桩土共同作用在高层建筑基础设计中优化运用

摘 要：桩土共同作用问题一直受到岩土界同行的重视，随着经济发展，高层建筑日益增多，基础造价通常占据工程总造价相当大比例，从而基础优化设计愈显重要。从80年代桩土共同作用的非线性性质工作机理提出，到近二十年对基础长期沉降问题大量研究，在工程实例运用及分析思考基础上，进一步了解桩基沉降发生和发展实际过程，将桩土共同作用实际过程简化为桩顶荷载未超过和超过桩的极限承载力两个阶段，在工程实践中产生了一系列相关的实用设计方法。如高层建筑中开始用沉降控制复合桩基设计，在保证安全系数条件下，根据当地沉降经验曲线减少桩数；而CFG桩复合地基也开始运用在超高层，通过设置褥垫层提高基础承载力和抗变形性能，设计计算方法亦日益成熟。本文通过桩土共同工作的理论，论述这两种实用设计方法的工作机理和设计计算方法，总结各种优化设计在高层建筑中选择和应用，探讨实际工作优化设计技术发展空间。

关键词：桩土共同作用；基础设计；沉降控制；复合地基；优化

1 引言

桩土共同作用最初来源于“桩、承台分担比”实验。其理论是：桩土共同作用是一个典型的非线性过程。其过程简化为两个阶段：当荷载较小时，各桩桩顶的平均荷载小于单桩极限承载力时，承台底面土反力很小，荷载全部由桩承担；当荷载大于各桩极限承载力之和时，各桩极限承载力随荷载增加而略微上升，其余增加荷载几乎全部由土承担，也就是说，在这个阶段，承台下土体共同承担了上部荷载。在加荷的最终阶段，桩土共同作用极限承载力不小于全部桩和承台下全部土极限承载力之和。

实际工程中设计桩基的原因不外乎两个，天然地基土承载力强度不够或者基础的沉降变形过大，即强度条件和变形条件。按桩基设计方法即常规设计法未考虑桩间地基土承担荷载，仅由桩承担所有的上部结构荷载，完全建立在满足强度要求的基础上，其结果设计桩数偏多，基础造价比例高。事实上通过有限元模拟分析，建立起竖向刚度较大的桩土混合地基所需要桩数并不多，桩数进一步增加对减少量大沉降以及差导沉降贡献很小，即按照目前强度控制的桩基设计方法，若考虑桩土共同作用及基础的整体性，实际基础安全系数远非设计所取的系数2.0或3.0。如80年代后期在温州数十幢住宅基础设计中运用了减少沉降桩技术，即“疏桩基础”，取得了一些工程经验。在节约成本同时也满足了安全性设计要求，证明了基础设计有很大的发展空间。

2 桩土共同工作设计理论与计算

目前许多设计人员知道基础设计有“余地”，但在没有弄清桩土共同作用工作机理的情况下，用桩数打折、安全系数打折等方式任意降低强度条件，造成设计安全度降低，是不可取的。事实上，强度条件和变形条件双控是结构设计中最基本的原则，但并不是所有考虑桩土共同作用的桩基础设计都是沉降条件控制的，在有些地基土强度较高、压缩性较低的场地上，当建筑物荷重较大时，也可能出现强度条件成为控制条件的情况。

高层建筑基于桩土共同作用工程实用设计方法，其优化设计计算从强度条件和变形条件两方面着手。

2.1 强度计算：桩基强度验算条件

≤

----上部結构荷裁标准值

----基桩自重标准值

----总安全系数

----桩数

----单桩极限承载力

----桩承台底面面积

----承台下地基土允许承载力

（1） 沉降计算：沉降控制条件

≤

----计算的基础最终平均沉降量

----基础沉降量控制值

桩基沉降与桩数关系曲线。为半经验方法取得，

各地区沉降计算经验修正系数均有所不同。

3 在高层建筑基础优化设计运用

基于桩土共同作用原理，原有用于多层基础设计的复合桩基，经过十年大量使用，工程实践经验积累使设计日趋成熟，目前已逐步运用在高层建筑优化设计中，实际应用时应结合建筑物地基土质情况、计划基础选型方案等条件，方能选择优化效果较好的设计措施。

沉降控制复合桩基减桩法：

适用范围：低承台摩擦桩基础，承台形式以筏形基础为主。适用于带地下室小高层住宅或综合楼。

工作机理：分为两个阶段。第一阶段由桩单独承受上部荷载，待桩的荷载达到极限时进入第二阶段，桩向土中刺入，这时土才真正开始共同工作，随着桩达到极限，基础沉降由承台下的土体所控制。因此，计算沉降与桩数的关系曲线S=f（n）时，第一阶段基础沉降为桩尖沉降量加上桩身材料的压缩，第二阶段基础沉降为桩尖平面以上桩间土体的压缩加上桩尖以下土体的压缩。桩土共同作用过程其实是桩、土先后发挥作用，是非线性过程，桩土分担比随加荷过程而变化，非固定值。

