浅谈建筑结构基础类型及选型

浅谈建筑结构基础类型及选型

陈碧冰

深圳市华阳国际工程设计股份有限公司广州分公司

摘要：基于对建筑结构基础选型的研究，首先，阐述建筑结构基础的概念，分析结构基础的分类及各种的特点，研究建筑结构的选型等措施。

关键词：地基与基础；基础类型；浅基础；深基础；独立基础；柱下条形基础；桩基础；筏板基础等

地基和基础工程，通常包括土方工程、地基处理、桩基础、深基坑挡土支护及降水工程等。我国地域广阔、地质条件千差万别；我们每年的基本建设量大面广，这些都为地基基础工程的发展提供了有利条件，也锻炼了我们的设计和施工队伍。对基础的分类和选型工作，是每个建筑物结构设计时必须涉及的领域。对各类基础的认识和分析，能更清晰的指导结构设计。

1、地基与基础的概念

地基是指支承基础的土体或岩体。地基具有一定的深度与范围，当地基有两层及以上的土层时，将直接与地基接触的土层称为持力层，持力层以下的土层为下卧层。

基础是指将结构所承受的各种作用传递到地基上的结构组成部分，它具有承上启下的作用。

地基与基础是建筑物的根基，因此，地基和基础的设计往往是不可截然分割的，基础设计时，除需保证基础结构本身具有足够刚度和强度外，同时还需要选择合理的基础尺寸和布置方案，使地基的强度和变形满足规范的要求。

2、基础的类型

（1）基础按埋置深度来划分，可分为浅基础和深基础。

1）浅基础（埋深不超过5米）：包括天然地基上的浅基础和人工地基上浅基础。浅基础通过基础底面把所承受的荷载扩散分布于地基的浅层；天然地基上的浅基础，结构比较简单，便于施工，且工期短、造价低，最为经济，如能满足强度和变形要求，宜优先选用。

2）深基础（埋深大于5米）：包括桩基础、墩基础、筏板基础、地下连续墙、沉井、沉箱等。深基础是埋深较大，以下部坚实土层或岩层作为持力层的基础，其作用是把所承受的荷载相对集中地传递到地基的深层。

当建筑场地的浅层土质不能满足建筑物对地基承载力和变形的要求，而又不适宜采用地基处理措施时，应考虑采用深基础。相对于浅基础，深基础埋入地层较深。结构形式和施工方法较浅基础复杂，在设计计算时需考虑基础侧面土体的影响。

（2）基础按形式来区分，可分为独立基础、柱下条形基础、桩基础、筏板基础、箱形基础等。

基础的选型需根据工程项目性质，现场地质情况，根据经济性分析的结果，综合考虑施工工艺及施工速度、施工条件以及施工环境等来选取

3、常用基础的特点及选型

1）独立基础

独立基础是一种较为常见的基础形式，其经济性较强。独立基础可分为两类，可分为刚性基础与钢筋混凝土基础（柔性基础）。

刚性基础一般由毛石、砖或者素混凝土或毛石混凝土、灰土和三合土等材料组成，基础台阶高宽比，需要保证满足施工标准与施工要求。常见的是无筋扩展基础。无筋扩展基础的这些材料都是脆性材料，有较好的抗压性能，但抗拉、抗剪强度往往很低。

故无筋扩展基础可用于6层和6层以下（三合土基础不宜超过4层）的民用建筑和轻型厂房。如下图这几种形式

其中（a）砖基础；（b）毛石基础；（c）灰土基础；（d）毛石混凝土基础

钢筋混凝土基础包括柱下钢筋混凝土独立基础和墙下钢筋混凝土条形基础。这种基础抗弯和抗剪性能良好，特别适用于“宽基浅埋”或有地下水时。由于扩展基础有较好的抗弯能力，通常被看作柔性基础。这种基础能发挥钢筋的抗弯性能及混凝土抗压性能，适用范围广。如下图

其中（a）钢筋混凝土条形基础；（b）现浇独立基础；（c）预制杯形基础

当上部结构荷载较大、地基土的承载力较低时，采用刚性基础或柱下独立基础往往不能满足地基强度和变形的要求。为增加基础刚度，防止由于过大的不均匀沉降引起的上部结构的开裂和损坏，常采用柱下条形基础。根据刚度的需要，柱下条形基础可沿纵向设置，也可沿纵横向设置而形成双向条形基础，称为交梁基础。

如果柱网下的地基土较软弱，土的压缩性或柱荷载的分布沿两个柱列方向都很不均匀，则可采用交梁基础。该基础形式多用于框架结构。

2）桩基础

当地基土上部为软弱土，且荷载很大，采用浅基础已不能满足地基强度和变形的要求，可利用地基下部比较坚硬的土层作为基础的持力层设计成深基础。桩基础是最常见的深基础，广泛应用于各种工业与民用建筑中。

