桩筏基础设计方案优化若干问题
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摘要：对于高层建筑的基础设计，桩筏基础应用越来越广泛，源于其在控制沉降和满足承载力方面的可靠性。但基于设计优化的角度，桩筏基础设计中的一些问题值得进行探讨，诸如设计思路中对承载力提高与沉降控制两种思想的侧重，布桩方案中所谓“外强内弱”与“内强外弱”择选，及设计优化方法优劣探讨等。
中图分类号： S611 文献标识码： A 文章编号：
基于实践，对于桩筏基础设计的探讨方向及问题，归纳为以下几个方面：设计思路的选择，主要为侧重于沉降控制，还是侧重承载力控制的设计思路；布桩方式的选择；对筏基下土体承载能力的考虑和相应举措；柱墙下面布桩的合理与可行与否；还有如何实现更好的优化设计。以上各问题与模块相互关联，互相影响，通常需整体考虑，互相借衬。
1设计思路的选择
桩筏基础的设计思路，关键的有两个方向：一以考虑建筑物沉降还有不均匀沉降的控制为主；二为基于地基的承载力提高为主。两种设计思路的选择，基于具体的设计条件，这里排除沉降量不需作为主体考虑因素的端承桩，主要探讨端承摩擦群桩和摩擦群桩和桩筏基础设计。
由于岩土工程充满复杂性，桩筏基础沉降的计算也较为繁杂，且充满不准确性，很多的设计人员并没有顾及到地质条件的不同，只是单纯将桩基直接与基岩结合，造成嵌岩深度有越来越深的趋势，产生这种现象的原因是丝毫没有考虑地基土参与荷载的可能。对此，应提倡沉降控制为主体的设计思想，以帮助矫正上述不正当的设计倾向。
对于深厚土层尤其是深厚软土层，其桩筏基础的失效结果，很大部分都是因为总体的沉降过大而造成的。在这种的情况下，采取承载力控制为主的设计思想显然就不合适。桩筏基础的沉降量主要包括桩体压缩量、下卧土层的刺入量和压缩量。而下卧土层压缩量是深厚软土地基沉降的最为主要的组成部分。同时，深厚软土地基上面的建筑物，其沉降量和工程的投资是呈非线性关系的，过大的沉降量不但会影响建筑物的使用功能，还会导致安全隐患；轻者产生了不均匀的沉降，重者会破坏工程的整体效果。此时，应重视沉降量的分析，将沉降量控制在一个合理的值域是具有很大意义，应采取沉降量控制为主的设计思路。
2布桩方案的讨论
布桩方式其实与实际设计的联系非常密切，这里探讨两种不同的布桩方式：即“外强内弱”式及“内强外弱”式。以上源于两种工程力学现象的经验认识，一是筏基的沉降会表现出盆底状的沉降曲线，也就是中间大而周围小；二是外桩顶的反力则表现为倒盆底，就是角桩的反力大于边桩。
当然以上均是基于“均匀布桩”传统布桩方式而言的。如此，若考虑从控制各个桩反力相同的角度来说，为使角、边桩以及内部桩之间表现为不同的差异，一般都会采用“外强内弱”的方式，如果单单从减少沉降的差异，就采用“内强外弱”的方式。对两种不同的布桩方式进行相对比较，“内强外弱”式可以减少筏基当中的弯矩还有上部分结构所产生的次生应力；另外一种“外强内弱”式比较容易在筏基中产生大的弯矩，所以对上部结构的刚度要求会很严格。
图1基础底部沉降分布
图2基础顶面应力分布
从图1可明显的看出，“外强内弱”的布桩方式可以有效的减少沉降量，但是同时却增加了差异沉降量；“内强外弱”的方式减少了差异沉降，但是在沉降量方面却略有增加。再从图2我们可以看出改变布桩的方式会对基础应力影响较大的结论，其中“外强内弱”布桩基础的弯矩是最大的，“内强外弱”呈现出弯矩最小。所以我们总结：“外强内弱”的方式可以减少总体沉降的数量，但是差异沉降大而且基础弯矩增加，影响到了整体的经济效益。“内强外弱”的方式总体沉降量较增加些，但是差异沉降以及基础弯矩都不会太大，所以，当对于总体沉降量要求不高的时候，就可以采用“内强外弱”的布桩方式。要注意两种不同方式的选择，关键在于上部结构的形式以及地基条件。对于布桩强弱的调整，包括桩长、桩径、桩间距以及桩身的刚度。在经济合理、不增加技术难度、抛开现场的地质与施工条件的前提下，采取长短桩结合和柔性桩刚性桩的混合布置最合适。