3.1设计步骤：

1）先确定桩尖持力层、桩型和单桩极限承载力。

2）假定基础承台底面尺寸。

3）计算沉降与桩数的关系曲线。

4）验算整体强度。

优化过程由3）4）步计算到1）2）步修正循环，以得到最佳优化方案。

3.2工程实例分析：

某十二层小高层住宅，层高2.85m，地下一层为车库。上部结构填充墙为加气砼砌块，框剪结构。SATWE软件分析，上部结构及基础荷载为83675KN，地基土承载力特征值为80KPa。假定承台面积为660.4m2，考虑承台底水浮力11KN/m2，采用400×400预制桩，单桩极限承载力为500KN，桩身混凝土强度C30。

1） 按强度条件控制及沉降控制比较

基底土压力为：83675-660.4×11=76410.6KN

用桩量：76410.6/250=306根

沉降控制计算，按照当地沉降—桩数曲线。

沉降控制值取15mm，则考虑桩土共同作用设计用桩238根，

为常规设计桩数78%。

2）强度验算

基础总极限承载力138x500+660.4x160=224664（KN）

基底土压力 83675-660.4x11=76410.6 （KN）

总安全度 K=基础总极限承载力/基底土压力=224664/76410.6=2.94>2.0。 即承台面积可减小至K=2.0限值

最小A=（83675x2-238x500）/（160+11）=283.0m2，即可满足强度要求。

最终承台面积根据排桩及最小承台面积确定，而且最终沉降观测值亦达到了预期效果。

由此可见，沉降控制复合桩基由多层运用推广到小高层住宅尤其点式住宅是可行的，值得推广，在安全、经济设计原则下取得很好的经济效益。

3.3 设计建议

1）工作机理只适用于摩擦桩或以摩擦桩为主的桩。建筑层数宜控制在十二层以下，而且应有一层地下室。在十二层以上运用必须有非常成熟的当地沉降—桩数曲线以及设计经验。

2）上部结构传力方式宜柱下集中墙下均匀。墙体尽量采用轻质墙体材料以减小基底附加应力。

3）基础布置纵横两向应有一定的整体刚度和强度，力求规则，以符合桩土共同作用的条件。

4）实用沉降计算方法依赖于当地大量实测长期沉降规则资料的统计分析，为半理论、半经验的方法，具有很强的地方性，需要不断修改、调整和完善。

5）该设计方法的實际结果是桩分担较大荷载，部分桩已达到桩的极限荷载，因此，基础承台和桩身材料强度设计应有足够安全的储备。

4 CFG桩复合地基褥垫层的设置

适用范围：运用较广，在地质条件为砂土、粉土、淤泥质土、杂填土均可使用。目前多用于高层和超高层建筑，承台形式包括独立基础、条形基础、筏形基础。

CFG地基粘结强度桩是由水泥、粉煤灰、碎石、石屑或砂加水拌和形成的高粘结强度桩，和桩间土、褥垫层一起形成复合地基。

工作机理：CFG桩复合地基加固地基主要有三个方面构成：桩体作用，挤密作用，褥垫层作用。基础通过一定厚度的褥垫层与桩和桩间土相联系，荷载由基础通过褥垫层传递给桩和桩间土。由于桩的抗压刚度远大于桩间土的抗压刚度，上部产生荷载逐渐向桩顶产生应力集中，当桩顶压应力超过褥垫层局部抗压强度时，褥垫层产生局部压缩整体下移，压缩桩间土，由此桩间土承载力开始共同作用，产生沉降直至应力平衡。由此经褥垫层作用，基础传来的基底压力或水平力，通过适当变形向桩间土扩散，桩体承担竖向荷载比例得到调整，由此产生桩体与桩间土共同承担上部荷载的作用。复合地基中CFG桩受力特点不同于普通桩，既因为土体挤密效应、侧应力增加提高了桩的承载力，同时上部土层压缩向下位移，当其位移大于桩的位移时，对桩身产生负摩阻力，降低了CFG桩的承载力；褥垫层作用是保证桩与桩间土共同承担荷载、均匀地基应力以及减小地基沉降变形作用。

