土木工程結構設計與地基加固技術探究

李雪玲

（山東協和學院，山東 濟南 250107）

土木工程作為基礎設施建設的重要組成部分，對于人類社會的發展和安全至關重要。然而，土木工程在面臨自然環境的影響和工程要求的挑戰時，常常面臨耐久性和安全性的問題。為了提高土木工程的質量和可持續性，結構設計和地基加固技術成為不可或缺的關鍵因素。

1 土木工程結構設計和地基加固技術的作用

1.1 提高土木工程的耐久性

土木工程結構設計和地基加固技術在提高土木工程的耐久性方面起著關鍵作用。結構設計師會根據項目要求和環境條件選擇適當的材料，耐久性強的材料能夠抵御時間、環境和負載的影響，延長土木工程的使用壽命。例如，使用高強度混凝土或耐候鋼等材料可以提高結構的抗腐蝕性和耐久性。同時，結構設計師會考慮到土木工程所面臨的各種環境和外界條件，采取措施來保護結構免受損害。這可能包括使用防水層、防腐涂層和隔熱材料等，以防止水分、化學物質、紫外線和其他因素對結構造成損害。

1.2 增強土木工程的抗震能力

土木工程的抗震設計是確保結構在地震事件中能夠承受地震力量并保持完整性的關鍵因素，結構設計師會考慮到地震荷載的作用，并采用合適的設計方法來提高結構的抗震能力，包括選擇適當的結構形式、配置合理的構件和連接方式，以及使用抗震材料等。峰值位移指標（Peak Ground Displacement，PGD）指結構在地震作用下所發生的最大位移，它反映了結構對地震動的響應程度，是評估結構性能的重要指標。

其中，u表示結構的位移響應，max表示取位移響應的最大值。在土木工程中，應將峰值位移限制在結構高度的1%以內或0.5%以內，土木工程中的抗震技術包括各種方法和技術，旨在增強結構對地震荷載的抵抗能力，包括抗震支撐系統、減震裝置、阻尼器和隔震設備等，可以減少地震力的傳遞和結構的震動響應，從而降低結構破壞的風險。在土木工程結構設計中，結構合理性對于增強抗震能力至關重要，通過合理布置結構構件、設置適當的剪力墻、拱、橫梁等，可以提高結構的剛度和穩定性，增強其抗震能力。

2 土木工程結構設計

2.1 剪力墻結構設計

剪力墻是一種常用的結構形式，用于提供土木工程的抗震能力和穩定性。它是由連續的垂直墻體構成，通過吸收和分散地震力量，將其傳遞到地基并保護建筑結構。第一，剪力墻應布置在建筑結構的關鍵位置，通常位于建筑的外圍或內部核心區域，在布置剪力墻時，要考慮到結構的幾何形狀、建筑功能和空間布局等因素。第二，剪力墻的形狀和尺寸應根據土木工程的設計要求進行確定。通常，剪力墻的高度較大，延伸從地基到建筑物的上部，以提供足夠的剛度和穩定性。剪力墻可以是直墻、L型墻、U型墻或C型墻等形式，根據具體情況選擇適當的形狀，其特點如表1所示。第三，常見的剪力墻材料包括鋼筋混凝土、預應力混凝土或砌塊。材料的選擇取決于土木工程的設計要求和地震區域的特點，高強度混凝土和鋼筋可以提供剪力墻所需的剛度和強度。第四，剪力墻應設計適當的縱向和橫向鋼筋配置，以提供足夠的抗剪和抗彎剛度，縱向鋼筋用于抵抗墻體的彎曲力和剪切力，而橫向鋼筋用于增加墻體的抗震能力。第五，剪力墻與土木工程的其他結構構件，如梁、柱和樓板等，需要進行良好的連接，連接方式可以采用焊接、螺栓或鋼筋混凝土節點等，以確保剪力墻和其他構件間的力的傳遞和協同工作。第六，剪力墻的抗震設計是確保其在地震荷載下發揮預期功能的關鍵。設計時要考慮到地震力的作用，包括水平地震力和垂直地震力，通過合理的分析和計算，確定剪力墻的尺寸、鋼筋配置和墻體厚度等參數，以滿足設計要求。

