鐘智謙

（廣州大學建筑設(shè)計研究院，廣東 廣州 510400）

1 樁基礎(chǔ)技術(shù)的相關(guān)概述

在建筑結(jié)構(gòu)施工中，會容易受到各種不確定因素的影響，進而導致現(xiàn)場巖土出現(xiàn)了一系列的變化。尤其是在建筑荷載的作用下，建筑基層底部很容易發(fā)生嚴重的變形。樁基礎(chǔ)是建筑工程中的一種主要施工形式，可以有利于增強地基的穩(wěn)定性，提高地基的平衡力作用，從而可以實現(xiàn)良好的抑制深陷的作用發(fā)揮。從目前樁基礎(chǔ)技術(shù)在施工中的具體應用進行分析，主要體現(xiàn)在高層臺樁基和低承臺樁基兩種方式。其中，高層臺樁基也可以分為灌注樁和預制樁，這是建筑施工應用中最常見的樁基礎(chǔ)技術(shù)。通常在遇到地震、臺風等自然災害時，樁基礎(chǔ)技術(shù)可以實現(xiàn)不同方向的承載力轉(zhuǎn)移作用，從而使其可以散布到樁基周邊的土層中，以保護建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，降低外力對建筑物的破壞程度。

在建筑工程的項目設(shè)計中，結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計是基于建筑安全性、適用性、美觀性、經(jīng)濟性等多方面的因素影響下，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計的最優(yōu)化創(chuàng)新。具體可以落實到實際的項目活動中，而且都具有對應的限定條件，例如原材料供應、造價控制指標、地理環(huán)境、視覺美學等等，在諸如此類的條件下盡可能的滿足項目建設(shè)的實際需求。但是由于工程設(shè)計具有一定的復雜性，往往在人力、物力、資源、時間緊缺的條件下，無法達到預期的設(shè)計目標。因此，在結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計工作中，安全、經(jīng)濟、適用是作為最根本的優(yōu)化主題與內(nèi)容，通過綜合分析概念設(shè)計、計算、經(jīng)驗等方面，結(jié)合專業(yè)的通力配合與協(xié)作，可以促進結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的系統(tǒng)性發(fā)展。

2 建筑結(jié)構(gòu)中對于樁基礎(chǔ)的分類及影響因素

根據(jù)分類標準的使用環(huán)境不同，可以按照具體類別對樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)進行劃分，并了解和掌握各種樁基礎(chǔ)的優(yōu)點和劣勢，從而促進后續(xù)結(jié)構(gòu)設(shè)計活動的順利開展。第一，按照承臺位置的高低進行劃分，具體包含了高、低兩種形式的承臺樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，高承臺樁基礎(chǔ)一般常用在橋梁和碼頭等施工工程中，而低承臺樁基礎(chǔ)常適用于房屋的建筑施工中；第二，根據(jù)承載性質(zhì)的區(qū)別，可以將其劃分成端承樁與摩擦樁兩種，端承樁通常是指穿過軟土層并把建筑載荷依托在樁端的堅硬土層中，對于樁身產(chǎn)生的摩擦力比較小。而摩擦樁一般指沉入一定深度的軟弱土層中，由于受到樁側(cè)土的摩擦作用以完成上部載荷并分散至周圍的土體中，樁與土之間具有相對位移而且樁端土具有支撐作用；第三，按照樁身材料的類別進行劃分，總體包含了木樁、鋼樁、鋼筋混凝土樁等。通常情況下，木樁的使用頻率比較少，只用在部分的加固工程中。鋼樁的承載力比較大，在實施運輸和沉樁等操作時相對簡便，可是鋼材的耗損量過大，所以缺乏經(jīng)濟性，一般只在少量的重點工程中進行運用。而鋼筋混凝土樁按照設(shè)計需求，可以進行預制或現(xiàn)澆，也可以自由選擇樁長度和截面尺寸；第四，根據(jù)制作的工藝可以分為鋼筋混凝土預制樁和灌注樁兩種，鋼筋混凝土預制樁通常是在工廠或現(xiàn)場進行預制，一般采用錘子擊打、振動沉入等方法。灌注樁也被稱為現(xiàn)澆樁，是指在孔內(nèi)放置鋼筋籠后灌注混凝土而形成樁，可以大大節(jié)省鋼材的使用量。

