建筑结构地基基础设计与应用分析

建筑结构地基基础设计与应用分析

周济振1,王晓彤2

1、身份证号：  371311198610193337    2、身份证号：  232324199010205126

摘要：在建筑结构技术蓬勃发展的今天，越来越多的复杂及高层建筑如雨后春笋般的出现，而作为建筑物的基础，在结构的安全及经济性方面应该受到越来越多的重视。本文从地基基础的重要性出发，介绍了建筑结构中常见的基础形式及其适用条件，并且分析了结构基础设计与应用中的要点及难点，总结了地基基础设计中的常见问题，给出地基基础设计的建议。

关键词：结构设计；地基基础；天然地基；桩基

引言：伴随我国经济体量的增大与经济发展速度的加快、建筑技术以及结构计算分析软件的推陈出新，建筑设计及建筑施工行业蓬勃发展，越来越多的复杂及高层结构如雨后春笋般的在中国大地出现。结构基础作为建筑物至关重要的结构构件，一方面要承受上部结构的所有结构荷载，另一方面要将上部荷载以及基础自身荷载传递给地基，地基基础在建筑结构设计中一直占据着举足轻重的作用，另外地基和基础属于隐蔽工程，如果发生事故补救的难度非常大且会引起建筑物倒塌、倾斜、下陷等灾难性后果。所以地基基础设计是上部结构稳定及安全的前提及，基础设计应该引起结构设计从业者的足够重视。

一、建筑结构地基及常见的基础形式

(一)建筑地基

地基为支承基础的土体或岩体[1]，建筑地基基本上可以分为天然地基及人工地基两类。

天然地基为支承建筑物及其基础的那部分天然地层。当地基基础承载力和地基变形满足规范要求时，天然地基的经济性毫无疑问是优于人工地基的，是进行地基基础设计的首选，合理的利用天然地基，使得地基基础设计达到安全、经济的效果是每个结构设计从业人员应有的素质和追求。

当天然地基为淤泥、冲填土、杂填土或其它高压缩性土壤的软弱地基时，地基的承载力和沉降不能满足设计要求，需要对软弱地基进行地基处理，这种经过人工地基处理的地基就是人工地基。常见的地基处理方法有碾压夯实、换土垫层、排水固结、振动挤密、化学加固等方式，每一种地基处理方式都有其优劣性及适用条件，比如，强夯法和振冲挤密法不适合处理饱和软土，液化砂土适合用强夯法、振冲碎石桩、沉管砂石桩进行处理等。目前工程中应用最多也最广泛的地基处理方式有两种，分别为换填垫层法和水泥粉煤灰碎石桩（CFG桩地基）。

(二)常见基础形式及适用条件

基础为将结构所承受的各种作用传递到地基上的结构组成部分[1]。结构基础主要分为扩展基础和桩基础，扩展基础又分为钢筋混凝土扩展基础以及无筋扩展基础。

无筋扩展基础由砖、毛石、混凝土或毛石混凝土、灰土和三合土等材料组成， 且不需要配置钢筋的墙下条形基础或柱下独立基础[1]。无筋扩展基础又称为刚性基础，其主要缺点为变形能力差以及对上部结构依赖大，无筋扩展基础性能的实现要求上部结构能提供足够的刚度，故无筋扩展基础应用的局限性较大，主要用于单层及多层建筑，其中在砌体承重结构中应用最为广泛且经济性较好。

钢筋混凝土扩展基础在混凝土基础底部加配钢筋，利用钢筋来承受基础底部拉力，这样基础能承受更大的弯矩，基础宽度可以大大增加，不受刚性角的限制， 故钢筋混凝土扩展基础又称为柔性基础。钢筋混凝土基础为目前工程中应用最为普遍的基础形式，广泛的应用于目前的多层及高层建筑中，钢筋混凝土扩展基础受力简单明确、施工方便、经济性好，是目前结构设计中首选的基础形式。

桩基是由设置于岩土中的桩和与桩顶连接的承台共同组成的基础或由柱与桩直接连接的单桩基础[2]。按桩的承载性状可分为摩擦桩和端承桩，按照桩基施工工艺可以分为预制桩和灌注桩，按照桩径大小可分为小直径桩、中等直径桩和大直径桩，按照成桩方法可以分为非挤土桩、部分挤土桩和挤土桩。桩基基础整体性好、承载力高并且沉降小，结构布置比较灵活[4]，在工程运用比较普遍，适宜用于高层建筑和采用钢筋混凝土扩展基础不能满足地基承载力和沉降要求的情况，且基桩可以和地基土共同承担竖向荷载形成复合桩基。