表1 不同剪力墻結構特點

2.2 鋼筋混凝土結構設計

鋼筋混凝土結構是土木工程中常見且廣泛應用的結構形式，具有優秀的強度、剛度和耐久性。鋼筋混凝土結構設計的第一步是確定作用于結構的各種荷載，包括常規荷載（如自重、使用荷載）和可變荷載（如風荷載、雪荷載），通過荷載計算和分析，確定結構所需的強度和剛度。第二，根據土木工程的具體要求和功能，選擇適當的結構形式，如框架結構、平面框架結構、梁柱結構等，結構形式的選擇應考慮到建筑物的幾何形狀、空間布局和使用要求。第三，設計各種結構構件，如梁、柱、樓板和基礎等，根據荷載計算和結構形式，確定構件的尺寸、鋼筋配置和混凝土強度等參數，構件的設計應滿足強度、剛度、穩定性和耐久性的要求。第四，在鋼筋混凝土結構設計中，鋼筋的配置對結構的強度和剛度至關重要，通過合理布置和設計鋼筋，可以抵抗結構受力時的彎曲、剪切和扭轉等力的作用，鋼筋配置應遵循國家和地區的建筑標準和規范。第五，混凝土是鋼筋混凝土結構的重要組成部分，混凝土配合比設計包括確定水泥、砂、骨料和水的比例，以滿足結構的強度和耐久性要求，混凝土的設計應考慮到材料的可獲得性、施工工藝和耐久性等因素。

2.3 承重結構設計

在土木工程結構設計中，特別是對于不同地區的建筑物，考慮到地理位置和相關因素的影響是至關重要的。不同地區具有不同的地理位置和氣候條件，如海岸地區、高海拔地區、熱帶地區等，這些因素會影響建筑物所需的抗風能力、抗雨水侵入能力和耐久性等，設計人員需要根據地理位置的特點，選擇合適的建筑結構和材料，以應對當地的氣候和環境條件。地質條件對建筑物的抗震能力和穩定性有重要影響。例如，存在地質問題的地區，如軟土地基、巖石地層、地下水位較高等，需要進行地質勘測和分析，并采取相應的地基加固措施，以增強建筑物的抗震能力。

3 地基加固技術在土木工程設計中的應用

3.1 排水固結技術

3.1.1 真空預壓法

真空預壓法是地基加固技術中的一種常用方法，用于改善黏性土地基的工程性質，尤其是在軟土地區。真空預壓法利用負壓作用，通過排空土層中的空氣，降低土體內的孔隙水壓力，促使地下水從豎向方向排出，從而提高土體的有效應力和壓縮強度。真空泵通過抽取土壤中的空氣，產生負壓，將土壤顆粒更加緊密地結合在一起，使土體的固結時間大幅縮短。真空預壓法可以顯著加快地基固結速度，縮短施工周期，通過真空預壓法，土體的有效應力和壓縮強度得到提高，從而改善地基的工程性質，如承載力、穩定性和變形性能。

3.1.2 堆載預壓法

堆載預壓法通過堆載填土并施加荷載，使地基產生沉降，從而增加地基的有效應力和固結，提高地基的承載力，在加載過程中，預壓荷載力要超過項目工程的荷載，以確保地基能夠承受預期的荷載。施工人員需要根據土木工程的設計要求和地基的情況，確定合適的預壓荷載力，預壓荷載力應超過項目工程的荷載，并控制在建筑荷載的1.3倍左右。在地基上堆載填土，通過逐層填充和均勻壓實，形成一定厚度的填土層，以及在填土層上施加荷載，使地基開始沉降，并產生固結效應，荷載的施加可以通過靜載或動載的方式進行，具體根據項目要求和工程實際情況確定。

3.2 樁基加固技術

樁基加固技術是通過在地基中插入樁來增加地基的承載能力和穩定性。樁基加固技術通過將樁體插入地下，利用樁的承載能力和側阻力來轉移結構荷載到更深的土層或巖石中，樁的插入可以增加地基的承載能力、改善地基的穩定性、減小地基的沉降和變形。在樁基施工過程中，需要根據設計要求和地基情況選擇合適的樁基類型，并進行相關的施工準備工作，如勘察、標定樁位和準備施工設備，以及根據設計要求和施工方法，進行鉆孔或振動插樁操作，鉆孔樁需要先進行鉆孔，然后進行樁身灌注；而振動插樁則是通過機械振動或沖擊的方式將預制樁或鋼筋混凝土樁插入地下。對于鉆孔灌注樁和鋼筋混凝土灌注樁，需要在樁孔中進行混凝土灌注，確保樁體的牢固和連接性。同時，根據工程要求和設計，對樁頂進行處理，如修剪、加固或安裝鋼板等，以連接到建筑結構或其他地基構件。樁基加固技術可以增加地基的承載能力，適用承受大荷載的建筑物和基礎設施，樁的插入可以改善地基的穩定性，尤其是在軟土地區和地震區域。