其影響因素首先為地質(zhì)條件，對于建筑結(jié)構(gòu)狀基礎(chǔ)設(shè)計問題分析后不難發(fā)現(xiàn)，可以對最終的設(shè)計結(jié)果進行明確，這在一定程度上將會受到地質(zhì)條件影響，若不能根據(jù)現(xiàn)場情況來對處理措施進行想，則會對結(jié)構(gòu)承載性產(chǎn)生影響，從而誘發(fā)沉降不均勻的現(xiàn)象?，F(xiàn)階段建筑設(shè)計和和土地資源之間存在較為嚴重的矛盾，工程施工面臨的地質(zhì)環(huán)境存在顯著的差異，特別是城市基礎(chǔ)設(shè)施相對完善，建筑結(jié)構(gòu)裝基礎(chǔ)設(shè)計施工需要的工藝不同。

其次為上部結(jié)構(gòu)，為了達到社會發(fā)展對建筑工程的需求，現(xiàn)階段工程結(jié)構(gòu)設(shè)計要能夠?qū)崿F(xiàn)多樣化，結(jié)構(gòu)所具有的不同形式、地上建筑高度、墻體厚度都會對基礎(chǔ)類型、埋深、截面積等，上不結(jié)構(gòu)將會對建筑結(jié)構(gòu)樁基礎(chǔ)設(shè)計產(chǎn)生直接影響，要想保證基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)能夠承擔上部結(jié)構(gòu)荷載，就要能夠讓其達到安全性和穩(wěn)定性要求，通過對之前結(jié)構(gòu)設(shè)計結(jié)果進行分析，可以明確上部結(jié)構(gòu)的類型、高度和墻體厚度，并且能夠反映出建筑物的抗變形能力、沉降能力、穩(wěn)定性等，并且在設(shè)計階段作為要點來實施分析。

最后為現(xiàn)場施工環(huán)境。為了能夠更好地解決土地資源和工程建設(shè)之間的矛盾，現(xiàn)階段建筑工程在建設(shè)期間除了增設(shè)了上部高度之外，還對地下空間進行開發(fā)，讓基礎(chǔ)深度逐漸增加，這樣不僅會受到已存管線、地下水的影響，也會增加作業(yè)難度，導致基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計需要關(guān)注更多的內(nèi)容。為了避免環(huán)境因素對設(shè)計結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的負面影響，要能夠從人工環(huán)境、自然環(huán)境等入手，科學對結(jié)構(gòu)抗震等級進行明確，保證抗震縫設(shè)計位置和數(shù)量都能夠達到有效性要求。