桩基础是由桩和承台两部分组成，如图所示。桩在平面上可以排成一排或几排，所有桩的顶部由承台联成一个整体并传递荷载。

承台

桩的分类

（1）按施工方式分类

按施工方法的不同可分为预制桩和灌注桩两大类。

（2）按桩身材料分类

①混凝土桩

混凝土桩又可分为混凝土预制桩和混凝土灌注桩（简称灌注桩）两类。

②钢桩

常见的是型钢和钢管两类。钢桩的优点是抗压抗弯强度高，施工方便；缺点是价格高，易腐蚀。

③组合桩

即采用两种材料组合而成的桩。例如，钢管桩内填充混凝土，或上部为钢管桩、下部为混凝土桩。

（3）按桩的承载性状分类

①摩擦型桩

摩擦桩：在极限承载力状态下，桩顶荷载由桩侧阻力承受。

端承摩擦桩：在极限承载力状态下，桩顶荷载主要由桩侧阻力承受，部分桩顶荷载由桩端阻力承受。

②端承型桩

端承桩：在极限承载力状态下，桩顶荷载由桩端阻力承受。

摩擦端承桩：在极限承载力状态下，桩顶荷载主要由桩端阻力承受，部分桩顶荷载由桩侧阻力承受。

（4）按成桩方法分类

根据成桩方法和成桩过程中的挤土效应将桩分为以下几种：

①挤土桩

这类桩在设置过程中，桩周土被挤开，土体受到挠动，使土的工程性质与天然状态相比发生较大变化。这类桩主要包括挤土预制桩（打入或静压）、挤土灌注桩（如振动、锤击沉管灌注桩，爆扩灌注桩）。

②部分挤土桩

这类桩在设置过程中由于挤土作用轻微，故桩周土的工程性质变化不大。主要有打入截面厚度不大的I字型和H型钢桩、冲击成孔灌注桩和开口钢管桩、预钻孔打入式灌注桩等。

③非挤土桩

这类桩在设置过程中将相应于桩身体积的土挖出。这类桩主要是各种形式的钻孔桩、挖孔桩等。

常用桩基：预应力管桩、人工挖孔灌注桩、旋挖桩、钻（冲）孔灌注桩。

预应力管桩和人工挖孔灌注桩受条件限制，钻（冲）孔扩底灌注桩和旋挖桩可用于大多数情况。

预应力管桩又分静压预应力管桩和锤击预应力管桩。静压预应力管桩低噪音、无振动、无污染，可24小时施工，施工速度快，工效高，工期短，成桩质量可靠。不好之处是具有挤土效应，对周围建筑有一定的影响，当有地下障碍物或孤石较多时难以施工。而锤击预应力管桩成桩质量优于静压桩，当时噪音大，对环境有一定影响。

高层塔楼可采用预应力管桩，一般以全风化、强风化为桩端持力层。

人工挖孔灌注桩是指采用人工挖土成孔，然后安放钢筋笼，灌注混凝土成桩。人工挖孔灌注桩成孔方法简单，单桩承载力高，桩径不宜小于800mm，一般为800～2000mm，桩长一般为20m左右，桩端可采用扩底或不扩底两种方法。施工时无振动、无噪声，施工设备简单，可同时开挖多根桩以节省工期。人工挖孔桩施工时，采用人工在井下作业，因此，必须采取有效的措施确保孔壁的稳定，常用的护壁措施有现浇混凝土护圈、钢套管和沉井三种。施工时须做好现场降水，周边构筑物及水管沉降，挖孔过程安全管理等工作。

钻孔灌注桩是指在工程现场通过机械钻孔、钢管挤土或人力挖掘等手段在地基土中形成桩孔，并在其内放置钢筋笼、灌注混凝土而做成的桩，依照成孔方法不同，灌注桩又可分为沉管灌注桩、钻孔灌注桩和挖孔灌注桩等几类。

旋挖桩是有由旋挖钻机施工的桩，设备先进，定位准确，成孔速度快，质量高，是目前最先进的桩基机械成孔工艺。施工过程中不须降水，对周边建构筑物及地下管线基本没有影响，安全风险远比人工挖孔桩低。施工过程中可更换不同钻具，桩径要合理规并，提高施工效率

高层塔楼可人工挖孔灌注桩及冲（钻）孔灌注桩。人工挖孔灌注桩一般以中、微风化岩为桩端持力层。冲（钻）孔灌注桩以强风化粉砂岩或完整的中微风化为桩端持力层。

岩溶中等及强烈发育场地，不应采用人工挖孔灌注桩基础，不宜采用锤击式预应力混凝土管桩基础，宜采用冲（钻）孔灌注桩。

3）筏板基础

当地基特别软弱，上部荷载很大，用交梁基础将导致基础宽度较大而又相互接近时，或有地下室，可将基础底板联成一片而成为筏形基础。

筏形基础可分为墙下筏形基础和柱下筏形基础。柱下筏形基础常有平板式和梁板式两种。平板式筏形基础是在地基上做一块钢筋混凝土底板，柱子通过柱脚支承在底板上；梁板式筏形基础分为下梁板式和上梁板式，下梁板式基础底板上面平整，可作建筑物底层地面。筏形基础，特别是梁板式筏形基础整体刚度较大，能很好地调整不均匀沉降，常用于高层建筑中。

对于荷载较大的裙房基础，当基底持力层承载力难以满足独基要求时，也可考虑整体筏板基础，局部加柱墩的形式。

结束语

综上所述，基础的类型很多，设计过程需要根据上部结构的实际受力情况，结合岩土勘察报告，综合考虑经济型，同时还需结合施工的工艺和对环境的影响，对基础的选型进行分析，选用更优的方案。保证建筑结构的质量安全，为我国建筑事业的更好发展提供保障。