3.3 地基強夯加固技術

地基強夯加固技術利用沖擊裝置（例如沉重的鋼質錘頭）或夯實工具在地表上進行沖擊，將沖擊能量傳遞到地下土層，沖擊能量的傳遞會引起土層顆粒的振動和重排，從而增加土層的密實度和抗剪強度，提高地基的承載能力。在施工過程中，要根據工程要求和地基情況，確定地基強夯的施工方案和設備選擇。同時，進行現場勘察和土壤測試，了解地基的土質特性和力學性質。同時，根據設計要求和施工方案，將沖擊裝置或夯實工具放置在地表上，進行沖擊作業，沖擊時應控制沖擊力和頻率，以避免對周圍結構和設施造成不良影響。在強夯施工過程中，需要進行間隙觀測和監測，以監測地基的沉降和變形情況，通過實時監測，調整施工參數，確保施工效果和地基穩定性。

3.4 化學加固技術

深層攪拌法和注漿加固法是化學加固技術中常用的方法，用于改善地基的力學性能和提高地基的承載能力。①深層攪拌法。深層攪拌法是一種通過在原有地基結構中加入水泥、石灰等建筑材料，并通過深層攪拌技術形成牢固的復合型地基的加固方法，使用特殊設備在地基中進行攪拌，將建筑材料均勻分布于地基土層中。攪拌過程中，旋轉刀具或螺旋槳會將土壤與建筑材料混合，形成牢固的復合型地基，攪拌后的建筑材料與土壤發生反應，形成固結和強化作用。水泥或石灰會與土壤顆粒結合，增加土壤的強度和穩定性。深層攪拌法適用于需要增加地基承載能力、避免不均勻沉降的工程，如高層建筑、橋梁和堤壩等。②注漿加固法。注漿加固法是一種通過注入特定的固化材料（注漿材料）到地基中，以改善地基土的力學性能和增加地基的承載能力的方法。注漿材料與地基土發生反應，并固結、硬化。固結過程中，注漿材料填充孔隙，與土壤形成牢固的結合，增加地基的強度和穩定性。注漿加固法適用于巖石結構不穩定、土層孔隙多等地基問題，如基坑支護、隧道工程和地下管道等。

3.5 加筋加固技術

加筋加固技術主要包括錨固法、加筋土法及豎向加筋復合地基法。錨固法主要是通過使用減壓材料如土釘來減少地基邊緣處水平方向的力，以提高地基邊緣的穩定性，防止地基邊緣沉降。它的主要目的是通過增加地基邊緣的抗拉能力，以抵抗地基土壤的水平推力，從而確保地基的整體穩定性。在施工過程中，土釘會被嵌入地基邊緣或近地表的土體中，并與地基結構進行固定連接。這樣可以有效減少地基邊緣土壤的水平位移，防止邊緣部分的沉降，從而提高地基的整體穩定性。加筋土法適用于淺層軟土地基的加固和處理，淺層軟土指的是地下較淺處的松軟土層，其力學性質較差，抗壓、抗剪能力較低。加筋土法需要選擇合適的加筋材料，常用的包括鋼筋、纖維增強材料等，這些材料具有較高的抗拉強度和剛度，可以增加地基的承載能力。豎向加筋復合地基法主要適用于深部軟土地基，例如大型建筑物、橋梁、堤壩等工程，對于這些工程，地基處于深部軟土層，且存在較大的承載要求。預制樁柱是豎向加筋復合地基法中的關鍵組成部分，通常采用鋼筋混凝土或預應力混凝土制成，并通過鉆孔、灌注或沖擊等方式嵌入到地基中，預制樁柱的長度和直徑根據設計要求和地基特性來確定。

4 結論

總之，土木工程結構設計和地基加固技術在現代建筑領域中扮演著重要的角色。通過對土木工程的結構設計和地基加固技術的深入探究，深刻認識到它們對工程的耐久性、抗震能力和安全性的重要性。因此，需要不斷加強對土木工程結構設計和地基加固技術的研究和應用，以推動建筑行業的發展，為人們創造更安全、穩定和可持續的建筑環境。