4.1 设计步骤：

（1）选定桩端持力层，进行复合地基计算

式中： ----复合地基承载力特征值（KPa）

----面积置换

----单桩竖向承载力特征值（KN）

----桩的截面积 ㎡

----桩间土承载力折减系数。无经验时可取0.75～0.95

----处理后桩间土承载力特征值（KPa）。无经验时，可取天然地基承载力特征值。

----桩的周长（m）

----桩长范围内所划分的土层数

、 ----桩周第1层土的侧阻力，桩端端阻力特征值（KPa）

----第i层土的厚度

（2）褥垫层设计

褥垫层材料宜用中砂、粗砂、级配砂石或碎石，不宜采用卵石。根据复合地基的置换率及桩间土性质来具体设计确定。对承载力较低的桩间土，为使桩体更多承担荷载，不宜太厚；而对于承载力较高的桩间土，应适当加厚褥垫层，让桩间土分担荷载，以减少桩的应力集中。 （3）地基处理后变形计算

按《建筑地基基础设计规范》GB50007-2011有关规定执行。即各复合土层压缩模量为该层天然地基压缩衡量的 倍

---基础底面下天然地基承载力特征值（KPa）

---现场试验测定值

4）CFG桩复合地基加固效果检测

桩体完整性检测和复合地基承载力检测

4.2 工程实例分析

某十八层点式住宅楼，地下二层，剪力墙结构。总重量352000KN，筏板基础，基底压力380KPa。

根据上部结构设计要求，地基持力层承载力特征值不小于380KPa，而基础底面座落于层④黄土状粉质粘土层，承载力特征值为155KPa，不满足要求，经过分析，利用CPG复合地基。

（1）单桩承载力特征值确定

桩径400mm，有效桩长15m，桩身混凝土强度等级C20，处理面积约2200㎡。

计算 =540KN

（2）桩面积置换率的确定

代入计算 =6.0%

桩间距按正方形布量 桩距S=1.4m 总桩数480根

桩体材料为 水泥：砂：碎石（10～20mm）：水：粉煤灰 = 1：2.28：3.16：1.66：0.007（质量比）

（3）褥垫层设计

褥垫层厚度取300mm厚碎石（粒径5～10mm）垫层。要求夯实度小于0.90，垫层宽出基础外缘300mm。

经检测，复合地基承载力特征值均大于380KPa，满足设计要求。建筑物沉降观测最大沉降为20mm，沉降差为5mm。

4.3 设计建议

1） CFG刚性桩通常取桩身轴向应力为桩顶轴向应力的1/10处为有效桩长。

2） 桩径值取350～600mm ，桩距应根据设计要求确定，范围3～5倍桩径。

3）桩的布置主要根据基础型式确定。如条形基础宜在墙或梁下布置，墙交点及柱下均应 布桩；筏板基础和箱形基础宜按柱网和地下室内墙体分布按桩间距布置，也可仅在柱下和墙下布桩。

4）计算复合地基承载力应综合考虑施工方法与地基土性质。

5）通过改变褥垫层厚度，调整桩、土垂直荷载，水平荷载分担。

6）褥垫层铺设宜采用静力压实法。当基础底面下桩间土的含水量较小时，也可以采用动力夯实法，夯填度不得大于0.9。

5 结语

常规桩基设计将上部结构荷载全部交由桩来承担，其结果不仅容易造成建筑物筏板与地基土脱空，给建筑物基础的耐久性和安全性造成一定的隐患，更重要的是地基土的承载力无法得到发挥，造成工程造价上浪费。在目前节能环保的发展趋势下，减少桩的数量不仅带来的是经济效益，更能带来环境的效益；近年来CFG桩复合地基亦开始逐步运用在山区地基基础设计中，不仅解决了设计中复杂技术问题，减少大量人力物力投入，节约造价，而且使施工更具可行性。由此，桩土共同作用下沉降控制复合桩基及CFG桩复合地基由多层运用往高层建筑方向发展，具有推广价值。

目前用于设计的变形控制理论和实时调控方法，毕竟还存在着半经验沉降曲线的复杂性，依赖于当地大量实测长期沉降观测资料的统计分析，同时桩土荷载传递规律仍然是研究的难点；再之，在复合地基设计时如何考虑新建筑物开挖周边边载卸载、相邻建筑地基附加应力叠加等因素影响，以及存在相邻地下建筑物时地基处理的深度修正能否进行；另外对较高地震设防区，如何考虑地震效应在桩土共同作用中计算分析及影响，同时根据共同作用理论及有限元理论，建立更加合理精确的数值分析模型，未来还有很大的发展空间。

参考文献

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[7]李国胜.多高层建筑基础及地下室结构设计[S].中国建筑工业出版社，2011.

[8]侯学渊，杨敏.软土地基变形控制设计理论和工程实践[M].同济大学出版社，1996.

作者简介：吴蓉蓉 1965年11月 女 籍贯：浙江 温州 学历：硕士 工作单位：温州设计集团有限公司 高级工程师 研究方向：土木工程