高层建筑桩-筏基础设计分析探讨

摘要：本文结合工程实例,详细阐述了高层建筑上部结构平面很不规则、荷载分布不均匀时,导致筏板基础形心与上部结构重心偏心距很大的情况下桩-筏基础设计要点,通过采取不均匀布置摩擦桩,采用桩土共同作用的复合基础调整基础承载力中心,从而使其与上部结构重心基本重合。实践证明,该设计措施取得了较好的效果。
　　关键词：桩-筏基础；不均匀布桩；桩土共同作用
　　1引言
　　建筑常见的基础形式有以下几种：1）独立基础；2）条形基础；3）桩基础；4）筏板基础；5）箱形基础。其中筏板基础整体刚度较大，能有效地调整基底压力和不均匀沉降，适用于高层建筑的各类结构。筏板基础的形心宜与上部结构竖向永久荷载的重心重合。筏板基础设计需要根据地基土质条件、建筑结构形式、柱距、荷载大小以及施工等条件来综合考虑基础的布置，筏板基础的厚度一般情况根据楼层的高度，筏板的计算跨度，建筑的功能使用荷载等情况来确定。
　　桩-筏基础是桩基和筏板基础的合称，桩基不是结构，是地基，而筏板是结构的组成部分，是基础。当筏板基础下的天然地基承载力或者沉降变形不能满足设计要求时，在筏板下布置适量的桩形成桩-筏基础是设计人员通常做法。但在桩-筏基础的设计中，地基与基础共同作用的影响因素很多，设计难度较大，地基的沉降控制尤为重要。因此桩筏基础设计应在科学合理的基础上进行优化，提高技术含量，在保证结构安全的前提下节约工程造价。
　　2工程概况
　　某商住综合楼工程，地上16层，其中裙楼3层，地下2层，框支剪力墙结构,总建筑25560m2。拟建场地从上至下分别杂填土、粉质粘土、砾砂、粉砂、粉质粘土、砾砂、残积土、强化泥岩、中风化泥岩。粉砂位于基底0.5～1米，厚2～3米，中风化岩位于基底约27～28米。勘察时测得稳定水位高度为基底以上0.5米。由于地质条件比较复杂，故应对地基基础设计方案进行综合分析，采用一个既安全又经济的设计方案。
　　3基础设计方案分析与选择
　　初步设计时拟采用人工挖孔桩基础，持力层为中风化泥岩。但地勘报告表明：基底以下存在较厚的粉砂层及砾砂层(砾砂粒径不大),且地下水位较高。人工挖孔桩施工过程中会出现涌砂现象，且桩端持力层较深，桩长可能接近规范限值30米的要求，人工挖桩很不安全。综合各方意见，经研究拟采用筏板基础。
　　虽筏板基础持力层为砾砂层，承载力较高；但基底以下0.5~1米的粉砂层承载力较低,存在软弱下卧层。经初步计算该层修正后的地基承载力特征值不能满足设计要求，且基础平均沉降量、整体倾斜超过了规范限值。为提高地基承载力、控制基础沉降，必须在筏板下布桩，采用桩-筏基础。
　　4桩-筏基础设计
　　4．1桩土共同工作
　　当桩端持力层为坚硬岩石，由于桩的沉降量几乎可以忽略不计，筏板刚度较大，上部结构荷载可以认为全部由桩承担。这种设计方法虽可以严格控制基础沉降，但用桩数量过多，很不经济。《建筑地基基础设计规范》（GB5007-2002）对高层建筑沉降控制主要体现在平均沉降量和整体倾斜两个方面，也就是说基础适量的沉降是允许的。在满足沉降控制前提下，将桩设计成摩擦桩，在上部荷载作用下桩会产生一定沉降，而桩的沉降一旦产生，筏板下的土就会参与工作。采用这种桩土共同工作的沉降控制法设计可以减少桩的数量和长度，在布桩方式合理的情况下筏板的厚度的配筋也可得到减少。具有较大的经济效益。
　　4．2布桩方式
　　在传统的桩筏基础设计中，一般采用等桩径、等桩距、等桩长布桩。然而对于本工程而言,由于上部结构平面不规则、荷载不均匀，若采用均匀布桩将导致上部结构竖向永久荷载重心与桩筏基础形心的偏心距远大于文献[4]《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3-2002)的要求。同时存在有些桩未能充分发挥作用的情况，有时筏板的不均匀沉降也比较大。规范对“结构竖向永久荷载重心与筏形基础形心宜重合”的规定是建立在地基土比较均匀的条件下。其实际上指导思想是：结构竖向永久荷载重心与基础的承载力中心宜重合。考虑到上部结荷载不均匀性及平面不规则性，且当前建筑工程中主要采用灌注桩，调整桩的桩径和桩长可操作性较好，本工程决定采用不均匀的布桩方式，其布置方式大体有如下几种：图1(a)为等桩径等桩长不等桩距；图1(b)为不等桩径等桩长等桩距；图1(c)为不等桩径等桩长不等桩距；图1(d)为桩径桩长桩距均不等。本工程的设计中通过往复调整桩距、桩径及桩长，使桩-筏承载力中心与结构竖向永久荷载重心基本重合。

