浅析桩筏基础设计

徐祖林

1 工程概况

本工程位于海南省三亚市迎宾路，地下2层，地上裙房部分为5层，主楼部分为26层，总建筑面积54000m2，高度99.60m，为框架剪力墙结构。抗震设防烈度为Ⅵ度，设计基本地震加速度0.05g，基本风压Wo=1.05kN/m2（本工程基础设计由风荷载控制）。拟建场地从上至下分别为：人工填土：①粉质粘土；②砂砾；③粉质粘土；④砂砾；⑤粉质粘土；⑥砂砾；⑦粉质粘土；⑧砂砾；⑨粘土；⑩粗砂；⑪粉质粘土；⑫砂砾；⑬粉质粘土；⑭砂砾；⑮粉质粘土；⑯强风化岩；⑰中风化岩。强风化岩位于基底约70m，地下水位常年较高，抗浮设计水位位于室外地面2m。由于地质条件比较复杂，故需进行综合考虑地基基础设计方案，满足既安全又经济的要求。

2 基础设计方案

通过对上部结构进行分析计算，主楼部分由于层数多且抗震墙基本布置在主楼部分，导致基底压应力远超过地基承载力允许值（除非筏板向四周扩展得很大）。而裙楼部分对地基产生的压应力亦达到210kPa。由于本工程地下室与大面积的地下商业街衔接成为一个整体，地基承载力经过修正后的承载力亦无法满足裙房部分不设桩的条件，另外由于裙房面积相对来说比较大，为了控制主楼与裙房之间的不均匀沉降，考虑到桩的存在对减少桩筏基础的沉降有明显效果，并使建筑物的整体横向倾斜大大改善，使建筑物均匀沉降，故最终选定桩筏基础。

3 桩土共同承担上部结构荷载

根据现行规范《建筑桩基技术规范》（JGJ94-2008）的规定，在适当加大桩间距，减少桩数，充分发挥筏板底的地基承载力是可行的，决定在基础设计过程中考虑桩土共同作用，让桩间土承担一部分上部结构荷载。桩间土承担上部结构荷载的比例根据相关文献，高层建筑桩箱（筏）基础在常规设计条件下，桩间土仍分担上部荷载，桩间土地基反力略呈马鞍形。在建筑物竣工时，箱（筏）底板可分担小于26%的上部总荷载。在进行桩筏基础设计时，经常会出现单桩反力值大于单桩竖向承载力特征值，不满足设计规范的情况，很多情况下设计人员习惯增加桩数，当原有桩的单桩竖向反力远远大于1.2Ra，即1.2倍单桩竖向荷载承载力特征值时，增加桩数会比较合适，反之，这样处理会造成浪费，不经济。其实，当原有桩的单桩竖向反力不是远大于1.2Ra，我们可以通过适当调整桩筏部分的基底反力系数K值，以达到相应增加地基土所承担的反力，但又不超过地基土的承载力，从而降低桩端反力，达到使单桩反力值小于单桩承载力的目的，而不必用增加桩数来实现。一般而言，地基土所承担的上部荷载值大概占10%左右为宜，此条与现行桩基础设计规范5.2.5条文说明的分析数据一致，故在本工程中我们采用后者进行控制设计。

4 布桩方式

通常的布桩方式，是按《建筑桩基技术规范》（JGJ94-2008）表3.3.3的要求布置，对于桩筏基础，为避免筏板冲切问题，一般尽量把桩布置在混凝土墙的正下方，对于桩承台基础，在满足单桩承载力的条件下，桩的布置尽量合理。在传统的桩筏基础设计中，主要采用等桩径等桩长等桩距布置。然而对本工程而言，由于上部荷载的不均匀性及受场地限制，若采用均匀布桩将导致结构重心与基础形心距离远大于规范要求，同时也会使一些桩未能充分发挥作用，导致筏板出现较大的不均匀沉降。考虑到主楼和裙房的荷载差异性，为了便于调整桩的桩径和长度，故选用当前建筑工程中大量使用的灌注桩。

