1、1浅议高层建筑结构桩基础设计摘要：桩基础是高层建筑结构的基础形式之一，它是整体高层建筑的根本所在。本文对高层建筑中桩基础设计进行了综合分析，旨在提高高层建筑结构桩基础设计的整体水平。 关键词:高层建筑；桩基础；设计 中图分类号： TU97 文献标识码： A 文章编号： 引言： 随着我国经济的快速发展，城市高层建筑拔地而起，桩基础作为高层的基础部分在建筑工程中占有重要作用。如何选择合理的桩基础形式，对于结构的安全性、经济性起着重要的作用。 一、桩基础的设计原则 基桩根据施工工艺不同，分为预制桩和灌注桩；按排土分类分为挤土桩（打入、静压、振动、沉管等）和非挤土桩（钻孔、挖孔） 。常用的桩型主要有预
2、制钢筋混凝土桩、预应力钢筋混凝土桩、钻（冲）孔灌注桩、人工挖孔灌注桩、钢管桩等。桩基础设计时，应根据以下工程资料合理选择桩基础类型：岩土工程勘探资料：岩土力学参数、地下水位、土层液化判别及特殊地质情况；建筑场地：抗震设防烈度及场地类别、建筑场地现状及该区域施工经验等；拟建建筑物的平面布置、安全等级、结构类型、荷载大小等；施工工艺对地质条件和周边环境的适应性、施工周期要求等。依据收集的建筑场地及岩土勘探数据、建筑物情2况及施工条件等资料，我们可以合理确定建筑基础桩型及其单桩承载力特征值。按结构荷载条件选择各种规格的桩（多层与小高层建筑可用预应力管桩、沉管灌注桩，而超高层建筑宜优先选用大直径灌注桩
3、、嵌岩桩等） ；施工周期紧时可优先选用预制桩，但市区应避免使用锤击和振动沉桩施工工艺；挤土效应敏感区域不应使用挤土桩；打入桩则需要根据土层地质情况选择不同穿透能力的桩，对存在孤石及地下障碍物的地基、有不能作为持力层的坚硬夹层的地基、从软土层直接进入中（微）风化基岩的地基、石灰岩及溶岩地区，不宜使用或应慎用预制管桩基础，否则应根据详细勘探结果，组织专家论证会，综合各方意见后确定基础方案；若基岩埋置很深时考虑摩擦桩和端承摩擦桩，基岩埋置较浅时优先考虑扩底桩以减少基础工程造价。除桩型选择要点外，桩基础设计还应满足以下原则：同一结构单元宜采用桩长相近的桩，相邻桩底标高差应在合理范围内；尽量选择较硬土层
4、作为桩端持力层，根据地质情况确定桩端入持力层深度（粘性土、粉土2d，砂土1.5d，碎石类土1d） ，并尽量达到桩端阻力的临界深度；对端承桩采用较大桩径或入基岩扩底，对摩擦桩宜采用细长桩；对于裙桩基础，宜根据变刚度调平原则，疏密结合，使各桩受力较均匀，并应尽量使上部荷载中心与桩群的横截面形心重合或接近。 二、桩基础设计 1、通过试验确定单桩竖向抗压承载力特征值 在初步设计阶段，一般根据地基土的物理指标与承载力之间的经验关系来估算单桩竖向抗压承载力特征值。但很多时候桩的实际承载力与3估算值之间的差距大，所以经估算后,一般需经过试验桩、试打桩来验证并进行调整。以下为两种试验方法： 1.1 静载试验桩
5、 在施工图设计阶段，一般采用静载荷试验得到合理的桩承载力和其他设计参数。此法适用于设计等级为甲级且地质条件较复杂的管桩基础工程。 1.2 试打桩 在正式施工前通过试打桩配合高应变动测法确定。适用于应用管桩多年且设计经验较丰富的地区，包括地质条件不复杂的设计等级为甲级的管桩基础。根据广东的统计数据表明：一些有经验的测试单位，用高应变动测法检测的单桩竖向抗压承载力的误差可控制在 15%以内。相比静载荷试验，该方法试验费用低，时间短，测试桩数多，在广东地区得到广泛应用。 1.3 试验的重要性 在对各种桩基础试桩以及工程桩的具体检测中，我们能够知道很多桩基础的实际承载力大于估算值，有些桩基础实际承载力