常见不均匀布桩图
　　3．2．2桩土复合地基设计
　　3．2．2．1桩土复合地基的优点
　　1）增强桩身上部桩侧土的结构强度，可以提高桩的承载力，改善桩的变形特性，减少地基沉降。
　　2）通过对桩的施工，实现对桩间土的挤密加固，充分发挥和利用地基土的承载力，有效地解决软土地基承载力不足的问题。
　　3．2．2．2桩土复合地基承载力计算
　　按照《建筑桩基基技术规范》（JGJ94-94）5.2条之规定，对于桩数超过3根非端承桩复合地基，当根据静载试验确定当桩竖向极限承载力标准值时，其复合基桩的竖向承载力设计值为：R=ηspQuk/γS+ηCQCk/γC,其中Qck=qck.Ac。由于qck为承台底1/2宽深度范围内（不超过5米）内地基土极限承载力标准值。该范围内土层为粉细砂，所以地基土不管挤密与否，地基土承力允许设计值均控制为200kPa,其极限承载力近似取400kPa。
　　3．2．2．3桩土复合地基及基础沉降设计
　　设计拟采用Φ400钢筋混凝土锤击沉管灌注桩，设计时考虑到若以中风化岩为桩端持力层，虽然可提高每根桩的设计承载力，但桩在设计荷载作用下的沉降量极小，有可能导致地基土尚未开始工作桩就已受压破坏。为此决定所有桩均采用摩擦桩，以砾层为桩端持力层，见图2。

桩的最终布置图
　　通过计算及静载试验确定单桩承载力特征值为500kN。由于单桩承载力及土极限承载力的确定，通过平衡荷载法初步确定的总桩数就可以求得每根基桩的设计承载力。当基桩的承载力确定后，根据每根柱或每片剪力墙的荷载进行初步布桩。由于为不均匀布桩,所以桩数不能完全由承载力控制，还应通过地基的沉降来调整桩的布置。由于桩在压力为1000kN时测得的位移为35mm,在压力为500kN时的稳定位移为15mm,而无桩部分基础的理论计算位移为22mm。显然在桩土共同作用下，基础位移肯定会大于桩或土任一种情况下产生的位移，甚至会达到两者位移和。因此把桩与土孤立起来进行设计显然不妥。因而桩土共同作用下的基础沉降设计成为本工程的一个难点。由于设计桩距一般在3.75～5.5D间，桩对土有较大的挤密作用。挤密系数f=LxS/(LxS-3.14D2/4)(L、S为桩距，D为桩径),挤密后的平均压缩系数近似=原系数/f。再根据同一土层中的压压缩系数与压缩模量的相对关系，近似的推算出挤密后地基土的压缩模量。
　　桩土复合地基的基础沉降量近似=挤密后土产生的沉降+桩在设计荷载作用下产生的沉降。通过不断的调整桩距及桩的承载力，达到桩土复合地基与无桩地基沉降量的基本一致。为保证理论与实际的一致，要求勘察单位在桩施工完后，重新钻探取样，测顶桩底以上土的压缩模量。通过比较，两者差距完全在允许范围内。
　　3．3实际沉降的分析
　　该工程从投入使用到现在已超过四年，通过对施工及使用阶段的沉降测量，主体竣工时最大沉降量为18mm,最小沉降量为10mm,相邻柱与柱之间的最大沉降差为4mm；竣工一年后最大沉降量为24mm,最小沉降量为14mm,相邻柱与柱之间的最大沉降差为4mm;竣工三年后最大沉降量为25mm,最小沉降量为15mm,相邻柱与柱之间的最大沉降差为4mm,说明沉降已基本稳定。此沉降量稍大于理论计算值，但远小于规范允许值。该工程的沉降规律也与附近的一栋纯筏板基础的房屋基本一致，即四角的沉降量大而中部的沉降量小。
　　4结论
　　通过本工程可以看出，当上部竖向荷载不均时完全可以采用不等距布桩的筏板基础，从而减少筏板的内力及不均匀沉降；摩擦型桩筏基础的沉降规律与纯筏板基础基本一致。
　　参考文献：
　　[1]《建筑地基基础设计规范》（GB5007-2002）[S]；北京，中国建筑工业出版社，2002。
　　[2]《建筑桩基技术规范》（JGJ94-94）[S]；北京，中国建筑工业出版社，1994。
　　[3]《高层建筑箱形与筏形基础技术规范》（JGJ6-99）[S]；北京，中国建筑工业出版社，1999。
　　[4]《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3-2002)[S]；北京，中国建筑工业出版社，2002。