[分享]桩基变刚度调平设计

发表于2021-04-30 39人浏览 1人跟帖总热度:180

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标签：桩基变刚度调平设计单桩承载力整体抗浮构件抗浮

一：前述

如果桩的承载力足够高，就可以一柱一桩，承台取消，柱筋直接锚入桩体（地基规范8.5.3第10条）。大部分单桩承载力不满足设计要求，需要做多桩承台，承台如扁担那样转换产生弯矩和剪力。桩距集中荷载越近，承台弯矩、剪力等越小，需要的断面越小。所以桩布置的原则是在满足规范最小间距要求下间距越小越好。

桩筏基础也是这个道理，如果上部荷载直接通过柱下局部承台的一组桩（特例时一柱一桩）或墙下条状承台一~几排桩满足设计要求时，这样连接承台之间的所谓的筏板（不受桩基的反力）就可以很薄，以构造控制，对于有地下水浮力来说，成为纯粹防水板了。见下图：

当桩的承载力比较小，总桩数比较多，按最小桩基要求即使尽量布置在结构竖向构件的周围也占了整个筏板基础的一多半时，这时候再执着的要求桩集中布置意义就不大了，不若按整个筏板均匀布桩，设计和施工都简单。但遗憾的是实际工程中，很多工程师把它当成了桩筏基础应该的布置方法而忘了布桩的基本原则。

二：桩筏基础设计的故事

朋友是一家大设计院的某民建设计所所长（结构出身），给我讲了一个关于桩筏基础设计的故事，为了描述形象，以“我”来讲述：

我部门招聘了一个985土木系研究生，小伙子基本概念清楚，也很勤奋。工作2年后，部门安排他做一个带地下室的20层的混凝土剪力墙住宅项目，基础为钢筋混凝土灌注桩筏基础，他布桩方案采用均匀布方案，因桩承载力较高，桩间距很大。经计算，底板厚度约1.3米。

我给他讲应该优先考虑单排布置的墙下布桩，对个别墙体荷载较大时，可2排甚至三排、个别的电梯交通部位竖向很大时可成组布桩，筏板局部可加厚，这样大部分的筏板基础就可以薄一些了。

他貌似谦虚的说：“我经验不多，但我了解的桩筏基础应该都是均匀布桩的呀，没有你这样布置的”。言外之意是你虽然是一注，在管理岗位多年了都不会做设计了。还说已经咨询了院总工，总工也认为他的方案是没问题的。

总工是一位四十多岁工作多年的中年妇女（一注结构）。我客气的向她请教，她说当然桩筏都是均匀布置的呀！并鄙夷的看着我，好像是说这事还用问，你的一注咋过关的？

我无语了，也不方便进行理论。我把小伙子单独叫到办公室，给他搬规范（筏基规范6.4.2第4条；地基规范3.3.3第3条）找资料，讲解布桩的基本受力原则，找参考图纸对小伙子进行概念培训。

不愧是985的高材生，他接受能力极快，马上理解了我的意思，回去改好了图纸。采用了墙下条形承台（洞口处不布桩、电梯井筒处楼梯间垂直荷载较大的地方成组布桩），承台高800，非承台处厚300。

我说很好，方案很合理，但300的筏板太薄了，干脆统一做成800得了。

他说，筏板不受力，我们的水位才1.5米高，不存在整体抗浮，只存在构件抗浮（概念很清楚，心里暗赞），已经算过了，构造300厚和构造配筋满足1.0吨的抗浮要求，干嘛做800厚呢？太浪费了。

我气的都无语了，苦笑道：“你原来做1300厚振振有词，现在300厚理由也很充分，两头有理呀”。

他脸红了，笑着说：“钟总，我原来的概念不对，现在明白了，我觉的这样设计一点问题也没有，桩和承台承担上部荷载，筏板不受力只受浮力。

我说：“从受力平衡上是这样，但你考虑过桩基压缩沉降变形后是筏板的受力状态吗？”