3 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的樁基設(shè)計要點分析

3.1 樁選型和間距的選擇與設(shè)計

在樁基設(shè)計工作中，樁型的選取是最核心的一個組成內(nèi)容。對于樁型的選取需要綜合考慮建筑物的地形、施工環(huán)境、突出特征、樁施工技術(shù)的難度等方面，根據(jù)制樁材料的供應狀況結(jié)合整體造價和施工周期，科學選擇施工技術(shù)和經(jīng)濟方案，在最終的篩選過程中選出經(jīng)濟、適宜的樁型和成樁技術(shù)。由于選定的基準條件不同，所以選型的結(jié)構(gòu)也不相同。具體如下：第一，從地質(zhì)條件的角度來說，對于硬土層、巖層埋設(shè)的深度狀況進行分析，一般都會優(yōu)先選取灌注樁。在面對淤泥地質(zhì)環(huán)境時不建議選灌注樁，這是為了有效避免出現(xiàn)縮頸等質(zhì)量問題。同時，為了可以充分保證成型的可靠性以及樁身的質(zhì)量，可以選取預制樁技術(shù)。一般在粉土、砂土、粘土地質(zhì)中適合選用沖孔灌注樁技術(shù)；第二，根據(jù)載荷的類型可以明確樁型。如固定載荷大小、載荷動靜態(tài)等都屬于載荷的主要特征，這些特征因素都可以對樁水平和豎向承載力產(chǎn)生一定的影響，按照載荷的大小可以科學選用單樁承載力。如果承載過大不利于工程造價的經(jīng)濟性，而且還會加大樁長和樁徑。而單樁承載力過小則會增加樁的實際數(shù)量，所以很難充分保障自身價值的最大化發(fā)揮；第三，根據(jù)施工的條件明確樁型。靜壓預制樁一般常用于市區(qū)內(nèi)的施工活動中，而且施工周期短，基本沒有產(chǎn)生任何的噪聲污染。但是粉砂層埋藏的厚度比較大，樁端很難獲得良好的持力層，所以無法實現(xiàn)整體經(jīng)濟性。在打入式預制樁中存在預制方樁和預應力管樁兩種類型，預制方樁的施工速度快、強度大，可是會耗損大量的鋼筋，所以投入成本也高。而預應力管樁的穿透力比較強，承載力大且經(jīng)濟優(yōu)良。在灌注樁施工中具有操作簡單、無振動、無噪聲等優(yōu)點，所以比較在實際活動中運用廣泛。樁間距是樁基設(shè)計的一個核心參數(shù)，決定了樁基施工的難易程度，可以與樁承載力的發(fā)揮具有緊密的聯(lián)系。在選取樁間距前，需要明確樁基到底是摩擦樁還是端承樁，因為摩擦樁容易對樁側(cè)土體產(chǎn)生影響，如果設(shè)計間距比較小，就會導致樁間土出現(xiàn)沉降現(xiàn)象。為了可以增強樁基的承載作用力，可以適當增加樁間距。而端承樁的自身承載力源于樁端，對于周圍土體產(chǎn)生的影響比較小，所以可以忽略不計并選取較小的間距。在明確樁間距的過程中，需要綜合分析成柱過程形成擠土效應的問題，如果間距設(shè)計過小的情況下，軟土擠土效應大的樁基會對后續(xù)施工樁產(chǎn)生一定的干擾，比如出現(xiàn)傾斜、上移等現(xiàn)象，所以在設(shè)置最小中心距時通常需要超出3.5d。

3.2 樁長和樁徑的選擇

在選擇樁長時，需要充分考慮到樁端持力層的選擇與進入持力層的深度。樁端持力層是樁基承載力的一個主要影響因素，會進一步限制樁端阻力和側(cè)阻力的作用發(fā)揮，因此可以選取硬度較大的持力層。需要保證樁端進入持力層實際深度后可以充分發(fā)揮出自身的承載力作用，使樁端進入持力層可以達到一定的臨界值，在符合阻力的相關(guān)規(guī)定下可以把該深度稱為臨界深度。如果樁端沒有進入足夠深度的持力層，就會使樁端剪切破壞進而減少樁端的阻力。臨界深度的大小和土性質(zhì)具有密切的關(guān)系，不同土的臨界深度也具有一定的差異。其中粉土和粘性土為2～6d，砂與碎石類為3～10d。在樁端進入持力層深度的過程中需要綜合考量持力層的厚度和臥層狀況，如果在下方具有軟弱臥層則需嚴格計算實際強度和形變大小。樁長的選擇是建筑結(jié)構(gòu)可靠性的基本因素，而且與樁基礎(chǔ)設(shè)計工作的經(jīng)濟性存在重要的關(guān)聯(lián)。從另一方面來說，在選擇樁徑時，需要分析樁長度、承載力的大小、地質(zhì)條件等方面。對于摩擦型樁在選擇樁徑時如果長度越長，那么承載力的效率就越高。對于端承樁樁徑的選擇可以從經(jīng)濟角度進行分析，結(jié)合設(shè)計和施工活動等方面進行考量，由于土質(zhì)狀況不同，所以選擇的樁徑大小也存在一定的差異性，比如在使用端部巖層時可以選取直徑較大的樁。針對地質(zhì)條件的復雜性特點，在選擇樁身直徑時必須要明確不良地質(zhì)對成樁造成的不良影響。