6、与其估算值相差幅度很大，所以在布置基础时如果按照试桩实际承载力来设计桩基础将产生巨大的经济效益。比如，某高层商业住宅楼，其主体设计目标为地面以下一层、地面以上十八层，在设计中根据具体地质勘察报告相关数据决定采用 D400 预应力管桩，桩长 20m，如果按照 JGJ94-2008 技术规范相关公式来估值计算其单桩承载力结果为 1,200kN，但实际进行的 3根试桩破坏性测试显示其实际单桩承载力可高达 1,600kN，与估算值相比4提高了 33.3%，在实际工程桩基础设计中就采用试验数值，节省了业主投资。由此可见试桩可以给桩基础施工降低工程难度并减少浪费。此项工作质量将直接影响到桩基础的形式、规格
7、以及桩的入土深度，同时也密切影响着施工难易度。 2、桩基选型、桩长设计 桩基础设计中对桩型及桩长的合理选择均会对基础设计产生重大的影响，合理的桩型、桩长选择将产生巨大的经济效益。在防城港某小高层楼盘设计中，开始由于考虑时间原因（有现成的 D400 预应力管桩 ） ，甲方要求采用 D400 的预应力管桩，根据地质报告采用桩长 L=11m，单桩承载力极限标准值为 600kN，预算基础部分造价约为 180 元/平方米，在整个调度楼造价中占了相当大的比例。在其后的设计中，采用桩长不变，结合当地的设计经验，将桩型改为 250250 的预制钢筋混凝土小方桩，单桩承载力极限标准值约为 600kN。预制小方桩
8、在当地的施工价才约 60 元/米，而预应力管桩的单价约为 80 元/米。采用小方桩后预算造价约为 90 元/平方米，综合经济价值明显。可见选择合理的桩型，将对工程的造价产生巨大影响。同样桩基设计中对桩长的选择也至关重要。在某一小区住宅楼沉管灌注桩基础设计中，根据施工方提供的采用 D300 沉管管桩，且根据地质报告桩长约 15m，单桩承载力特征值 Ra=550kN，约需要桩数 130 根；而采用 D450 管桩，桩长 15m，单桩承载力特征值 Ra=950kN，只需要桩数 60 根。从桩本身而言，两种方案总的工程桩长度相当，但分析一下由此而相对应的 D450 桩型大，混凝土用量大，当地 D450
9、 管与 D300 价格相差不大，而二者所需桩数量相差较大，采用 5D450 管桩经济效益明显。因此，在桩基础设计中一定要采用多方案比较，选择合理的桩型与桩长，这都将对整个基础设计的合理性与经济性产生巨大的影响。当然也应同时考虑施工可行性等多方面因素。桩基设计中不同桩型经济性比较在桩基础具体设计中如何合理选择桩型会对桩基础设计产生极大影响。桩型选择将极大地影响经济效益。深圳中洲讯美写字楼项目，该项目为框架核心筒结构，建筑总高度为 128 米。应甲方要求进行基础选型比较如下: (1)基础选型比较。 方案 1：采用预应力管桩 预应力管桩在深圳地区施工工艺成熟，且具有单桩承载力高，造价低，工期较短，耗
10、材较低等优点，具有较大的经济效益和社会效益，是现阶段使用较多的一种桩型。本项目采用管桩直径 D=500mm，壁厚为125mm，类型为 AB 型。根据勘察报告采用平均桩长 L=23.2m，其桩端持力层为强风化层，单桩竖向承载力特征值桩身控制的理论值为 2,700kN，考虑到各种因素对桩身强度的影响，实际计算时取值为 2,500KN。根据PKPM 的计算结果并采用 SAFE 复核，在核心筒部分满堂布桩，需要 164 根桩，桩筏板厚度为 2,100mm（内筒冲切控制） ，考虑桩土共同作用，面筋为构造配筋，底筋为计算配筋。最后依据现行定额，计算核心筒处管桩、混凝土及钢筋的总造价约为 242 万元。如下
11、表所示： 方案 2：采用大直径钻（冲）孔桩 6采用桩径为 2,200 的钻孔桩，桩端持力层为强风化层，平均桩长为 45m，保证外围框架柱为一柱一桩，单桩竖向承载力特征值为32,000KN，根据 PKPM 的计算结果并采用 SAFE 复核，在核心筒部分沿剪力墙下布桩，总根数为 13 根，桩筏板厚度约为 1,800mm（桩冲切控制） ，考虑桩土共同作用计算筏板配筋。最后依据现行定额，计算核心筒处桩、混凝土及钢筋的总造价约为 489 万元。如下表所示： 方案 1 与方案 2 比较结果 从筏板本身而言，混凝土用量和钢筋用量相差不大。但与之对应的桩而言，造价相差较大。由前面的结果可知方案 2 总造价远大