他一愣，陷入思考中。过了一会儿他说：“钟总，我似乎有点明白了。单纯从受力来说，我的设计和理解没有问题。但是任何基础都有压缩变形，当压缩变形时，承台会带着筏板一块下沉，这样筏板除了承受水浮力，还要分担上部荷载。分担多少很难说清楚，但一定在零~均布荷载之间，对桩基来说因变形很小，分担的就少，对天然地基来说，变形就大，分担的就多，最极端的情况就是均布荷载。

即使天然地基，硬土相对与软土来说因变形很小，所以反力较集中在柱附近，反之就扩散成小波浪的形态。荷载越集中，筏板内力越小，反之就越大。

北京院的独立基础加防水板的做法加泡沫架空层也是这样的道理，如果是岩石的地基，不加泡沫也没问题，但如果地基比较软，不加泡沫但按防水板设计的就可能存在问题了”。

他接着说：“ 设计不能只考虑受力平衡，也要考虑变形协调。假如果我们能够算出地基的变形也就可以得出内力分布了，这样在设计桩和筏板岂不是更准确吗？”

我暗暗佩服，不愧是985的高材生，悟性真高。

我顺势引导着他说：“可惜呀，地基的变数太多了。我们总是希望能考虑上部、基础和地基的刚度共同作用，算出精确的地基变形和内力分布进行基础的配筋设计。上部结构相对好算准，但地基咋算的准呢。再精确的计算手段在模糊的地勘数据面前也是白搭，所以这时候概念就很重要。

比如你设计的设计理念是桩基根据力的平衡，桩受上部荷载、筏板抗浮。

这种理念单纯从安全角度可能没问题，但是从使用角度可能存在问题，比如桩基沉降时，防水板也分担了地基的反力，在桩基还远远达到承载特征值的情况下，防水板已经开裂破坏了，漏水了。虽然结构安全没有问题，大不了我们把防水板重新做一下，但这不符合正常使用也不行。

可考虑一部分桩基的荷载分给筏板（桩荷载不减）来计算筏板，比如我按均做800的板厚就是这样考虑的，虽然算不清，但我用实践经验和概念来保证我的方案是安全与经济的”。

他说：“嗯，钟总你说的对，我听你的”。

我说：“我考你个问题，你回去思考一下。同样材料同样断面的的钢拉索长度不一样时，那个受拉承载力高呢？”

他不加思索的说：“你是想考我脑际急转弯吧，当然是一样的了”。

我说：“这可不是脑筋急转弯，别着急回答，回去思考一下”。

第二天，他又来到我办公室，说：
“钟总，假如我们都按上部荷载来布桩，从理论上筏板就可以不受力了，那点压缩变形带来的应力分布，总比平均布置的反力小多了，这样就可以大大减少基础筏板的内力了。那么框筒结构，筒的荷载比周边框架大的多，桩应该在内筒多布置。我觉的这是个很好的设计理念”。

我问他：“你知道什么是桩变刚度调平设计吗？”

“不知道！”

“你这就是变刚度调平设计，规范有明确规定。”

“这还需要专门规定吗？本身就应该这样设计呀。”

我苦笑了一下：心里想：你真行，见点阳关就灿烂！

他接着说：

“你说的那个钢拉索的问题.......,”我：“......”。

这个住宅项目规模很大，甲方委托了三家设计院，另外两家的都是采用的均匀布桩的厚筏板基础，配筋也很大，而我们做的比他们的省多了，后来甲方的老总（也是结构出身）请我吃饭说，你设计的我一看概念就是对的，你们院设计的十几栋房子能给我们节约上千万，不过我们就是要快，一平米卖好几万也不在乎这点钢筋水泥。

