桩筏基础与地基共同作用的设计分析

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摘 要： 桩筏基础是高层建筑中常用的基础形式之一。以往，由于对桩筏基础的研究理论及方法不十分完善，实际工程中，设计者们往往采用简化但较为粗放的设计模式。本文在分析现今设计方法的基础上，结合实际的设计经验，提出桩筏基础与地基共同作用的几点建议，为进一步理论研究抛砖引玉。

关键词： 桩筏基础； 地基； 共同作用； 设计

中图分类号：TU74文章标识码：A

1. 现今对桩筏基础的设计方法

设计项目讲求效率，设计人员采用简化计算方法很有必要，但前提是受力分析应合理反映实际工况。目前不少设计者把桩筏基础分开为桩基础和筏板基础各自计算，并在构造上满足规范对桩筏基础的设计要求。这种“简化”设计思路与实际受力工况有一定出入，最终造成基础设计的不合理。主要有以下几个原因。

1）概念理解上的偏差。对桩筏基础受力分析不够全面，没有灵活应用规范，没有根据地质条件对桩和筏板进行共同工作的分析。比如在高地下水位环境下，仍然认为上部荷载全部由桩来承担，忽略了地基土对筏板的作用。

2）计算方法上的偏差。为简化计算，把上部结构和基础作为两个独立单元分别考虑，由上部的荷载作用求得上部结构内力和基底反力，然后按弹性地基板的方法计算筏板内力和配筋。这种设计方法考虑了地基与基础的协调变形工作，但没有考虑上部结构刚度对基础设计的影响，忽略了上部结构与基础的共同作用，导致基础设计偏于保守。

3）传统经验上的偏差。高层建筑的桩筏基础设计时，对筏板厚度的选用往往争议较大。以往确定筏板厚度并没有什么好方法，基本是凭经验先按建筑层数的多少来初定，层数越多，筏板越厚，个别设计方案甚至出现4m厚的不合理现象。估定板厚再进行抗冲切和抗剪切验算。后来郭宏磊等学者提出一个新的设计思路，先在正常使用极限状态下，考虑筏板的抗裂性与差异沉降计算出一个板厚值，再在承载能力极限状态下，考虑抗冲切和抗剪切加以验算，若验算不满足，说明板厚过小，此时再加厚。由于先按正常使用极限状态设计，后面也有承载能力极限状态的保证，板厚的设计更为合理。

2. 桩筏基础与地基共同作用的要点分析

(1) 桩筏基础的工作性质，对常规设计（桩中心距与桩径比s/d=3~4）是基本上接近于在弹性地基上刚性基础的工作性质。由于上部结构和地基基础是一个整体，在设计桩筏基础时应分析上部结构、基础、地基土体三者的共同作用，并据此优化设计方案。优化设计的数学模型取群桩的每根桩长、桩间距、桩数、筏板厚度为设计变量，以（底板和群桩的）最小总造价为目标函数。对于筏基底板，约束条件包括底板抗拉强度约束、局部抗弯强度约束、抗剪强度约束、抗冲切强度约束、刚度约束、最小尺寸约束、最小配筋率约束等。对于群桩，约束条件包括最小桩长约束、最小桩间距约束、沉降量约束，差异沉降约束，单桩安全系数约束，群桩荷载约束等。

(2) 桩的存在对减少桩筏基础的沉降有明显效果，并大大改善建筑物的整体横向倾斜，使其均匀沉降。桩长是影响沉降量的因素之一，但桩长达到一定长度，即长径比L/d≥70~100时，增加桩长对减小沉降就不明显了。

国内不少学者对高层建筑桩筏基础中的桩数与沉降的关系做过探讨。董建国等给出了某工程短桩桩基沉降S与桩数n的关系式：S =356.460.00542n。从式中可看出，桩数增加或减少10%，则沉降只在1%范围内减小或增加，对于长桩，沉降变化幅度约为3%。桩筏基础沉降是一个相对稳定值，它为减沉桩基设计提供了一个理论依据。

研究表明：(a)当桩数减少，桩-土复合刚度相应下降，此时桩筏基础的沉降随桩间距的增大而增大。但桩间距在10倍桩径以内时，桩间距对沉降的影响并不十分明显。(b)当桩的长径比L/d约为100，筏板相对刚度KR约为10，桩的相对刚度KP约103时，角桩的桩顶反力(PC)与内中桩桩顶反力(Pi)有以下关系。同一桩筏基础下，减少桩数使桩间距约4倍桩径时，PC约为Pi的3倍；使桩间距约6.67倍桩径时，PC约为 Pi的1.5倍；使桩间距约10倍桩径时，PC与Pi基本相等。由此可见，在目前设计的桩筏基础中减少桩数是大有潜力可挖。

(3) 桩间土的承载力贡献不容忽视。对《建筑桩基技术规范》的理解，桩筏基础设计时，地下水对是否考虑桩同作用的影响不大。常规设计条件下，桩间土的地基反力略呈马鞍形，当建筑物施工完毕后，桩间土可分担小于上部总荷载的26%。可见，为充分发挥桩间土的承载能力，适当增加桩的间距是合适的。此外，对于钻孔灌注桩，由于施工过程中没有产生超孔隙水压力，桩和桩间同承担上部荷载，且在建筑物使用过程中，两者分担上部荷载的比例基本保持不变。

(4) 上部结构刚度参与桩筏基础整体计算，共同形成“拱”的作用，从而减小了筏板的挠曲和内力。从以往工程实测经验来看，筏板钢筋实测应力比计算应力小得多，我国实测筏板钢筋应力一般为20~30N/mm2之间，只有钢筋设计强度的1/12。由于筏板砼浇筑后，砼收缩产生一定预压应力，使得筏板面层和底层钢筋均处于受压状态。随着上部结构的施工，结构整体刚度不断增大，钢筋的预压应力逐渐减小并转变为拉应力，直至筏板钢筋全部受拉。此时筏板整体弯曲变大，中和轴开始上移，当结构施工至4~5层时筏板内力达到最大值。随着主体结构继续向上施工，上升拱开始形成，筏板的弯曲中和轴位置上移至上部结构，基础内力变小。资料显示，高层建筑筏板基础的实测弯曲内力都小于设计计算内力，特别是上部为剪力墙结构的筏板基础，设计时只需考虑局部弯曲而进行计算配筋便足以承受整体弯曲引起的内力，再加以验算剪切应力即可。

3. 桩筏基础设计的几点建议

总结以上分析，提出如下几点建议，使桩筏基础在设计上更加合理和经济。

(1) 适当加大桩间距，减少桩数，充分发挥筏板下桩间土的承载力。高层剪力墙结构计算筏板时可只考虑局部弯矩。《地基设计规范》第8.4.14款、《混凝土高规》第12.3.5 款规定，当地基土比较均匀，上部结构刚度较好，梁板式筏基梁的高跨比或平板式筏基厚跨比不小于1/6，且相邻柱荷载及柱间距的变化不超过20%时，筏形基础可仅考虑局部弯曲影响。

(2) 筏板基底反力可按26%的总荷载或地下水浮力来采用。基底总荷载不超过桩基承载力与桩间土允许分担荷载的总和。

(3) 施工条件不同，筏板所承担荷载的比例也不同，比如灌注桩情况下的筏板比预制桩情况下的筏板可分担更多的荷载。

(4) 桩沿剪力墙轴线或柱下布置，较之满堂布桩，可有效减小筏板厚度。高层建筑桩筏基础在满足荷载条件下，增减10%的桩数对基础的沉降影响甚微。按目前规范所设计的桩筏基础中，桩数仍可以减少10%～15%。