二、建筑结构基础设计中的重点及难点

（一）根据上部结构形式及地基特性选择合理的基础形式

上部建筑的结构形式与荷载分布形式制约着合理的结构基础形式，框架结构无地下室时更适用柱下独立基础，框架结构有地下室时更适用筏板加柱墩或者柱下独基加防水板的基础形式，剪力墙结构更适用筏板基础或者墙下条形基础，框剪结构适用独立基础加筏板或者筏板加柱墩的基础形式，框筒结构也适用独立基础加筏板或者筏板加柱墩的基础形式。对于地基承载力和变形能够满足设计要求的情况，优先选择钢筋混凝土扩展基础；对于地基承载力和变形不能够满足设计要求的情况，根据经济性对比和当地施工工艺，可以选择桩基础或者进行地基处理，而桩基础可以为承台桩基、桩筏等，根据工程不同情况，桩基也可与钢筋混凝土扩展基础或者地基处理联合运用，达到更好的经济效果。

（二）明确且不遗漏地基基础设计任务

地基基础设计应根据地基复杂程度、建筑物规模和功能特征以及由于地基问题可能造成建筑物破坏或影响正常使用程度

[1]，正确的选择地基基础设计等级，然后明确基础设计任务与设计任务。基础设计中需要进行必要的承载力、变形、稳定性、抗浮等验算，还要对基础进行受弯、受剪、冲切、局部受压等计算，对于需要进行地基及基础抗震承载力验算的情况，不仅需要进行地基及基础地震作用下的承载力验算还需要进行基础底零应力区的验算。

（三）基础设计中的特殊点及容易忽略的点进行把控

地基地础设计与上部结构设计的不同之处在于，地基基础设计对设计人员经验要求更高，更加注重实际工程经验的判断以及运用规范条文及理论知识的能力，对基础设计中一些特殊的以及容易忽略的点需要我们留意，否则也会因为我们自身的设计疏忽以及判断失误，而导致工程事故的发生。故此，对与基础设计中一些特殊点我们需要格外留意和重点把控，比如桩基础设计中对于桩身周围有液化土的低承台桩基础需要考虑土层液化的影响；再比如桩周存在软弱土层且邻近桩侧地面有大面积堆载导致桩周土沉降超过基桩沉降时，在计算单桩承载力时需要计入桩侧负摩阻力；还有桩基水平承载力的验算以及桩基软弱下卧层的验算等都是我们在进行基础设计时容易忽略也是需要我们设计人员格外注意的地方。

（四）重视基础抗浮设计

近年来，在带地下室建筑以及纯地下建筑中，由地基基础设计中忽略或者未正确的进行基础抗浮设计而导致的工程事故屡有发生，严重危害人们的生命财产安全，我们结构设计从业人员在进行地基基础设计时，一定要高度重视地基基础抗浮设计，对于存在抗浮问题的建筑物一定要慎之又慎。地基基础抗浮问题一般分为整体抗浮问题和局部抗浮问题，整体抗浮问题是由于建筑物整体压重不足而又没采取相应的抗浮设计手段导致，结构存在整体抗浮问题会导致建筑物整体上浮、倾斜等安全事故，当结构整体压重足够而局部压重不足又没有采取相应的抗浮设计手段时会导致结构的局部抗浮问题，基础存在局部抗浮问题会导致基础底板因为局部水浮力过大而开裂破坏，从而产生基础底板渗漏的情况。无论是基础整体抗浮问题还是局部抗浮问题都是我们在地基基础设计中应该严格避免发生的，在目前的工程设计中，解决抗浮问题常用的技术手段主要有增大结构自身压重、抗浮锚杆以及抗拔桩等。增大建筑配重适合用于水浮力不大和建筑条件允许的情况，抗拔桩的运用基本不会受到地质条件限制，抗拔桩同样也可以用作抗压并且使用寿命较长，但是设计中抗拔桩的桩刚度需要正确考虑且施工速度较慢，抗浮锚杆不太适用于较为坚硬的土层且使用寿命较抗拔桩要短，但是抗浮锚杆施工工艺简单，施工速度快。在工程中具体选择哪种抗浮手段，需要结合当地施工技术条件和建筑条件，并且在对比经济性的基础上综合选择。

