01

       一个疑问      

前几天，有位读者朋友问了一个问题，想让大白从概念上分析一下，某个设计项目采用“分离式布桩+整体式承台”桩筏基础是否合理？是否需要调整布置方案？

由于时间有限，简单聊了几句，大白的建议是：

1、这种方案不容易验算清楚，存在安全隐患不建议采用；

2、若真想采用，建议保守点按分离式承台建模补充复核，桩承载力按局部和整体均满足双控。

考虑到近些年这种基础形式愈发常见，大白心中对其又存在一些疑惑，所以认为非常有必要说道说道。

借着本期文章，简单聊聊疑惑点在哪里。

02

        分离式布桩+整体式承台桩筏基础      

在介绍这种桩筏基础之前，让我们先来复习下传统的桩基础布置形式：

一、分离式承台桩基础 ：

△  某高层桩基础图

可以看到，对于该类基础，基桩会尽量集中与竖向构件下方，荷载就地平衡，承台与承台间完全脱离，其间布置结构底板。

二、整体式承台桩筏基础：

△  某超高层桩筏基础图

随着上部结构层数增加，荷载逐渐加大，基桩变得无法完全集中于竖向构件下，承台与承台也难以避开只能碰撞结合，最终演化为整体式承台的桩筏基础布置方案。

三、“分离式布桩+整体式承台”桩筏基础

有结构工程师对上述两种方案进行了“微创新”：

主楼下设置整体式承台，承台大部分等厚度，同时掏除竖向构件间受力较小的桩基，从而演化为：

“分离式布桩+整体式承台”桩筏基础。

△  分离式布桩+整体式承台桩筏基础示意图

从这个方案中大白可以明显感受到，设计师期望基础协同受力，共同抵抗上部竖向与水平荷载作用。

更有甚者，不加判断地使用软件的计算结果，导致整体承台厚度取值偏薄，比如盈建科官网上的这个案例：

△  某项目基础方案

资料来源：盈建科官网[1]

根据官网上的介绍，结构模型共18层，总高50m左右，设计采用“分离式布桩+整体式承台”桩筏基础，整体式承台厚度仅为600mm，局部墙下加厚，基础方案可能存在安全隐患。

大白猜测，这类基础形式的出现 ，可能有三个原因：

1、承台大体厚度相同，方便现场施工，节约施工措施费；

2、软件的冲剪验算看上去容易算够；

3、优化桩基根数，节约工程造价。

而之所以能被大量应用，最关键的诱因可能在于第三条上。

03

        节约桩数的窍门      

节约桩数的窍门在于：

当分散布置的桩基被整体承台连接以后，大家就约定俗成地按照《桩基规范》5.1.1条和5.2.1条，仅进行单承台下的桩基竖向承载力计算。

采用这种布置方案，全楼桩基反力被平均化，整体抗倾覆力臂加长，相较于分离式方案更容易满足式（5.2.1-1）和（5.2.1-2）的要求。

为验证上述说法，大白选取某咨询项目的算例，将原有较优的分离式布桩方案方案直接修改成“分离式布桩+整体式承台”桩筏方案。

简单选取其中的2个承台，将原有7桩均优化为5桩进行试算对比。

△  原有基础方案

△  试算基础方案

△  桩竖向承载力验算结果

计算结果表明，非地震工况下桩基平均反力Nk=2480kN；偏心竖向荷载作用下，Nkmax=4370kN，原设计设计单桩竖向承载力特征值为R=3700kN，同样能满足5.2.1条的要求。

