论述某工程桩筏基础设计方案

梁沛

摘要：本文通过实际工程的桩基设计，综合分析桩型和不同直径的桩、底板的取值与经济指标关系，阐述了荷载折减、单桩抗震竖向承载力以及桩筏共同作用的问题。

关键词：桩筏基础； 桩基设计；荷载

中图分类号：TU473文献标识码：A 文章编号：

Abstract: this paper through the practical engineering design of pile foundation, the comprehensive analysis of different diameter pile type and pile and floor, with the value of economic indicators relations, this paper expounds the load reduction, single pile bearing capacity of the pile raft seismic vertical and work together.

Key words: the pile raft foundation; Pile foundation design; load

1.工程概况

1.1该工程是集商场、办公、宾馆和娱乐于一体的综合楼, 主楼为21层, 裙房为4～ 7层, 整个建筑物总高度为90.25m , (自室外地坪算起) , 其中主楼高75.25m , 屋面塔楼高15m, 主楼的平面形式如图1所示, 主楼的结构为框—筒结构体系, 主楼设地下室一层, 地下室底板标高为- 5.07m。

图1主楼平面

1.2场地工程地质概况：工程场地属三类场地,地基土为多层结构, 比较均匀, 同一土(岩)层性质变化不大, 地下水埋深在 1.00m 左右, 各土层的物理力学指标见表1 所示。

表1 各土层的物理力学指标

2. 桩基设计参数

根据场地、建筑功能特点以及工期要求,工程采用桩筏基础, 筏板厚1.60m , 柱下承台厚 1.70m , 采用500 预应力钢筋混凝土管桩, 设计桩长为25m , 桩顶控制标高为- 5.42m (以底层室内地坪标高为±0.00 算) , 桩尖进入⑥土, 单桩竖向承载力设计值为 2300kN。经过三根桩的桩基工程动力试验, 单桩承载力能满足设计要求。

3. 桩基设计

3.1工程桩基设计按现行规范进行, 此工程采用中国建筑科学研究院高层技术开发部编制的TBSA程序计算上部结构, 该程序为基础设计提供依据的数据有：

(1)最大轴力Nmax的荷载效应组合内力;

(2)X 向最大弯矩M Xmax荷载效应组合内力;

(3)Y 向最大弯矩M Ymax荷载效应组合内力;

(4)X 向最大剪力Q Xmax荷载效应组合内力;

(5)Y 向最大剪力Q Ymax荷载效应组合内力;

(6)仅有恒载和活载作用的荷载效应组合内力。

3.2依据这些数据, 按常规方法可以算出所需桩数, 但笔者认为, 这偏于保守, 也是不经济的, 根据现行规范, 桩基础设计时, 活荷载可以乘以折减系数; 在有地震荷载效应组合的情况下, 单桩竖向承载力的设计值可以适当提高, 根据桩筏基础理论,筏极下桩间土能否承担一部分上部荷载, 依据边角桩与中间桩的受力关系, 桩如何布置, 笔者以图1 虚线框内的桩筏基础为例, 展开以下工作。

3.2.1活荷载的折减

笔者在设计桩基时, 选取了两种较为不利的荷载效应组合, 即仅有恒载和活载作用下, 底层各柱及墙肢底反力对于桩平面布置形心处的合力：N=362590.1kN，Mx= 1577.7kNm,

My= 7438.22kNm,Qx = 442.73kN ,Qy= - 22.65kN , 以及在恒、活载、风载和水平地震荷载共同作用下，Nmax的荷载效应组合, 底层各柱及墙肢反力对于桩平面布置形心处的合力：N = 459142kN，Mx=707.1kNm，My = 5014.1kNm，Qx = 40 .09kN，Qy= 323.5kN。根据GBJ9- 87 第3、1、2 条规定,在设计基础时, 基础以上楼层数大于20 层，楼层活荷载可以乘以折减系数0.55，因TBSA程序是利用弹性有限元(条)理论进行结构计算的, 构件的内力大小与荷载是线性关系，所以，笔者对每一个结构层垂直荷载的折减系数作了如下计算：(1.2 恒载+ 1.4×0.55 活载)/ (1.2 恒载+ 1.4 活载)，将每一楼层的折减系数按楼层数进行加权平均，最终算得折减系数0.94, 实取0.95。因此，仅有垂直荷载作用时，底层各柱及墙肢均可乘以折减系数0.95，因弯矩不起控制作用，在此，弯矩不作折减，前文中，仅有垂直荷载作用时，轴力可减为N = 344460.6kN，其它反力不变。