（五）充分考虑地基基础设计的经济性

建筑基础工程量在土建工程量中占比很高，而我们做结构设计往往重视上部结构工程量优化和经济指标而忽略了地基基础的经济性，而重视地基基础的优化设计往往会收到意想不到的经济效果。对基础设计进行优化，首先要在设计之初针对不同基础形式进行充分的方案比选，在基础设计方案合理的基础上，选择最为经济的基础形式。其次，选择基础方案要和拟建工程当地的施工技术水平和原材料价格以及劳动力成本相结合。再次，在设计过程中对工程材料用量进行把控，比如说在桩基础设计过程中，通过分析不同桩径和桩长的单桩承载力，选择出最优的桩径和桩长，再比如在人防地下室底板设计过程中，当基础底板内力由非人防荷载控制时，底板受拉钢筋的最小配筋率可以不必按照人防受弯构件的最小配筋率考虑。基础优化设计不是一味的降低钢筋用量，二是把材料合理的放在该用的位置，在安全稳定和经济合理之间找到平衡。

三、地基基础设计中的常见问题

（一）地勘报告中的问题

地勘报告作为结构设计人员进行地基基础设计的依据，由于某些客观原因会导致地勘报告不能满足或者不能完全满足设计要求的情况，比如地勘堪点的位置不能满足设计要求、勘探孔的深度不能满足设计要求，再比如地勘报告中未明确抗浮设计水位或者抗浮设计水位不合理等。对于地勘堪点位置不能满足设计要求的情况，如果建设场地地基土层分布比较均匀，而实际勘察点位置与目标勘察点位置相距不远时可以不再进行补勘，除此之外应当提出补勘要求，特别对于高层建筑更应该予以重视；对于勘探孔深度不能满足设计要求的情况会导致无法正确进行地基变形验算或者对于存在软弱下卧层的地基不能进行基础软弱下卧层验算，故对于需要进行地基变形验算或者需要软弱下卧层验算的建筑，应当提出补勘要求。对于勘报告中未明确抗浮设计水位或者抗浮设计水位不合理的情况，特别是对于带地下室的建筑并且存在抗浮问题时，会存在重大安全隐患以及对结构造价产生巨大影响，这需要我们提请甲方进行抗浮水位的论证。

（二）基础施工前不做单桩静载荷试验

由于个别施工单位及建设单位对试验桩确定单桩承载力的重要性认识不足，或者由于工期紧张，试桩会压缩施工工期，会存在仅依靠工程经验估算的的单桩承载力特征值作为设计依据的情况发生。由于地质条件的复杂性，仅依靠工程经验估算可能存在基桩承载力估计不足的情况发生从而埋下安全隐患，也有可能存在对基桩承载力估计过于保守的情况发生而导致工程材料的浪费。所以，不论从安全性还是经济性的角度出发，建设单位、设计单位以及施工单位、监理单位都要提高对试验桩确定基桩承载力的重视。

（三）大底盘地下室基础后浇带封闭

在日常设计工作中，由于后浇带的封闭时间会对整个项目施工工期产生不小的影响，所以很多结构设计人员经常会遇到施工单位询问基础底板后浇带何时封闭的问题。对于温度后浇带而言，如果按照《补偿收缩混凝土应用技术规程》的要求采取了合理的施工措施，温度后浇带是可以提前封闭的。而对于沉降后浇带而言，则必须满足设计师在设计文件中提出的要求才可以封闭，同时施工单位要做好沉降观测，发现问题及时与设计单位沟通解决。

总结：总而言之，建筑结构基础设计是结构设计的重中之重，基础的安全与可靠是整个建筑安全可靠之根本。我们在进行结构基础设计之初，需要根据不同的上部结构类型、材料情况、施工条件、地基土特性综合选择基础形式，在进行基础设计的过程中一定不要遗漏基础设计任务，对需要进行验算的项目做到应算尽算，同时对基础设计中的重点以及容易出错的地方进行重点把控，处理好地基基础设计中常见的问题，进行基础设计时注重经济性对比和基础优化设计，在基础设计中找到安全与经济的平衡点， 以更经济合理的基础设计成就更加安全稳固上部建筑。

参考文献：

[1] 建筑地基基础设计规范:GB 50007-2011[S].北京,中国建筑工业出版社, 2011.

[2] 建筑桩基技术规范:JGJ 94-2008[S].北京,中国建筑工业出版社,2008.

[3] 建筑地基处理技术规范:JGJ 79-2012[S].北京,中国建筑工业出版社,2012.

[4] 朱炳寅,娄宇,杨琦.建筑地基基础设计方法及实例分析[M].北京,中国建筑工业出版社,2013.

[5] 朱宏亮，林涛.抗拔桩与抗浮锚杆经济技术比较[J].山西建筑，2018,44(13)：223-224.