王昱舒 魏永輝

(1.山西焦煤集團(tuán)有限公司,山西 太原 030024； 2.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京 100083)

0 引言

在現(xiàn)階段，隨著國內(nèi)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，居民對住房的需求也與日俱增，特別是高層建筑更是層出不窮，這也促進(jìn)了建筑行業(yè)的飛速發(fā)展。地基基礎(chǔ)是建筑物連接的一個紐帶，它作為整個工程的基礎(chǔ)承受著建筑物的豎向荷載，同時基礎(chǔ)的造價也較為昂貴。因此，地基基礎(chǔ)作為建筑物不可或缺的部分，安全合理的設(shè)計就顯得尤為重要了。

1 工程概況

本工程為20層混凝土框架結(jié)構(gòu)，長36 m，寬15 m。室外地坪標(biāo)高同自然地面為-0.45 m，室內(nèi)外高差450 mm。結(jié)合工程概況及上部結(jié)構(gòu)荷載，經(jīng)過計算可得上部結(jié)構(gòu)作用在柱底的荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合值為Fk=5 760 kN,Mk=475 kN·m,Vk=281 kN,荷載效應(yīng)基本組合值為F=7 450 kN,M=580 kN·m,V=358 kN。

場地水文地質(zhì)條件一般，地下水位埋深為2.5 m，地下水類型主要為2層：第1層地下水類型為上層滯水，主要賦存于①層填土中；第2層地下水類型為孔隙水，主要賦存于③層粉質(zhì)粘土夾粉土、④層粉質(zhì)粘土中。巖土設(shè)計參數(shù)如表1所示。

表1 巖土物理力學(xué)參數(shù)表

2 基礎(chǔ)方案比選

由于本工程為20層混凝土框架結(jié)構(gòu)，對地基承載力和變形的需求較高，此刻需要對深基礎(chǔ)方案加以考慮。深基礎(chǔ)埋深較大，以下部堅實土層或巖層為持力層，把所承受的荷載相對集中地傳遞到地基的深層。針對深基礎(chǔ)而言，它不但含有樁基礎(chǔ)，也含有沉井、地下連續(xù)墻等相應(yīng)的類型，其中使用最廣泛的是樁基礎(chǔ)。

樁型種類伴隨著樁基施工技術(shù)的日益發(fā)展而隨之增加，且技術(shù)和工藝越來越趨于成熟。針對具體施工工程來分析，所選用的樁型并非只有一種，在設(shè)計的過程中還需要對樁的使用功能、結(jié)構(gòu)荷載性質(zhì)以及地質(zhì)環(huán)境加以考慮，甚至有時候也需要綜合考慮到制樁材料供應(yīng)條件和施工隊伍水平等，由此才能將經(jīng)濟(jì)合理且安全適用的樁型和成樁工藝確定出來。

2.1 結(jié)構(gòu)荷載條件

在對樁型進(jìn)行選擇的時候需要對荷載的大小加以考慮。通常而言，建筑物所需要的單樁承載力會因為建筑物樓層的增加而增高，這一點是通過建筑物基礎(chǔ)下布樁數(shù)量的限制規(guī)定所明確的。針對預(yù)制小方樁、沉管灌注樁，所提供的單樁承載力較小是因為受樁身穿越硬土層能力和機(jī)具施工能力的限定，所以該方法多用于面積小而層數(shù)多的建筑物，而較大的豎向、側(cè)向單樁承載力能由大直徑鉆孔灌注樁提供，能夠滿足于超高層建筑物施工標(biāo)準(zhǔn)。由于該建筑為高層住宅且上部結(jié)構(gòu)作用在柱底的荷載值較大，采用鉆孔灌注樁較為適合。

2.2 地質(zhì)環(huán)境條件

在選擇樁型時，要求能夠在該地質(zhì)條件下施工，并能確保工程質(zhì)量。針對基巖或者密實卵礫石層埋藏相對過淺的狀況，樁的端承作用需要首先考慮到位，采用擴(kuò)底樁。如地下水位較深或覆蓋層滲透系數(shù)很低，可采用大直徑挖孔擴(kuò)底樁；如需采用鉆孔灌注樁，可進(jìn)而采用后壓漿工藝。如果此時基巖埋藏相對較深，摩擦樁或者摩擦端承樁應(yīng)當(dāng)加以考慮，但若建筑物的上部結(jié)構(gòu)規(guī)定不能讓過大的沉降產(chǎn)生，就需要利用樁端支承于具備著充足厚度而且具備著良好性能的持力層。該施工場地基巖位置較深，且持力層為粉質(zhì)粘土，同時地下水位較淺，則可選用摩擦端承型灌注樁。

2.3 經(jīng)濟(jì)條件

技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)是判定最后選定樁型的重要前提條件之一。針對技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)而言，除了需要對工程樁在內(nèi)的總造價考慮之外，承臺的造價同整個樁基礎(chǔ)工程的施工工期也需要考慮到位。倘若此時使用較低承載力的樁型，較多的樁是需要利用的，而且樁需要遍布滿堂，相對較厚的基礎(chǔ)底板也應(yīng)當(dāng)使用；倘若使用高承載力的樁型，此過程并不需要過多的樁，墻下或者柱下需布置這些樁，基底的水浮力和土壓力僅僅需要相對較薄的基礎(chǔ)底板來承受。針對本工程而言，由于鉆孔灌注樁單樁承載力較大、施工速度快、工藝成熟，與預(yù)制樁相比能夠縮短施工工期，造價相對較低，則選擇鉆孔灌注樁較為合理。

