关于高层建筑桩筏基础设计

【摘 要】随着近年来城市经济的快速发展，高层及超高层建筑与日俱增，桩筏基础以其明显的优点被广泛用作高层建筑的基础结构，是高层建筑采用较多的一种基础形式。桩筏基础的优化设计首先是进行桩型的优选，桩型的合理设计是高层建筑桩筏基础桩型设计的重要部分。本文对高层建筑桩筏基础桩型设计进行了探讨。

【关键词】高层建筑；桩筏；桩型；设计

一、前言

高层建筑的基础是联系高层建筑上部结构和地基的桥梁，通过基础把上部结构的荷载传递给地基。高层建筑及天然地基土质软弱等情况下基础一般选择采用桩基础，桩基础其力学原理正确，通过桩可以充分发挥深部土层的承载能力，同时又具有施工相对简单的特点。也因此桩基不仅能延续至今，而且结合现代的施工和材料技术还获得了更进一步的发展，成为目前基础工程中普遍采用的一种重要的基础形式。为了满足各种结构物的要求，适应各种不同地质条件和施工方法，在工程实践中往往采用各种不同的桩和桩基础。其中桩筏基础由于具有竖向承载力高、稳定性好、沉降量小、具有一定调节不均匀沉降的能力、抗倾覆能力强等优点，应用较为广泛。

二、高层建筑桩筏基础常见桩型及适用范围

1、预制桩

预制桩主要包括钢筋混凝土预制桩和钢桩，其中钢筋混凝土预制桩又较为常用，预制混凝土桩的适用条件：持力层上覆盖为松软土层，没有坚硬的夹层；持力层顶面的土质变化不大，桩长易于控制，减少截桩或多次接桩；大面积打桩工程，由于预制桩工序简单，功效高，在桩数较多的前提下，可抵消预制桩价格较高的缺点；工期比较紧的工程，使用预制桩可缩短工期；地下水位较高或水下工程；对噪声污染、挤土和振动影响没有严格限制的地区。

2、灌注桩

灌注桩可分为钻孔灌注桩、沉管灌注桩和人工挖孔灌注桩等几类。

根据施工方法的不同，各种种类的桩基具有不同的使用条件，（1）钻（冲）孔灌注桩适用范围最广，通常适用于持力层层面起伏较大，桩身穿越各类土层以及夹层多、风化不均、软硬变化大的岩层；如持力层为硬质岩层或土层中夹有大块石等，应采用冲孔灌注桩；（2）沉管灌注桩适用条件：适用于持力层层面起伏较大、且桩身穿越的土层主要为高、中压缩性黏性土；遇到淤泥层时处理比较困难。（3）人工挖孔桩适用条件：适用于地下水位较深，或能采用井点降水的地下水位较浅、持力层较浅且持力层以上无流动性淤泥质土中的大直径桩。

3、CFG桩复合地基

3.1 水泥粉煤灰碎石桩是由碎石、石屑、砂、粉煤灰掺适量水泥加水拌合，用各种成桩机制成的可变强度桩，简称CFG桩。CFG桩复合地基属刚桩复合地基，是由两种不同刚度的材料，CFG桩和桩间土通过褥垫层形成CFG桩复合地基。褥垫层是由粒状材料组成的散体垫层，褥垫层可使桩，同承担荷载，起到调整桩和桩间土垂直及水平荷载，减少基础底面应力集中的作用。

3.2 CFG桩的特点：（1）改变桩长、桩径，桩距等设计参数，可使承载力在较大范围内调整。（2）可有效提高地基承载力，对软土地基承载力提高更大。（3）沉降量小，变形稳定快，如将CFG桩落在较硬的土层上，可较严谨的控制地基沉降量。（4）工艺性较好，由于大量采用粉煤灰，桩体材料具有良好的流动性与易性，灌注方便，易于控制施工质量。CFG桩复合地基则具有承载力提高幅度大，可调性强的特点。

3.3 CFG桩复合地基适用范围：CFG桩复合地基一般适用于处理粘性土、粉土、砂土、人工填土和淤泥质土地基；既可用于挤密效果好的土，又可用于挤密效果差的土。当CFG桩用于挤密效果好的土时，承载力的提高既有挤密作用又有置换作用；当CFG桩用于挤密效果差的土时承载力的提高只与置换作用有关。与其他复合地基的桩型相比，CFG桩由于桩体材料轻，置换作用特别明显。就基础形式而言，CFG桩复合地基既适用于条形基础（有地梁）、独立基础、有适用于伐基，箱型基础。