想一想这都是十几年前的事了，那时候的设计真幸福呀！

三：变刚度调平设计

上部结构的荷载在地基土中的分布与竖向受压构件的布置有关，如果竖向构件直接放在地基土上，结构无法承受地基土的巨大的沉降。故需通过基础承载面积（独基、筏板）的扩大分散上部竖向构件的荷载均匀的地基土中，从而减少地基的沉降，这样却增加了基础的造价。如果地基足够硬，比如岩石时，结构的柱子直接锚如岩石，无需做基础了，但大部分情况不是这样幸运。

天然地基我们无法控制地基土的分布，但如果人工地基像桩基、复合地基、地基处理等，按上部荷载来确定人工地基的刚度的分布，这样就可以减少基础的内力甚至可以不用做基础，比如大直径的一柱一桩，对桩基来说这个理念就是桩基的变刚度调平设计。

概念并不复杂，故事里的小伙子自己就可以悟出来。

独立承台的设计必然如此（按上部构件的荷载分别布置桩），普通的框架和剪力墙的高层的筏基也应该这种理念。

作为高层的框筒结构是非常有必要单独列出来强调要变刚度调平设计的，因为这种结构形式其交通核心的部位主要是密集厚重的钢筋混凝土抗剪筒体，其自重是周边框剪的1.5~2.0倍，上部荷载严重不均匀（分布不均匀，但建筑重心与形心是重合的，重心与形心或刚心不重合时是上部结构抗震扭转问题，而地基关注的是竖向荷载分布），所以规范在讲到变刚度调平设计时主要指的是框筒结构。

见下图：

1：调平设计的原理不用多说了，上面的故事已经说的很清楚了。举一个例子。

我审图的一个150米高层的的框筒结构，地质还不错，采用的是CFG桩复合地基。原设计单位均匀布桩，基础底板后2.5米。核心筒巨大的荷载压向筏板并下沉，周边的筏板沉降很小，所以筏板像扁担一样挑着中间的筒体，我似乎听到扁担被折断时的咔嚓的声音。

我后来提出来应该变刚度调平设计，设计单位不愿意改图，后来甲方专门组织专家会议才解决这个问题。

设计修改采用了框筒做加密加长桩的复合地基方案，基础厚度减少到1500，配筋构造就基本够了。我又仿佛感觉到大力士承扛着大麻袋，小家伙轻轻松松的扛着小口袋。

2：桩基规范关于变刚度调平的条文说明非常详尽，为了避免读者再翻阅规范，故摘抄出来，并根据自己的理解增加备注。

笔者注：上部结构的刚度会使本来荷载均匀（地基假设也均匀）的高层结构的地基反力成马鞍型分布，减小了地基的沉降，但局部弯矩端部大于中部弯矩和马鞍型的反力分布相对应。见下图

这是以上部结构产生次应力做代价的。

为什么均匀的荷载和地基会产生不均匀的地基反力呢？这是因为地基土受压时的互相影响（布氏解应力分布可以揭示这一点），中部受到四周的影响沉降最大，而边缘尤其角部影响相对很小，沉降也会小，但刚性的上部结构强迫（用自身的刚度迫使）地基沉降趋同，所以必须给予边缘的压力大于中部。

核心筒结构的布桩应为下面的（b）（c）图。

笔者注：均布荷载作用在均匀的天然地基上，其沉降分布一定是内大外小的碟形。但对于桩基应该和天然地基区分开来，不能混在一块说，容易产生误解。系列（九）说过，桩的受力和地基土的受力原理不同，虽然群桩效应下的桩土共同作用，但随着桩间距的加大，这种影响逐渐变小，尤其对于端承桩，这种相互作用甚至不存在。换句话说，桩更像是独立作用的弹簧，和温克尔的基床系数的概念接近。桩土之间的相互作用比天然地基土相对小多了，即使发生蝶形的变形，其碟子的深度也浅的多。

个人理解：对于在对于上部荷载比较均匀的建筑，无需按规范条文说明的下图布置桩。在布置桩时，可以简单的按上部荷载的大小来布置，无需考虑上部结构与基础的共同作用。