此外， “内强外弱”可以有效的较少筏板基础的整体弯矩，如果这时采取柱墙下布桩，则可以有效的减少筏板基础的局部弯矩。在筏板下布桩，可以减少筏板跨中的集中荷载，进而减少筏板的局部弯矩和底板配筋率。从这样的设计思想出发，可以考虑采用柔性桩来加固筏基底部的土体，这样可以替代筏基底部的刚性桩，也可以在柱墙的下面布长桩，筏板之下布短桩等等。同时还要考虑到一点，单桩承载力大的部分太过密集可能就会对筏板抗冲切带来不好的影响，这时我们可以将那些筏基做成格构式的基础形式，这样可以增加基础的抗冲切能力。
3筏基下土体的承载能力和筏基设计优化方法
3.1筏基下土体的承载能力
随着理论水平以及实践经验的丰富，从现场实测和模型试验都提示土体承受能力的重要性。总体而言，在工程基础中桩和同分担承载力的比例由地质条件、布桩形式还有施工的方式来决定，桩土荷载的分担比率是随着时间的变化而变化，也就是一个动态发展着的过程。筏基所产生的沉降是土体来承担荷载的先决条件，沉降越大土体的荷载就越大，所以设计时要注意留有一些沉降空余。如桩基础持力层尚可，并且筏基下土体较差，就要考虑筏基与土体脱开而导致土体无法承载的状况。
3.2设计优化方法探讨
从现有的设计优化方法来看，最常见且简单的方法为——“抽桩分析”。“抽桩分析”就是先按照经验规律来确定好一种布桩的方式，接着按照这所谓的规律去抽去部分的桩体，进而可以达到节省费用的目的。这样就可以取得一定的经济效用。
从设计水平的方面来看，更有科学有效的应为数学模型方法，可以将设计的问题抽象成为数学模型，然后用优化方法来进行优化设计解决。但是这样的话会增加桩筏基础设计的复杂性和沉降计算过程的不精确性，所以其必须要考虑到优化计算的可行性有多少。且这时需要重视以下几点：合理的选择优化的方法，必须考虑使得优化迭代的频率越少越好，而关于收敛的精度倒不是很重要的，同时分部优化可以将子系统之间的耦合变量进行系统的优化配置；另外要建立一种较为恰当的正分析方法，相对简单又不失精准，符合之前的数学优化方法，这样就必须建立合理的桩筏基础沉降所计算的方式；最后还要进行人机交互，让设计人员定时来控制优化的过程，使得优化始终不偏离可行的方向。
最后，凡是属于工程科学问题，一般都不存在所谓绝对的最优情况。所以这些要求我们在优化设计的过程中可以选择多种备用的起始方案，分别使其获得最优解。现在可以先建构一些简单的优化模式，经过分析后得到属于桩筏基础设计的一般规律，借此直接来指导近期设计的工作内容，使得设计人员在进行设计的过程中有规律可参照，进而深度挖掘属于桩筏基础设计中的人才潜力。
4结语
本文从桩筏基础优化设计的角度出发，围绕桩筏基础设计方案优化问题进行论述与探讨，可主要总结为：所谓“外强内弱”和“内强外弱”两种不同的布桩方式各有优缺点，具体选择要参照上部结构的刚度情况，还有工程的地质条件来决定，即具体情况须具体分析，如具体的布桩方案可以以长短桩来布置，并且刚性桩和柔性桩相混合最好；而桩筏基础设计是双向控制的，从优化设计的方案角度而言，承载力还有沉降是两个主要的约束条件，特定情况下这两个因素属于设计思想中的主控因素，如当沉降作为深厚软粘的土地基上的桩筏基础，此时应提倡沉降控制设计思想。另外从减少筏基局部的弯矩方面来谈，最合理的方法是采用柱墙下布桩的方式，即 “局部的外强内弱” 的概念；优化设计的全过程需要设计人员的全程参与，人机交互等作息化前沿式设计方法是我们应该提倡的。
参考文献
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