3.3 單樁豎向承載力

在樁基的設(shè)計初期，承載力與地基土物理指標的相關(guān)性可以作為單樁豎向承載力的主要參考標準，用于估測單樁豎向承載力的大小?？墒菢豆浪銛?shù)值和實際的數(shù)值間還存在較大的差異性，按照相關(guān)規(guī)定可以開展試驗樁進行驗證，并基于此進行科學的調(diào)整。在設(shè)計施工圖紙的過程中，一般會選取靜載荷試驗來明確樁承載力的相關(guān)參數(shù)，該方法的應用范圍比較適合一些設(shè)計要求比較高、地質(zhì)條件比較復雜的樁基設(shè)計工作中。有時會因為樁基設(shè)計的時間緊迫，所以會將地質(zhì)報告的數(shù)據(jù)作為開展基礎(chǔ)，實施單樁承載力的測試工作。在相關(guān)的調(diào)研數(shù)據(jù)中表明，通過選取高應變動測法可以有效減少承載力的測量誤差，而且提高了經(jīng)濟性和適應性。所以，在設(shè)計樁基礎(chǔ)時可以根據(jù)試樁的實際承載力大小進行設(shè)計，以促進設(shè)計工作的科學性、準確性，從而提高建筑結(jié)構(gòu)的可靠性。

3.4 樁水平承載力的驗算

通過科學驗算樁基水平的承載力，可以充分保證建筑結(jié)構(gòu)具有良好的抗震性能。按照國家相關(guān)規(guī)定和要求標準，樁基需要實施抗震驗算范圍、樁基水平承載力等驗算，一般樁身水平承載力屬于大直徑灌注樁即可達到標準，而預制樁則需要嚴格根據(jù)相關(guān)規(guī)定來明確數(shù)值。針對樁基水平的承載力來說，具有多方面的影響因素，比如樁身的截面尺寸、混凝土強度等等。同時，也要及時處理淤泥土質(zhì)，確保回填土的質(zhì)量可以達到實際的要求，進而促進樁基水平承載力可以達到相關(guān)標準。

3.5 樁偏差的處理與控制

在設(shè)計樁基的過程中需要嚴格控制樁偏差，特別是對于條形樁和承臺樁的管理與控制，以解決樁基設(shè)計過程中存在的現(xiàn)實問題。在樁頂標高超出預期的設(shè)計數(shù)值時，需要采取劈樁的方法，比如針對預應力管樁等一些空心樁的建設(shè)，由于樁頂存在樁帽，所以使用劈樁時會出現(xiàn)難度大、經(jīng)濟性不強的問題。同時，如果樁頂?shù)臉烁邲]有達到預期的設(shè)計數(shù)值，則需要采取補樁的方法。在進行補樁時需要嚴格控制回降量，這就需要相關(guān)設(shè)計人員綜合考慮施工中的誤差，通常將偏差控制在2mm為最佳。