在水平地震荷载，风载及垂直荷载效应组合时，依据力学概念，水平荷载将对柱及墙肢产生附加轴力和弯矩，情况复杂，在此，取Nmax荷载效应组合时，底层各柱及墙肢反力不作折减。

3.2.2在地震荷载作用下单桩竖向承载力设计值的确定

（1）单桩抗震竖向承载力如何确定，目前国内外并未取得一致意见，但由于地震是特殊荷载，建筑工程中桩基的上部结构比天然地基轻，震后附加沉降只有几毫米，而且，地震作用是极短暂的, 因而在抗震验算时，单桩竖向承载力可较只有垂直荷载时提高，这一点，国内外看法较一致，但单桩竖向承载力提高的幅度是具体多少，相互的差异较大，一般提高的幅度在25%～ 50%范围内。

（2）《天津市建筑地基基础设计规范》(1988)规定，单桩抗震竖向承载力设计值提高系数为 1.40，但边角桩不再乘以1.2的提高系数；我国《建筑桩基技术规范》5、2、1、2 条规定，地震作用效应组合时，单桩抗震竖向承载力设计值提高系数为1.5，考虑到本工程桩顶部分有7m 左右落在淤泥和淤泥质中砂中，承台底的土和侧面土分担的剪力和弯矩很少，而且桩在接头处的焊缝不是很可靠，笔者参考了 《天津市建筑地基基础设计规范》(1988)规定，取单桩抗震竖向承载力设计值提高系数为1.4，单桩抗震竖向承载力设计值为Re=1.4×2300= 3220kN。

3.3关于桩筏共同作用的分析

通常，我们设计桩筏基础时，将筏板看作联系各个桩，将上部荷载传到桩上的构件，但许多实测的研究资料表明，建筑物荷载并非全部由桩承担，筏板下的桩间土也能承担一定比例的荷载；边角桩与中间桩承担的荷载不均匀，据文献4计算结果，边角桩顶荷载与桩顶荷载的平均值之比为1.03～ 1.5。

笔者利用Geddes 根据Minidin 公式推广而导得的应力分布解计算公式, 首先分析单桩荷载作用下桩侧摩阻力和桩尖反力在地基中产生的应力，进而考虑桩与桩的垂叠效应，利用线性叠加原理求得壁桩荷载作用下地基中的应力，从计算结果看，筏板底的土压力平均值为 9.16kN／ m2，远小于该淤泥土的承载力设计值100.5kN／m 2，因此，桩间土所承担的上部荷载约为地基承载力设计值的10%，在设计桩基时, 笔者考虑了此部分桩间土的作用。

4. 经济效益比较

在高层建筑中，虽然活荷载相对较小，仅占全部垂直荷载的10%～15%，但在设计基础时，考虑了活荷载折减，并对桩进行合理布置，仅主楼中间的筏板桩基而言，桩数由192 根减少为160 根，桩顶荷载的平均值为 2392kN，略大于单桩竖向承载力设计值。在Nmax荷载效应组合下，进行抗震验算时，桩顶荷载的最大值为3031kN，小于单桩抗震竖向承载力设计值3220kN，因此，是安全的，这样，主楼中间筏板下的桩可以抽去32根,，按单价260 元／m 计算, 可节约投资20.8 万元。

5.结 语

5.1在设计桩基时，利用TBSA 程序计算的结果，可將在垂直荷载效应组合下的柱及墙肢轴力乘以0.95 的折减系数，在地震荷载效应组合下的桩及墙肢轴力不折减；在抗震验算时，单桩抗震竖向承载力提高系数取1.4，在20层左右的高层建筑中，桩筏基础中的桩数主要由仅有恒载和活载作用的荷载效应组合控制。

5.2在设计桩筏基础时，建议适当考虑筏板下桩间土的作用，筏板底地基反力约为该筏板下地基土承载力设计值的10%左右。

6.参考文献

1.刘慧珊，张在明编著，地震区的场地与地基基础，中国建筑工业出版社，1994.5 .

2.陈仲颐，叶书麟主编，基础工程学，中国建筑工业出版社，1991.8

3.建筑地基基础设计规范, GBJ7- 89

4.徐敏生，桩筏基础理论新成果在设计实践中的应用，《建筑结构》，1994 .2

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。