简述桩筏基础的桩、土受力分析

发布于：2022-09-01 13:46:01 来自：建筑结构/结构资料库 [复制转发]

桩筏基础的概念：所谓筏形基础就是柱下或墙下连续的平板式或梁板式钢筋混凝土基础；桩筏基础就是与群桩连接的筏形基础。

筏板基础的几种类型

筏板基础示意图

桩筏基础中桩、土受力模型：当前桩筏基础设计主要有两种计算方法，一种是常规的设计方法，桩承担全部的上部荷载；另一种是采用桩基和筏板下地基土共同作用承担上部荷载的模型（复合桩基）进行基础设计，但此设计方法不适用于端承桩。

那在实际工程设计中是如何实现上述计算模型的呢？

桩筏基础设计理论及设计现状

桩筏基础设计中的两个主控因素：一是承载力；二是沉降。设计过程中必须满足建筑物对承载力的要求，对《建筑桩基技术规范》中有要求的建筑还需进行沉降计算。
常规的桩筏基础设计方法：将筏板视为绝对刚性体，假定桩顶位移相等进行群桩的计算与设计，单桩根据承载要求确定桩径与桩长，其沉降计算采用实体深基础计算模型。不考虑桩基和筏板下地基土的共同受力，导致桩数过多，桩距过小，沉降计算远大于实测值。
复合桩基共同承担上部荷载的设计方法：是一种全新的有限元法,它采用有限压缩层上的分层总和法确定地基柔度系数,采用Mindlin解求解桩的柔度系数，计算中它考虑了桩、土、筏板共同作用,可以算出筏板底沉降等值线图，计算结果也是比较可信的。
两种计算理论的优劣性分析：通过对两种设计方法计算原理的比较，可以很清晰的认识到：常规的设计方法过于保守，造成了很大程度的浪费，且沉降计算与实际情况偏差较大；复合桩基共同受力的设计方法经济合理，更接近工程实际情况。那为什么复合桩基共同受力的设计方法在实际工程中未得到广泛的应用呢？这个主要是由当今设计现状决定：

? 对桩筏基础设计概念理解不清，不能灵活应用规范。有部分设计人员对无地下水的桩筏基础不考虑桩土共同受力，对有地下水的桩筏基础设计时更不考虑地基土对筏板的作用，全部由桩承担上部荷载。

? 在常规设计方法中，把上部结构和基础作为两个独立单元分别考虑，不仅没有考虑上部结构与基础的共同作用，而且在桩竖向承载力上还留有较大的安全储备，从而导致基础设计太过保守。

针对设计现状，结合近年复合桩基在工程实践中成功应用的经验，对高层建筑桩筏基础复合桩基共同作用的设计给出如下分析和建议：

? 从2008年《建筑桩基技术规范》可知：“有无地下水对桩筏基础设计是否考虑桩土共同作用影响不大”。

? 在常规设计(桩距/桩径=3~4情况)中，高层建筑桩筏基础的工作性质基本上接近于在弹性地基上刚性基础。由于上部结构和地基基础是一个整体，合理的桩筏基础设计应在分析上部结构、桩筏基础、筏板下地基土共同作用的基础上，优化桩筏设计。

? 在常规设计条件下，高层建筑桩筏基础桩间土仍承担上部荷载，桩间土地基反力略呈马鞍形，在建筑物完工时可分担小于上部总荷载的26%。为充分发挥筏板底桩间土的承载力，适当增加桩间距是合理的。

? 高层建筑沉降理论分析和沉降实测数据说明，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%。

针对上述的分析和优化建议，可能有工程师会说：“基础对建筑安全来说至关重要，桩筏基础设计不考虑桩土共同受力，可以提高基础的安全储备，对结构安全而言是有百益而无一害的事情”。真是这样吗？请大家看看下面这个案例。

上海倒楼事件的分析

2009年6月27日5时30分许，上海市莲花南路莲花河畔小区一幢在建的13层房屋倒塌。上海市政府在之后召开的新闻发布会上，公布倒楼事件调查结果。根据上海市政府公布的调查结果，房屋倾倒的主要原因是紧贴7号楼北侧短期内堆土过高，最高处达10m，与此同时，紧临大楼南侧的地下车库基坑正在开挖，开挖深度达到4.6m。大楼两侧的压力差使土体产生水平位移，过大的水平力超过了基桩的抗侧能力，导致房屋倾倒。原勘察报告、结构设计均符合规范要求，大楼所采用的PHC管桩也符合规范要求。

事故现场照片

事故原因示意图

整幢楼发生倾覆的工程事故在建国50年来从未发生过，国外也未见相关案例。事故的发生刺激了普通民众的敏感神经，也在工程界产生了广泛而深远的影响。虽然事后官方认定了事故的主要原因，对各利益相关方及普通民众起到解惑释疑的作用，但对于专业人士还远远不够。由于对设计、施工、检测及监测等第一手资料的匮乏或缺失，作为专业人士也很难准确剖析事故发生的内在机理及伴随变形发展直至倾覆倒塌的详细过程，而这恰恰是专业人士所关心和需要重点研究的课题。因此对于事故原因的解析，也是百家争鸣，众说纷纭。
关于工程事故的一个设想：建筑物的地基需要满足抗滑移稳定性的要求。建筑物地基的抗滑移能力一般由三部分组成，即基础侧面土的抗力、基础底与土体间的摩擦力（规范规定在沉降控制复合桩基或考虑桩土共同作用的桩基设计中，可考虑基础底与土体的摩擦作用）以及桩顶的抗剪承载力。而在本案中，由于PHC管桩竖向承载力安全余量偏大，导致桩的沉降小于土的沉降而使基底与土体脱开，基础底与土体的摩擦力得不到发挥，抗滑移能力被削弱；南侧基坑开挖则使基础侧面土的抗力被卸掉，抗滑移能力进一步被削弱；当滑动力矩及基底剪力完全由PHC管桩承担，而PHC管桩不堪重负时，整个楼的命运就已注定了。引用结构大师孙芳垂先生在《建筑结构设计优化案例分析》一书中的原话：“对于这起事故，如果桩打的少些、短些，也许这样的悲剧可能不会发生”。
看了结构大师的分析，不知道大家做何感想！

除筏板底为可液化土、湿陷性土、高灵敏度软土、欠固结土、新填土时，沉桩引起超孔隙水压力和土体隆起时，不考虑桩土共同受力外，其他地质条件下的摩擦型桩桩筏基础设计应适当考虑桩土共同受力。考虑桩筏基础桩土共同受力不会对结构安全产生不利影响，却能有效的节省工程成本。故提请各位同行在桩筏基础设计过程中，对桩土共同受力给予足够的重视。最后希望各位读者，看完这篇文章后不觉得浪费时间，能有一点收获就好。