建筑工程地基基礎設計探討

張建清

（天和國咨（廈門）城建設計院）

0 引言

工業與民用建筑的地基和基礎，涉及的學科相當廣泛，包括工程地質、土力學、地基基礎的設計和施工等很多方面。我國幅員遼闊，土質各異，如沿海地區存在深厚軟土，中部地區存在濕陷性黃土，山區存在溶巖土洞。同樣一棟建筑在不同地質設計的基礎必然不同，即使是同一地質，不同設計師由于工程經驗和知識背景的差異，設計基礎方案也可能會良莠不齊，從而影響建筑工程的整體質量。由于基礎設計方案的多樣化，如何根據具體工程條件設計出更經濟合理的基礎方案，即掌握基礎設計的基本流程和思路是很重要的事情。

1 基礎設計的原理

地基基礎設計是建筑物設計的一個重要組成部分。基礎工程造價占工程造價很大比例，在地質復雜地區，可達20%～30%，節約建設資金的潛力很大，如果盲目提高安全度，有時多花費很多資金，卻不能收到良好的效果。因此，具有豐富工程經驗的工程師都十分重視地基與基礎的勘察、設計與施工階段的工作。要求從事結構設計的工程技術人員必須掌握土力學基礎工程的理論知識和實際技能。

基礎設計就是設計一個結構構件使得上部荷載能通過此構件安全高效地傳遞到所在巖土中，并且所在巖土及構件本身能滿足相應的強度和變形要求。基礎設計主要驗算三部分內容：⑴地基足夠穩定；⑵地基的變形不影響建筑使用功能；⑶基礎構件本身強度和耐久性滿足要求。

1.1 地基穩定性

地基就是建筑基礎以下的巖土。隨著基底壓力不斷加大，地基會經歷“壓密階段-剪切階段-破壞階段”三個過程，相應的地基會從彈性變形階段過渡到彈塑性變形直至破壞。地基穩定性就是指基底壓力不得大于地基承載力，否則地基會失穩破壞。地基承載力和土的抗剪強度相關也和基礎埋深、基礎尺寸及基礎周邊超載有關。土的粘聚力、內摩擦角越大，地基承載力越大。基礎埋深越大，基礎越寬和基礎周邊有超載對于地基穩定性也是有利的。

1.2 地基變形

地基變形，和建筑基礎相關的主要指沉降，沉降由基底附加壓力和土體有效應力產生，沉降由分層總和法計算，依據勘察報告查取土層壓縮模量，根據荷載和土層厚度計算出沉降量，并根據地區經驗加以修正。對于不同類型建筑，控制指標不同，如高層結構主要控制沉降量，多層框架結構控制沉降差。計算所得沉降超規范要求時應修改沉降較小的基礎形式或者通過地基處理改善地基壓縮性。

1.3 基礎強度和耐久性

基礎強度即指獨立基礎或者樁基承臺本身抗剪、抗彎、抗沖切滿足要求。基礎耐久性是指地基土及土中水對基礎的鋼筋和混凝土有腐蝕性，基礎設計時應考慮腐蝕性采取相應措施，如增加保護層厚度等。

2 基礎設計相關因素分析

設計時，要考慮場地的工程地質和水文地質條件，同時也要考慮建筑物的使用要求、上部結構特點和施工條件等各種因素，另外新施工工藝和新技術也給設計帶來了更多選擇，以下簡單分析說明。

2.1 上部結構特點

上部結構對基礎的影響主要體現在荷載大小和荷載分布特點。

荷載小的建筑，基底壓力和基底附加壓力都小，對地基承載力要求低，引起的沉降也小。可以優先考慮淺基礎，持力層可選擇原狀好土或經人工壓實處理的一般土，不滿足時再考慮深基礎。如承載力滿足，變形不滿足，可考慮采用減沉復核疏樁基礎。或通過注漿、局部換填等地基處理方法增大基礎變形主要壓縮深度內的壓縮模量，減少沉降。若建筑物的荷載大，如高層建筑，常采用深基礎。

荷載分布主要分為條狀分布或者點狀分布，條狀分布的砌體結構和剪力墻結構更適合條形基礎或條形承臺，也可采用大筏板。點狀荷載可采用獨立基礎或方形承臺。荷載分布與承臺形式相適應的話，傳力會更加直接，相對節省造價。

上部結構的使用功能對基礎的也有影響，對于沉降值或者沉降差有特別要求的精密儀器測量間等，即使淺基礎滿足承載力和變形規范要求，也有可能要設計樁基礎以滿足更嚴格的沉降要求，解決沉降差問題則可采用整體性較好的筏板基礎或者獨立承臺間增設拉梁。

2.2 地質條件影響

地基基礎是一門以經驗為主的學科，在進行基礎設計時，必須堅持因地制宜的原則，充分考慮當地的地質條件以及本地的基礎設計經驗，合理地進行基礎設計，地基基礎設計有一定的地域性。例如同樣是沿海地帶，廣東珠海一帶對深厚淤泥地基常采用預壓或者抽真空加固，而福建地區則更多采用承臺范圍幾米內淤泥采用水泥攪拌樁加固，同時限制管樁樁徑的做法，避免剛度過小樁被擠歪。

地質勘察資料是基礎設計的前置條件，我們基礎設計的承載力、壓縮模量、抗浮設計地下水位等參數取值都應以勘察報告為依據。

當軟弱土層下直接為密實卵石層，碎塊狀花崗巖或中微風化花崗巖，且選取以上土層為持力層時不得選用預制樁基礎。因為管樁一旦穿過覆蓋層就立即接觸硬層，貫入度會立即變得很小，樁身反彈特別厲害，管樁容易出現破壞現象；或樁尖變形、或樁頭打碎，或樁身破裂。預制樁適用于從上到下，土層從軟到硬漸變的地基。