12、于方案 1的总造价。另外根据以往的工程设计经验，100m 以上的建筑结构少有采用预应力管桩，多采用钻孔桩较为经济。但地质条件不同，上部结构布置不同，设计人员也要根据不同的情况进行合理的计算及判断分析，选择最优的方案，为业主降低工程造价。 4、设计桩长与实际施工桩长不符解决措施 施工中若发现设计桩长与实际桩长不符，应立即停止施打，仔细检查原因。这里可能存在三种情况。其一是持力层起伏比较大，因此在施工过程时，现场施工单位双控较难。同时由于勘察手段使用不合理或取样桩间距过大，造成对持力层的起伏不明确，所以设计要求必须采取双控。但具体施工时施工单位往往难以把握，经常出现控制设计深度达到，而锤击贯入度或
13、者油压值不达标；还可能出现锤击贯入度或者油压值达7标，而设计深度不够。其结果就是桩长度与实际不符。其二是地质报告误差：地质勘察报告中的 qs、qp 参数未被准确提供，导致一些勘察单位所提供的参数过高，如果设计单位根据此参数进行桩基础的设计工作，极有可能出现单桩承载力和实际出现误差。 三、桩基础的优化比较 建筑场地有多种基础形式可供选择时，应将各基础型式作一个技术经济性比较和评价，对基础优化设计，节约工程造价。以下为某工程基础方案的技术经济性比较：该工程场地基岩埋深约为 35m，其上覆盖土层为人工填土或淤泥质粘土，局部区域夹有粘性土或残积土。基岩可作为桩基础桩端持力层，桩基选用锤击预应力管桩或钻
14、（冲）孔灌注桩，这两种基础形式的技术经济比较和评价结果如下： （1）锤击预应力管桩：根据勘察报告中钻孔 ZK08 估算，准 500 预应力管桩的单桩承载力特征值取 1700kN，有效桩长约 28m，管桩综合单价约 180 元/m，根据相邻地块施工经验，断桩、类桩比例约 30%，单桩造价 1.318028=6552 元/根，折合基础每吨承载力造价约 6552/170=38.5 元/t （注：以上造价未考虑承台及桩基扩大检测、类桩处理以及补桩致承台造价增加等） 。 （2）钻（冲）孔灌注桩：根据勘察报告中钻孔 ZK08 估算，灌注桩桩径 准 1200，桩长 28m，单桩承载力特征值为 7500kN，
15、按综合单价 1200 元/m3 估算，单桩造价为 12003.141.2228/4=37981 元/根，折合基础每吨承载力造价约 37981/750=50.6 元/t。 综上所述，本工程软弱土层与强、中风化层间有较厚的过渡土层，8锤击预应力管桩相对于钻冲孔灌注桩造价有一定优势，但当过渡土层较薄时，这种优势就不复存在。而且本场地采用管桩也存在以下不利因素：部分区域桩基穿越较厚软弱土层直至中、微风化基岩，按相邻地块经验，施工时管桩较容易断桩或检测判定为类桩，对施工难度和进度有不利影响；管桩可能会因部分桩身完整性不满足规范要求需扩大检测及处理而增加一定的费用，但这可通过加强施工管理或改进接桩工艺加以
16、解决。显然，不同的荷载条件和场地地质情况，技术经济性分析结果会有差异，不同的桩基础类型，其承台与底板造价变化对整体造价也有一定影响。对于钻（冲）孔灌注桩，还可通过减少桩径但增加入岩深度来降低单位承载的工程造价。本文提供一个简便的比较方式，抛砖引玉，其设计思路可供其他工程设计时参考。 结束语 总之，桩基础设计过程中，首先要加强对桩基础中试桩过程以及工程桩的检测，以便准确计算出桩的实际承载力与估值计算之间的差距。为最终设计人员确定合适的施工方案提供准确详实的数据，这样才能带来良好的经济效益及社会效益。 参考文献： 1建筑桩基技术规范（JGJ94-2008）S.北京：中国建筑工业出版社，2008. 2建筑地基基础设计规范（GB50007-2002）S.北京：中国建筑工业出版社，2002. 3JGJ94-2008 建筑桩基技术规范. 94GB50007-2011 建筑地基基础设计规范. 5DBJ/T15-22-2008 锤击式预应力混凝土管桩基础技术规程.