3.6 確保打樁和送樁可以達到要求標準

樁基施工中對于偏差需要進行嚴格的控制，一般常見于條形樁、承臺樁，如果存在偏差但是沒有及時解決，就會導致附加內(nèi)力的產(chǎn)生，給樁基礎(chǔ)的安全性造成一定的隱患。不管是打樁環(huán)節(jié)還是送樁環(huán)節(jié)，都需要及時、準確的記錄相關(guān)數(shù)據(jù)和信息。在進行打樁時，相關(guān)施工人員應當按照規(guī)定要求，詳細記錄入樁的深度，確保數(shù)據(jù)的有效性、真實性。同時，在進行焊接時也需要落實相應的隱蔽記錄。此外，施工人員在進行插樁時需要保證樁頭可以與地面標志處于對齊位置，一旦發(fā)現(xiàn)樁頭沒有與地面標志進行對準，則需要立刻進行調(diào)整，在進行樁位的判斷時就可以采用吊砣垂線或是經(jīng)緯儀進行完成。而且在進行打樁時還應當隨時配備水準尺，目的是為了便于隨時對垂直度進行測量。根據(jù)施工的具體要求標準，垂直偏差一般不得大于0.5%，在送樁時工作人員需要利用水準儀 來精確控制標高誤差，并把誤差合理控制在上下5cm之內(nèi)。

4 樁基礎(chǔ)設(shè)計的完善策略和相關(guān)建議

4.1 科學利用數(shù)學函數(shù)進行完善

在數(shù)學函數(shù)的應用中，有限元法可以針對集合內(nèi)元素進行科學、合理的劃分，而且將其作為函數(shù)和近似方程的計算基礎(chǔ)。該方法可以達到不同樁基設(shè)計的需求標準，而且也可以在短時間內(nèi)準確獲取樁體的拓撲信息，對于樁基承載力的計算工作起到了重要的促進作用。和傳統(tǒng)的樁體強度計算模式進行對比，有限元計算方法可以更加直觀的反映出現(xiàn)場的施工條件，最主要的是原有的計算方法中沒有全面考慮到樁基與土體間的作用，而且只是簡化了計算的流程，所以無法保證最終的結(jié)果，更無法確保計算的準確性。所以，在利用有限元的設(shè)計方法時能夠充分結(jié)合樁基和土體的形成作用，比較接近具體的施工狀況，而且通過運用專業(yè)軟件進行模型的構(gòu)建，更容易獲取完整性強、可靠度高的數(shù)據(jù)信息，從而有利于樁體性能的不斷調(diào)整和優(yōu)化。

4.2 提高樁土符合計算的精準性

在進行樁基的設(shè)計工作時，不只是需要分析單根樁體的承載力大小，更需要綜合分析構(gòu)成整體能否實際滿足建筑的設(shè)計需求，通過應用有限元法可以明確單根樁性能的具體參數(shù)。為了可以進一步提高建筑結(jié)構(gòu)的整體性，還需要分析樁體群落的承載力，確保樁基能夠承受較大的載荷作用力，進而合理控制其形變可以保持在一定的可控范圍內(nèi)。在樁體群落的分析中，可以使用復合計算模式，選取連續(xù)性的計算方式確保樁土的復合質(zhì)量。除此之外，在計算的過程中，樁基自身沉降也很難達到承載力的實際需求，這是因為設(shè)計工作中的樁基施工與承載力關(guān)系沒有進行科學的確定，因此沉降量無法得到充分的保障和管理控制，這就需要把樁基礎(chǔ)軸線樁土布置為性質(zhì)相同的材料，對群樁載沉降進行全面的分析。

5 結(jié)語

綜上所述，在建筑結(jié)構(gòu)的施工設(shè)計中，樁基礎(chǔ)設(shè)計是一個重要的基礎(chǔ)內(nèi)容，通過分析建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的具體內(nèi)容，以及優(yōu)化設(shè)計的原則等方面，對樁基礎(chǔ)設(shè)計的內(nèi)容和關(guān)鍵性要素進行綜合的分析。由于樁基礎(chǔ)設(shè)計存在復雜性的特點，所以施工效果可以對工程整體造成巨大的影響，所以在設(shè)計和施工中應當高度重視樁基設(shè)計施工的環(huán)節(jié)和流程，通過采取科學、適應的方法提高樁基礎(chǔ)的設(shè)計效果，進而促進建筑結(jié)構(gòu)可以發(fā)揮出最大化的功能作用。