考虑桩土共同作用的桩筏基础的分析

刘平湘

摘要：文章对采用桩土共同作用的桩筏基础进行计算分析，说明采用该基础型式的可行性及经济性。

关键词：桩土共同作用；桩筏基础；沉降差

中图分类号：TU473.1 文献标识码：A 文章编号：1674—3024（2016）05—117—02

1项目概况

振宁·星光广场综合楼项目位于南宁市江南区亭洪路58号，东面为星光大道，南面与亭洪路相接，西面与规划路相接。建筑地下三层，为平战结合小汽车停车库；地上34层，1层为酒店大堂，2～5层为多功能厅、餐厅或宴会厅，6～11层、13～23、25层为办公，26～32层为酒店，12、24层为避难层。房屋高度13 1.50m，建筑面积60022.45 m2。结构体系采用框架一核心筒结构，核心筒与外框架柱的间距为11.85米/12.77米，主楼26层和30层角部有局部托柱转换，二层有高度为9.5m的跃层柱。

2基本地质条件（摘自勘察报告）

根据《岩土工程勘察报告》，本工程场地上覆土层为第四系人工填土、黏土和圆砾层，下伏基岩为古近系泥岩，泥岩性状、特征如下所述：

（1）泥岩④1：灰色，青色，强风化，泥质结构，层厚状构造，局部夹煤层，为古近系岩层，属极软岩，岩体较完整，岩体基本质量等级为V级。层顶埋深2.20～27.40m，揭露厚度4.10～3.20m，平均厚度14.87m。场地范围内均有所揭露。属低压缩性土。

该层做标准贯入试验29次，实测击数N=50～68击，标贯修正技术标准值为42.9击；取岩样17件，压缩系数α1-2=0.054～0.131MPa-1，均值0.081MPa-1。

（2）泥岩④2：灰色，青色，中风化，泥质结构，层厚状构造，局部夹煤层，为古近系岩层，属极软岩，岩体较完整，岩体基本质量等级为V级。层顶埋深22.40～33.60m。该层取6组岩样进行饱和单轴抗压试验，标准值为0.41Mpa。场地范围内均有所揭露，未揭穿，入完整岩最大深度为17.1m。属低压缩性土。

根据《岩土工程勘察报告》，泥岩④1层的地基承载力特征值为fak=380kPa，根据本项目浅层平板载荷试验，泥岩④1层的地基承载力特征值可提高至fak=525kPa。

3基础设计方案的比较选择

（1）地质勘察报告建议该栋楼的基础型式采用桩基础，且甲方要求出图的时间较紧，没有时间考虑别的基础方案，因此，经与甲方沟通后，前期只能先按地勘报告的建议，框架部分和核心筒部分均采用旋挖成孔灌注桩方案设计出图（该桩基方案的造价较大），出图后再另行进行基础的优化设计。

（2）提交施工图后，甲方组织有关参建各方召开了针对基础设计的专题技术讨论会议，提出了基础设计优化要求。为此，设计提出了以下三个优化方案：

方案一：主楼采用整体筏板基础，核心筒及相邻范围采用CFG桩进行地基处理；

方案二：外框柱下采用天然地基上的柱下独立基础，核心筒部分采用地基处理后复合地基上的筏板基础；

方案三：外框柱下采用天然地基上的柱下独立基础，核心筒部分采用桩土共同作用下的桩筏基础。

（3）对于方案一，根据建筑方案，本工程地下室底板面绝对标高为67.7m，已经位于泥岩④1层，经过计算，外框部分的天然地基承载力无需地基处理即可满足设计要求，而核心筒部分的地基反力达950 kPa。若采用地基处理，地基承载力特征值需由525 kPa处理至950 kPa。在工程实际中，因泥岩④1层处理后的地基承载力提高幅度较大，理论计算的置换率高，处理成本高，而且当地没有类似的成功案例，因此不考虑该方案。

（4）对于方案二，经过计算，外框部分的天然地基承载力无需地基处理即可满足设计要求，但核心筒部分的地基反力达1150 kPa，同样因处理后的地基承载力提高幅度太大而不考虑该方案。

（5）经比较、分析，结合工程经验，选择方案三，即外框柱下采用天然地基上的柱下独立基础，核心筒部分采用桩土共同作用下的桩筏基础的设计方案。

4桩土共同作用的工程实用方法

（1）桩土共同作用问题一直受到岩土界同行的重视，是基础工程设计中人们反复讨论、反复争论的一个热点。回顾桩土共同作用的研究历程，初期的研究将思维局限于弹性理论，只是采用弹性变形协调的概念进行数学计算，不去仔细考证这种理论和概念对我们所研究问题的适用性。

在经过仔细观测、分析和了解桩基沉降发生、发展的实际过程的基础上，抛弃桩土弹性变形协调概念，将桩土共同工作的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。在较小荷载下，主要由桩承受外加荷载，当荷载超出单桩极限承载力时，承台下土的支撑力就变为主要的。

