用于擋土樁的建設(shè)，而且施工時間較長。所以此種方案不論是從經(jīng)濟角度出發(fā)還是從工期角度出發(fā)均為不可行[3]。

其次，考慮淺基礎(chǔ)方案。由于本工程為高層建筑，內(nèi)部柱距較大，而且功能較為復(fù)雜，部分單柱軸力甚至達(dá)到10000kN，若采用淺基礎(chǔ)方案難以滿足上部基礎(chǔ)承載方面的需求。由于圓礫層的存在，無法將上部荷載力分散傳導(dǎo)至地基中的持力層，所以淺基礎(chǔ)方案對于此工程并不合適。

最后，考慮深基礎(chǔ)方案。地下連續(xù)墻工程量較大，所需工期較長，本工程無法使用所以放棄。若采用樁基礎(chǔ)方案便需要著重分析不同成孔類型。①夯擴沉管灌注樁方案。此方案基礎(chǔ)單價較低，施工周期較短，較為適宜本文案例工程。但由于圓礫層的存在，鉆進難度較高，難以穿透此層。②人工成孔灌注樁基礎(chǔ)。本文工程單柱軸力較大，適合采用此種方案。但由于建筑自重較大，需要對承載力進行核算。將圓礫層作為持力層，為提高樁基礎(chǔ)的荷載力，需要增加樁基礎(chǔ)的直徑，但本工程中圓礫層附近存在中粗砂與粉質(zhì)黏土，擴大樁體直徑難度較高[4]。

2.3 驗算

由上述分析中可知，天然基礎(chǔ)需要額外設(shè)置擋土墻，經(jīng)濟性較差；淺基礎(chǔ)方案受圓礫層影響無法將荷載力傳導(dǎo)至地基；深基礎(chǔ)方案中的地下連續(xù)墻工程量較大、工期較長。而樁基礎(chǔ)施工難度較小，而且承載力較強，不受圓礫層影響，其結(jié)構(gòu)簡單，具有較高的經(jīng)濟性，所以樁基礎(chǔ)為本工程適宜基礎(chǔ)類型。為確保能夠承受上部荷載便需要對單樁承載力進行核算，并確定樁體長度。根據(jù)《建筑樁基礎(chǔ)技術(shù)規(guī)范》（簡稱《規(guī)范》）地基土樁的側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值（qsik），與極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值（qpk）的值在不同土層中的取值不同。在⑥號地質(zhì)條件中，qsik 的取值為100kPa 及qpk 的取值為2600kPa，⑦地質(zhì)條件中的取值分別為95kPa、1800kPa，⑧地質(zhì)條件中的取值為160kPa、3500kPa，其他地質(zhì)條件下取值見《規(guī)范》。根據(jù)《規(guī)范》中計算垂直方向單樁極限承載力，如式（1）所示。

結(jié)合經(jīng)濟性與承載力角度得出樁體長度可選擇38m 與42m，不同樁徑的相關(guān)參數(shù)如表2 所示。從表2 中數(shù)據(jù)可知38m 與42m 樁長的所有承載力值均在10000kN以上，可滿足實際上部荷載需求。雖然其他長度的樁長也可滿足需求，但考慮到經(jīng)濟性以及安全性，本工程選擇樁長為38m 的樁基礎(chǔ)。針對圓礫層鉆進難度較大，樁體直徑擴大難度較大的問題，本工程采用洛陽鏟引孔以及越過圓礫層進行擴底的方法解決問題[5]。

表2 不同樁徑的相關(guān)參數(shù)

3 結(jié)語

綜上所述，房屋建筑基礎(chǔ)選型是結(jié)構(gòu)設(shè)計中的重要工作，本文首先對不同基礎(chǔ)類型進行了分析，又依托于廣東省某高層建筑實際工程，分析了基礎(chǔ)選型的具體方法，相關(guān)人員可參考上述方法以增加房屋建筑基礎(chǔ)選型的合理性。