綜上所述，由于擬建樓房為20層居民住宅樓，再根據(jù)場地的工程地質(zhì)條件，將場地的基礎(chǔ)設(shè)計為樁基礎(chǔ)，選用鉆孔灌注樁。

3 地基基礎(chǔ)設(shè)計

地基基礎(chǔ)設(shè)計采用鉆孔灌注樁，該建筑樁基屬于乙級建筑樁基。通常10層～20層的建筑可選擇直徑600 mm～1 000 mm的灌注樁，則擬采用直徑為700 mm的鉆孔灌注樁；樁端持力層應(yīng)選用較硬土層，且樁端全斷面進(jìn)入持力層的深度不宜小于2倍樁身設(shè)計直徑[1]，④號土層的承載力特征值為最大，則選用④號土層為持力層，樁尖伸入持力層1.6 m。

3.1 單樁承載力

樁長設(shè)計為20 m，樁頂標(biāo)高為-1.6 m，樁底標(biāo)高為-21.6 m。單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值按下式計算：Quk=Qsk+Qpk=u∑qsikli+Apqpk，可得Quk=3 351.86+1 230.88=4 582.74 kN。

3.2 承臺設(shè)計

按照構(gòu)造要求，承臺邊長設(shè)計為6.437 2 m，承臺混凝土選用C40，ft=1.71 N/mm2,fc=19.1 N/mm2；承臺鋼筋選用HRB335級鋼筋，fγ=300 N/mm2。

三樁承臺計算簡圖見圖1。

為避免承臺發(fā)生沖切破壞，要確保承臺有適當(dāng)?shù)暮穸?，承臺厚設(shè)計為1.2 m，保護(hù)層厚60 mm，h0=1 200-60=1 140 mm，其下做厚度為100 mm強(qiáng)度等級為C7.5的素混凝土墊層。然后分別對柱邊沖切和角樁沖切進(jìn)行計算，經(jīng)驗證厚度為1.2 m的承臺能夠滿足角樁對承臺的沖切要求。柱下三樁三角形承臺為等邊三角形承臺，其破壞形式均為梁式破壞。由于承臺形心距底邊距離為1 858.3 mm，因此，承臺一邊方向選28@140，則鋼筋根數(shù)為n=1 858.3/140+1=14。取1428@140，實配鋼筋A(yù)s=8 621.2 mm2。配筋率ρ=0.4%>0.15%符合要求。因為承臺為等邊三角形布置，所以采用三向配筋。

3.3 樁身結(jié)構(gòu)設(shè)計

樁身和樁尖均選用C40混凝土，鋼筋選用HPB300級。根據(jù)JGJ 94—2008建筑樁基技術(shù)規(guī)范第5.8.2條規(guī)定，樁頂軸向壓力應(yīng)符合下列規(guī)定：Nmax≤ψcfcAps[2]。由于基樁施工工藝系數(shù)ψc=0.8，fc=11.9 N/mm2，則ψcfcAps=5 877.45 kN>Nmax，故樁身軸向承載力滿足要求。

端承摩擦型樁配筋長度應(yīng)小于樁長的2/3，且不宜小于0.4/α=6.24 m，則可取配筋長度14 m。鋼筋錨入承臺35倍主筋直徑，即35×12=420 mm。主筋采用6Φ16鋼筋，箍筋采用Φ6@200螺旋式箍筋，由于鋼筋籠長度超過4 m，需每隔2 m設(shè)置一道Φ12焊接加勁箍筋。

3.4 樁基沉降

采用等效作用分層總和法計算樁基最終沉降量，三角形承臺等效為正方形承臺，圓樁等效為方樁[1]。樁基沉降量可按下式簡化計算：

樁基沉降計算深度zn應(yīng)按應(yīng)力比法確定。

沉降量計算表見表2。

表2 沉降量計算表

故：s′=17.53+5.84+3.98=27.35 mm。

4 結(jié)論與展望

地基基礎(chǔ)是上部結(jié)構(gòu)安全的根本，基礎(chǔ)設(shè)計的好壞影響著建筑物的安全性、經(jīng)濟(jì)性和合理性。在地基基礎(chǔ)的設(shè)計中，除了文中提到的計算工作，還包括繪圖、判斷評價、分析優(yōu)劣等工作。由于設(shè)計過程中存在大量繁瑣復(fù)雜的工作，人工設(shè)計的差異性逐漸顯現(xiàn)，同時智能設(shè)計也開始被提出。

與人工設(shè)計相比，智能設(shè)計具有絕對的穩(wěn)定性和便捷性，可從數(shù)據(jù)采集、推理與計算和繪圖三部分逐步分析設(shè)計。將智能設(shè)計運用到基礎(chǔ)工程設(shè)計中的—個重要成果就是國內(nèi)外科研單位開發(fā)出來的PD系統(tǒng)，該系統(tǒng)局限于解決樁基礎(chǔ)工程中的計算和繪圖問題。智能化設(shè)計在基礎(chǔ)設(shè)計中的運用，是符合現(xiàn)代發(fā)展趨勢的正確選擇，當(dāng)今物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和5G技術(shù)的快速發(fā)展促進(jìn)了地基基礎(chǔ)設(shè)計智能化技術(shù)的提高。全面開發(fā)研究地基基礎(chǔ)智能化設(shè)計，需要從數(shù)據(jù)采集、推理計算、繪圖和規(guī)范等方面深入分析，這個過程需要基礎(chǔ)工程和計算機(jī)技術(shù)工程人員的共同參與和貢獻(xiàn)，才能實現(xiàn)智能化設(shè)計在基礎(chǔ)設(shè)計中的長遠(yuǎn)發(fā)展。