3.4 CFG桩复合地基的基本原理：在CFG桩复合地基中，上部结构传来的荷载是由CFG桩体、桩周土和褥垫层共同承担的。褥垫层将上部基础的基底压力或水平力通过适当的变形以一定的比例分配给桩及桩周土使两者共同受力，同时土由于桩的挤密作用提高了承载力，而桩又由于周围土体的侧应力的增加而改善了受力性能。以下对CFG桩复合地基中的桩、桩周土和褥垫层的作用进行讨论。

3.4.1 对于散填土、松散粉细砂、粉土，由于振动沉管CFG桩的振动和侧向挤压作用使桩间土孔隙比减小，含水量降低，土的干密度和内摩擦角有所增加，土的物理力学性能得到改善，从而提高桩间土的承载力。

3.4.2 CFG桩复合地基在成桩初期，因桩孔内和周边充填过滤性较好的粗颗粒填料，在地基中就形成了渗透性能良好的人工竖向排水、减压的通道，使孔隙水沿桩体向上排出，可以有效的消散和防止振冲产生的超孔隙水压力的增高，加速地基的排水，这种排水作用不但不会降低桩体强度，而且可以使土体强度恢复并超出原土体天然承载力。

3.4.3 CFG桩复合地基成桩过程中，振冲器以一定的振动频率或冲击水平向加速激振土体，使填料和地基土在提高相对密实度的同时获得强烈的预震。提高了砂土抗液化能力。

3.4.4 CFG桩中的水泥经水解和水化反应以及与粉煤灰的凝硬反应，生成不溶于水的稳定结晶化合物，他能使桩体的抗剪强度和变形模量大大提高，所以在荷载作用下，CFG桩的压缩性明显比桩间土小，因此基础传给复合地基的附加压力，随地层的变形逐渐集中到桩体上，出现了应力集中现象，大部分荷载将由桩周和桩端承受，桩间土应力相应减小，于是复合地基的承载力比原有地基承载力有所提高。

3.4.5 在无侧向约束的土体，受荷后其侧向变形比有侧向约束的大，从而使垂直应力集中，由于CFG桩对桩周土体侧向变形的限制，使侧向变形减小，相应地也减小了垂直变形。

三、高层建筑桩筏基础桩型的设计思路

高层建筑桩筏基础桩型筛选时主要依据以下几个方面考虑：

1、桩型的选择要求所选桩型在该地质条件下是可以施工的，施工质量可以保证，且能够最大限度的发挥地基和桩身的潜在能力，如果所选桩型不适用于工程场地条件，则会造成施工困难，延误工期，带来质量安全隐患及经济损失。（2）选择桩型必须考虑所设计建筑物类型、上部结构特点、荷载大小及对变形的要求等因素，例如对于荷载较大的建筑应该尽量选用单桩承载力较高的桩型，避免使用过多的桩数产生挤土效应。一般来说，对于沉管灌注桩受桩身穿越硬土层能力和机具施工能力的限制，不能提供较大的单桩承载力，仅适用于多层、小高层建筑，而大直径钻孔灌注桩、人工挖孔桩、钢管桩等单桩承载力较高，可以适用于荷载较大的高层建筑。（3）选择桩型时应该根据现场的地质状况及环境条件，尽量选取能够利用现场施工设备与技术达到预定目标、能够保证工程实施顺利进行且成本能够控制在预定的范围之内的桩型。一般对于比较重要的工程而言，通常应首先考虑当地施工与设计经验相对成熟的桩型。另外，在所收集资料的基础上，分析工程实施中将会遇到的施工问题及难点，施工现场条件的制约情况以及施工现场影响桩基础工程的环境因素等，要求所选桩型要具有解决问题的能力。（4）从技术经济效果考虑：在可选的桩型中，应具有技术、经济上的优越性。即桩型的最后选定要进行技术经济综合分析，并兼顾考虑环境效益和社会效益，此外，还应该考虑工期问题，如果所选桩型在具体实施中所需工期比较长，也会造成一定的经济损失。

总之，桩基础是一个综合性很强的系统工程，科学合理的选择桩基础类型应根据工程地质与水文地质条件、施工现场周边环境、施工机械设备及施工季节影响等各种因素综合考虑，并因地制宜的进行选择。

参考文献：

[1] 王成华.基础工程学[M].天津：天津大学出版社，2002.

[2] 周景星等.基础工程（第 2 版）[M].北京：清华大学出版社，2007.

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