對于灌注樁基礎，理論上最好不要以砂層、殘積性黏土層、強風化花崗巖層為持力層，因為孔底沉渣無法清理干凈。強風化層和黏土層遇水軟化，承載力會急劇降低。砂層會由于清渣作用，水土流失，密實性變差，同樣降低承載力。

對于特殊性土，除了常規考慮外，設計時還得研習相關規范，如軟土及濕陷性黃土地基樁基設計時得考慮負摩阻力的影響，膨脹土和凍土地基得考慮脹拔力和凍拔力影響。

對于特殊項目的勘察報告，除了照本宣科設計，我們還要能站在設計的角度，對勘察內容和勘察成果提要求。如對于巖溶土洞地區，當可能采用單柱單樁設計時，則應要求地勘采用超前鉆，每柱都設勘探點。對于地質起伏較大的項目，在初勘資料出來后，如有需要則可要求勘察單位加密勘探點補勘，以獲得更全面的設計資料。

受限于勘探成本和勘探工期的限制，勘察報告上的部分參數也是經驗取值，并無實驗驗證，其精確性有一定局限性。有時設計為了進一步驗證地勘準確性也可協調業主單位組織做更有說服力的原位載荷實驗。

案例⑴：福州某高層住宅項目，采用樁基礎，設計時根據勘察報告和規范經驗公式，樁基承載力特征值取3100KN。施工前組織試打樁并且做載荷實驗，在荷載加載5500KN時，樁頂總沉降量已達40mm，最后設計承載力特征值修正為2600KN。施工前試打樁及時論證樁基承載力，避免了大面積補樁。

案例⑵：莆田綬溪片區某高層住宅項目，地處山坡地，屬于山地項目。項目底板標高為原始土面往下開挖10-14m，底板底土層為強風化凝灰巖。地勘報告土層修正后承載力取500KPa，32層項目基底壓力約為550KPa，按地勘數據應采用樁基礎。由于兩者數值相差不大存在做筏板基礎的可能性，我們建議業主單位組織做按600KPa 的承載力要求去做淺層平板載荷實驗。根據實驗結果，荷載加載至1200KPa 時承壓板沉降小于6%，承載力特征值修正為600KPa，項目按淺基礎設計，節約了大量經濟成本和項目工期。該項目已竣備，沉降觀測數據未見異常。

2.3 施工條件的影響

設計前應落實施工條件，如設計管樁時，應落實項目所在地是否臨近學校、居民區等對噪音敏感的建筑物，如有則大概率要按靜壓樁設計，不得采用錘擊工藝。對于卵石層厚的項目，如不能采用錘擊工藝，靜壓施工時設計說明應寫明引孔做法。

施工順序也會對基礎設計有一定影響，部分項目先開挖基坑再打樁，常常出現地下室預制邊樁沒有空間施工的問題。設計應根據現場情況把部分預制樁改為灌注樁，或當現場采用邊樁器施工預制樁時，承載力不滿足設計要求，設計應復核補強。

基礎檢測批次對基礎設計也有一定影響。如地下室基礎采用管樁時，部分設計師為了追求樁數最少精細化設計采用500/600 徑多種型號組合。但現場頻繁換樁頭，且導致了靜載檢測樁數的增加，靜載費用單根樁1 萬多，相當于2 根500 徑30m 的樁，總賬算起來不一定劃算。

2.4 新施工工藝和新技術

新技術和新工藝為設計帶來了更多的工具和選擇余地。下面簡單介紹下兩種新技術“植樁+超高強管樁”、“可控剛度樁筏基礎”的應用。

⑴植樁法。所謂植樁法就是預制樁施工時，按照設計要求的樁長，預先鉆孔至設計標高，再埋入預制樁的施工方法。若在鉆孔內注入水泥漿、砂漿、細石混凝土或其他固樁材料，再植入預制樁，可以形成復合管樁，如圖1。

圖1

圖2

圖3

植樁法主要能解決基巖埋深較淺的情況，采用預制樁無法達到設計樁長，采用灌注樁造價又較高，此時采用兩者中和的植樁法能較好解決以上問題。以某項目為例，植樁法和灌注樁經濟性對比如表1。

表1

⑵可控剛度樁筏基礎。適用于孤石多成樁困難且基底為好土地區，原理是在灌注樁樁頂安裝可以協調變形的支座，協調樁土剛度不差太多，使得樁土可以共同作用，上部荷載部分分擔給土，減少了樁數，從而節約造價和工期。以某項目為例，可控剛度樁筏基礎和純灌注樁基礎對比如下（樁數由81根減少為59）。

3 基礎設計基本流程

基礎設計基本流程是：⑴收集項目施工條件，施工順序，當地是否有禁用工藝等信息，設計時提前避免。⑵根據項目建筑資料，建模計算柱底力，根據柱底力大小和項目功能初步估計基礎形式。⑶更重要的仔細分析地質和水文條件，判斷成樁難度，預估能用的基礎形式和確定基礎所需驗算內容。⑷布置基礎，輸入荷載和地勘參數通過電算加以驗證修改。⑸遇到特殊地質或復雜地質時，還可考慮新工藝新技術是否能用上。⑹對按照以上步驟篩選出來的基礎方案進行造價和工期對比，選出更優解。

4 結語

綜上所述，地基基礎設計是建筑工程結構設計的重要部分，對建設項目工期和造價都影響巨大，也是業主的關切點。根據本次對地基基礎設計原理和相關影響因素的分析，可以看出，基礎設計相對復雜并且和個人工作經驗個人知識背景息息相關。