（2）强度条件和变形条件双控是结构设计中最基本的原则，基础设计也不例外，可以以桩土共同作用的极限状态作为基桩强度的验算条件，另一方面，必须用沉降计算的方法满足桩基础的沉降控制条件。在不考虑桩土共同作用的时，用桩量较大，桩基沉降量较小。考虑了桩土共同作用工作以后，用较少的桩就可以满足强度条件。强度条件比较容易满足，这就使得沉降条件显得更为严格，换句话说，常使沉降条件成为控制条件。

在上海地区，由于他们积累了大量实测的桩基长期沉降观测数据，在常用的工程桩运用范围内大大地提高了当地桩基沉降计算的精度。因此，在上海不仅可以以变形条件作为真正的控制条件，而且进一步可直接用变形条件确定布桩总数量。

上述的基本概念和工程设计实用方法都很简单，但在具体设计时，还应该注意一下几点：

（1）在具体的设计中，不可能一次就使得强度和变形两个条件都恰好满足。因此，一个好的设计过程是一个优化的过程：第一步先确定桩端持力层，桩型和单桩极限承载力；第二步是假定基础承台底面尺寸；第三步计算沉降与桩数的关系曲线；第四步验算整体强度。根据第三、第四步的结果返回到第一、第二步进行修正，再进行第三、第四步的计算，如此循环，以相对最优的设计。

（2）由于实际的桩土共同作用工作可简化为两个阶段。第一阶段由桩单独承受上部荷载，待到桩的荷载达到极限承载力时进入第二阶段，桩向土中刺，这时土才真正参加共同工作。随着荷载的增加，各桩都先后达到极限承载力，桩的沉降明显增大，基础的沉降由承台下的土地所控制，计算这时的基础沉降量，其计算点必须选择在桩与桩之间的土上，基础沉降应等于承台底面以下土体的总压缩量。

（3）以上所述的都是沉降稳定以后的最终状态，所计算的沉降也是最终沉降量，在长期的沉降发展过程中，各不同时刻的桩土共同作用与我们估算的最终状态是有所不同的，产生这一现象的主要原因是桩与桩之间的土体随着时间还会发生缓慢变形。在加载初期，桩土的荷载分担可认为基本上按照桩或土的瞬时刚度分配，土面上会受到一定的力。但以后的变化就不一样了，桩身的压缩基本上可以认为非常接近弹性，而桩问的土体在通过摩擦阻力传来的应力作用下会继续压缩。桩问土的压缩量是比较大的，可以估算出来，大约几公分到二十公分。在桩侧桩与土接触面上桩与土质点的相对位移不断变化的，因此在具体设计时，必须要考虑到在沉降的发展过程中，这些受力的变化所造成的最不利的影响。

（4）本工程桩筏基础的筏板底部土层为强风化泥岩④1层，桩端持力层为中风化泥岩④2层，由于强风化泥岩④1层、中风化泥岩④2层均为极软岩，在本地的设计行业中均不认为此泥岩为岩石，只要桩基下持力层存在沉降，则桩间土就可以起到作用。因此，为了充分利用筏板底泥岩的承载力，桩筏基础设计时考虑桩土共同作用的方案，其中桩承担上部约70%的荷载，桩间土承担上部约30%的荷载。同时，为减小桩长，采用桩端后注浆工艺。该基础设计方案取得了良好的经济性效果。

5本212程沉降分析

（1）根据PKPM计算结果，核心筒部分的沉降约为61mm，外框架柱独立基础最大沉降量为72mm，沉降差11mm。根据《建筑桩基技术规范》（JGJ 94-2008）表5.5.4，允许沉降差为0.0021=0.002×11850=23.7mm>11mm，计算沉降差满足规范要求。

（2）临近场地沉降计算及观测结果。同地块1#住宅楼31层，建筑高度99.9米，剪力墙结构，筏板基础，地基持力层为泥岩④1层，目前已经施工至27层（内隔墙未砌筑）。PKPM计算的沉降量约为80mm，目前观测沉降量约为8mm。

从以上理论计算结果与实际观测结果并综合其它项目的数据看，程序理论计算的沉降量与实际沉降量有较大出入，实际沉降量要小于理论计算值，基础沉降差满足规范的要求。

6本工程控制沉降差的其他方法

我们还可以通过采取以下有效措施控制核心筒与外框之间的沉降差：

（1）适当加大外框柱下独基尺寸；

（2）底板底靠近筏板、独基位置因放坡开挖被挖除的部分采用素混凝土回填，保证底板底地基土的承载力；

（3）主楼范围内的底板加厚至h=400mm；

（4）基础与防水底板之间留施工缝，分开施工。

7结论

根据以上分析，本工程核心筒部分采用考虑桩土共同作用的桩筏基础、外框部分采用独立基础的基础型式，沉降差满足规范的要求，也是相对经济、合理的。