为了使基础受力更加合理，沉降更加均匀，本工程采用目前比较时兴的变刚度调平的设计理论进行设计。这种理论的桩位布置方式大体有如下几种：等桩径等桩长不等桩距，不等桩径等桩长等桩距，不等桩径等桩长不等桩距，桩径桩长桩距均不等。针对本工程结构构件的布置和受力特点，决定采用桩长、桩距不等方式进行布桩。主楼部分选用较密的桩长41m、直径800mm的混凝土灌注桩，承载力特征值为4000kN；裙房部分选用桩长25m、直径800的混凝土灌注桩，承载力特征值为2400kN。设计中通过不断调整桩距及桩的承载力，以达到筏板形心与上部结构重心基本重合的目的。

5 沉降计算

在试桩阶段，本工程经过静载荷试验，在单桩达到极限承载力时，桩的沉降值在34～50mm之间。本工程在不考虑桩土共同作用、采用地质资料自动反算的基床反力系数和桩竖向刚度时，沉降计算结果非常大，远偏离实际试桩结果，明显不具备合理性。当采用考虑桩土共同作用，根据沉降计算结果再不断调整基床反力系数和桩竖向刚度，使最终的模型计算沉降值与试桩结果趋近一致。

6 冲切验算

本工程为布置暗梁的平板桩筏基础，筏板厚度主要受控于桩对筏板和剪力墙核心内筒、框架柱对基础底板的冲切两大因素控制。经核算，主楼下核心筒区域筏板厚度取2000mm，主楼范围内其它部位板厚取1200mm，裙房部分筏板厚度取600mm，在柱下集中布桩部位增设桩基承台，经计算筏板均满足抗冲切要求。

7 基础设计过程中的要点控制

（1）基础布置尽量在墙下或者柱下集中布桩，以便更好的控制筏板的厚度。

（2）尽量使筏板形心与上部结构重心基本重合，本工程主要控制主楼的筏板形心与上部结构重心基本重合，基础桩位布置见图1。

图1

（3）地基计算时，按柱底（墙底）内力布桩，选择考虑桩土共同作用，设置基床反力系数和桩的竖向刚度值，计算模型，查看沉降值和桩、土分别承担的荷载比例。依据工程实际的试桩结果，通过反复调整两种桩的布置、单桩的竖向刚度值和基床反力系数k值，在满足单桩承载能力的条件下，使工程桩沉降值与试桩沉降基本吻合，且满足地基土所承担的上部荷载值大概占10%左右，计算得41m长工程桩数量为352根，25m长工程桩数量为649根。当地基计算不考虑土分担荷载时，计算得41m长工程桩数量为392根，25m长工程桩数量为707根。

表1

由此可见，考虑桩土共同作用后，沉降计算值与工程试验情况更接近时，因为考虑了土的承载能力，比不考虑土承载能力的桩数减少了约10%。

8 总结

本工程通过适当考虑桩土共同承担上部结构荷载，使得基础工程造价得到了很好的控制，但是工程设计过程中有两点未能突破现行规范的约束，留下了遗憾：

（1）在现行规范的许可下，土体分担的上部荷载只能取到10%左右，而根据有关专家的研究结果，在建筑物完工时可分担小于上部总荷载的26%。

（2）依据现行高层建筑沉降理论分析和沉降实测数据，目前一般桩筏基础中减少桩数大有潜力可挖，桩数可以减少，而且应该减少。一般可减少10～15%，这一部分没有必要的安全储备未能转化为对工程成本的节约。

[1]董建国，赵溪宏.高层建筑地基基础.同济大学出版社，1997.

[2]朱炳寅.建筑地基基础设计方法及实例分析.中国建筑工业出版社，2007.

[3]《建筑桩基技术规范》（JGJ94-2008）.中国建筑工业出版社.

[4]刘金波，黄强.建筑桩基技术规范理解与应用.中国建筑工业出版社，2008.

[5]阳吉宝.高层建筑桩筏和桩箱基础的优化设计.工程勘察，1996（1）：23～24.

[6]筏式和箱式承台弯矩的计算.岩土工程学报，1992（4）.