如何用变刚度调平法优化桩基数量

发布于：2022-11-10 13:28:10 来自：电气工程/供配电技术 [复制转发]

知识点：地基刚度

我在《地基基础思考与实践》课程中重点讲解了框筒结构桩刚度调平设计《桩基规范》3.1.8条文说明，希望大家课后仔细看下这个条文说明。

在班级群中，一个学员这样问道：

请问老师，规范案例中采用变刚度调平的优化案例，桩数减少了一多半，这个具体是怎么做到的？是原设计桩长都是一样长的吗？现在做了核心筒下加长加密，边缘减少减短吗？单纯从数量上看，减少了很多啊！还能满足基本的承载力要求吗？

我回答道：

核心筒的荷载是周边框架的2~3倍，但是很多人均匀布桩，这样变形差很大。要减少变形差，若仍采用均匀布桩，只能增加桩数，所以需要增加很多，才可以满足要求。如果采用变刚度调平原理，把周边桩一部分移到核心筒部位，即按上部结构的荷载布桩，这样就是用巧劲，而不是绕远用拙劲解决沉降差。所以变刚度调平相对于均匀布桩要经济的多。因为你布桩时是按桩承载力等于上部荷载布置的，自然会满足承载力。

他说：明白了。

另外一个学员说：绕远用拙劲绕的路径让筏板也受连累了，会很厚配筋很大。

我称赞说：你和颜回一样棒啊，能够“闻一知十”，比孔子和子贡还厉害。

（《论语》：子谓子贡曰：“女与回也孰愈？”对曰：“赐也何敢望回！回也闻一以知十，赐也闻一以知二。”子曰：“弗如也，吾与女弗如也！” ）

变刚度调平概念其实并不复杂，但如果与考虑上部结构、基础、地基刚度三者共同作用（三共同）计算地基变形和基础内力融汇贯通起来，并不是容易的事。

我继续写道：

可以把桩变刚度调平通俗的叫做按上部荷载设计桩。这个设计包括设计桩的疏密、长短、粗细，本质是桩的承载力（桩刚度）。

和大家交流一种思考问题的方法，即思考层次。层次分宏观、中观、微观或着叫从粗到细。就上述的问题我们可按如下层次思考：

一：我们先粗略的认为上部结构是纯荷载（像筒仓里的粮食或水池中的水），不考虑上部结构刚度。而桩的承载力，也不考虑其变形与承载力关系 p-s能力曲线。此时布桩可完全按上部荷载分布布桩，比如核心筒的荷载是周边框架部分约2~3倍，桩也应该是周边桩的2~3倍，这样可以认为结构沉降差为0。

这是最宏观的层次即概念层次，这个层次只能用于方案阶段，或荷载较小的无需计算变形的工程，比如不同的框架柱按荷载计算基础面积和桩数，就是这个层次。

当这个层次不能满足工程要求时，应进入第二个层次。

二：简单的按上部荷载布桩，是不能保证沉降差为零的，因为桩基的沉降变形和上部荷载并不是简单的线性关系，此时需要按规范的桩沉降公式来算不同竖向构件或不同区域的沉降，看是否符合规范沉降要求要求，不符合的要调整桩布置。这个阶段是中观层次，类似初步设计。在没有计算机的手算时代，到这个阶段设计就算完成了。但是这个阶段难以考虑上部结构和基础刚度的作用（有简化的手算方法，但比较复杂繁琐），上部结构、基础刚度在地基沉降中一定起了作用，只是作用的大小不同，这个层次我们难以考虑。

随着大底盘的复杂性和相应软件功能的实现，对设计精度要求的提高需要进入下一个层次即考虑三共同的软件分析，也就是规范规定的整体基础建筑群需要考虑三者刚度进行地基变形验算。

三：三同时的分析原理我们课上已经说过，不再赘述。

总结一下：

第一个层次即桩刚度调平基本概念，基本解决了50~60%的问题。第二个层次初步计算分析，再解决20~30%的问题，到第三个层次再解决复杂工程问题。从理论上讲，三个层次就已经圆满了。但因为地基的复杂性，我们无法精确知道地基土的参数，实践上永远不能圆满。

实际工程设计只能按三个层次逐步推进，如果第一个层次概念或方案出了问题，后面的将失去意义或造成巨大的浪费，比如核心筒的均匀布桩

我们再简单的重复一下课程上的上部结构、基础、地基刚度对地基变形的影响即所谓的贡献大小。

地基基础设计时，我们本质是要减少沉降差，理论上整体均匀沉降对建筑没影响，但实际绝对整体均匀沉降会产生结构裂缝倾斜等，这个是实际工程统计上的联系，所以我们最关注的还是沉降差。

对减少沉降差最有效的还是地基，比如岩石地基（运气好）或桩调平设计。

基础本身也能减少沉降差比如箱基或厚板基础，但这种方法很浪费。桩规3.1.8条文说明的那个天然地基箱基的例子就是这样，做了箱基还不能满足框筒核心筒锅底型沉降差要求。就像一根有中间集中荷载的简支梁，加大基础就像加大梁断面和配筋，而加大中部布桩就类似增加了中间支座，作用大小一目了然。

上部结构也可以减少沉降差，但软件应用时要慎重。高层剪力墙结构必然有利不用白不用，可以考虑上部作用。但一般框架或短肢比较矮的剪力墙用了上部刚度，没考虑增加的次应力（上部设计时按底部嵌固于刚性地基上），可能会使上部结构增加内力而开裂，所以要慎重。

理解了这些概念。工程设计中就可以灵活应用了

说到抗浮设计，其实和桩刚度调平设计概念是一样的。桩的布置对应着向下的重力荷载，抗拔构件设计对应着向上的水压力荷载。向上的水压力荷载（注意不是阿基米德的水浮力）已经被结构竖向构件重力力平衡掉一部分了，把抗拔构件布置在没被平衡掉的范围并按没被平衡掉的荷载计算数量即可。相对地基的桩调平的概念，用力平衡方法的布置抗浮构件的概念更清晰，但如果精确分析的话，实际上仍然和抗拔构件的P-S变形曲线有关，理论上是需要考虑上部结构、地基、基础和抗拔构件的刚度的“四同时”，本文不再详述。

YJK培训软件抗浮设计的非线性工况组合设计时，提到了抗拔构件布置不合理，软件计算结果有的地方鼓了起来（按四同时的原理继续非线性分析），发现是抗浮构件布置不可理造成的，然后再调整抗浮构件布置，这种方法是本末倒置，如果按上述的概念去进行布置怎会鼓起来呢？

第一层次的概念就像雕刻一只老虎的毛坯雕塑，第三层次的软件计算只是细部打磨。本来不成形的雕塑毛坯，如何打磨也无法成为一只老虎的，只能重新制作毛坯。

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