必须提醒一点，这种方案会掩盖这个问题：

部分竖向构件下的布桩数量可能不足，上部荷载无法原位抵消，需要其余区域的桩基一起分担。

这就意味着，承载力缺口需要在承台内进行转移，从桩承载力不足位置流向富余区域。

因此承台本身必须能够承担这部分荷载。

04

        双向板无梁楼盖体系      

如果我们把满足冲剪要求的，单竖向构件传力范围内分散布置的基桩假想围合成一根柱子，同时把整体式承台视为楼盖的话，本质上这种基础布置方案仍可以大体上看成：

倒置的无托板或带托板双向板无梁楼盖体系

△  双向板体系的无梁楼盖示意图

△  混凝土规范中的带托板板柱结构

若出现前文提到的，原位桩承载力不足以抵消上部荷载的情况，为确保该体系的安全性，设计师必须应确保：

荷载缺口能通过承台的弯曲、冲切、剪切和扭转传递给其余区域的基桩。

05

        受弯问题      

通常来说，整体式筏形承台的总弯矩M主要由两部分弯矩叠加而成：

结构整体弯曲形成的整体弯矩M1和桩反力作用在承台上产生的局部弯矩M2。

亦即总弯矩M=M1+M2。

然而当我们翻阅规范的相关公式（例如5.1.1-2和5.9.2-1～2），可以发现：

承台设计时仅 计入局部弯矩M2的影响，通过 计算各桩的桩顶反力，据此进行受冲切、受剪和受弯等承载力计算，最终得到承台尺寸与配筋。

也就是说，规范假定：

柱下独立桩基承台的整体弯矩M1影响较小，可以忽略不计。

M1当然不会凭空消失，而是应当采取有效措施来尽可能减小其影响。

文献[2]认为，结构整体变形影响因素多且复杂，合理的整体式筏形承台设计策略应该是：

首先重视概念设计，其次才是确定承台厚度与配筋。

规范中提出的变刚度调平布桩方案，常被用作重视概念设计的典型案例：

通过调整基桩的竖向支撑刚度分布，以适应上部框架-核心筒结构荷载分布不均匀这个事实。

该方案使得整体式承台的差异沉降减小到最低，有效降低整体弯矩M1和上部结构的次生应力，优化承台厚度和配筋。

文献[2]还认为，桩筏基础在不存在软弱下卧层（特别是不均匀的软弱下卧层）、桩型和布桩合理的情况下，一般不存在安全度不够的问题。

同时指出， 桩筏基础设计的控制关键是差异沉降，包括各部位之间的差异沉降和整体倾斜。

而差异沉降的控制主要取决于桩的合理布置。

细看“分离式布桩+整体式承台”桩筏基础方案可以发现：

上部结构的荷载并未像框架-核心筒结构那样明显分布不均，设计人在布桩时又允许部分竖向构件下的原位桩承载力存在缺口，然后单纯地希望通过结构与基础的整体弯曲来协调竖向构件下的差异沉降。

非但没有限制承台的差异变形，反倒人为增大了整体弯矩。

这显然与规范的初衷相违背，概念上并不合理。

补充讨论两点：

可能会有朋友认为，剪力墙结构筏形承台的整体弯曲极小，说明上部整体抗弯刚度极大，因而设计中不考虑筏板整体弯矩问题不大。

这个解释有点道理，历史上已建成项目的实测沉降数据可以观测到这一现象。

不过随着时代的进步，剪力墙结构经过持续不断的优化，布墙数量早已经不如从前。

特别是南方地区，由于气候原因，出现了大量的一向少墙剪力墙结构，其纵向受力愈发框架化，整体抗弯刚度已经被大幅削弱。

一向少墙剪力墙结构是指仅在一个方向（Y向）剪力墙很多，符合规范对剪力墙结构的要求，而在另一向（X向）仅有少量剪力墙的结构。

所以建议还是按照《桩基规范》5.9.3条，考虑地基-桩-承台-上部结构共同作用进行分析计算。

此外，目前广泛使用的基础有限元分析模型，常以桩为弹性支座，并且能够计入上部结构刚度的协同效应。

因此有朋友可能也会以为，计算结果已经考虑上承台的整体弯曲变形，可以用来指导基础设计。

事实当真如此么？

众所周知，桩的竖向刚度本质上是桩与土共同作用的综合刚度，取值大小主要与桩身刚度、桩周土变形特性、桩端土的变形性质等因素有关。

一般情况下，同一栋主楼下的桩刚度取值是一致的，隐含认为各基桩在单位荷载下的沉降变形都差不多。

对于“分离式布桩+整体式承台”桩筏基础方案，当桩刚度较小时（例如摩擦型桩或桩端持力层土质较差），承载力不足区域可能提前发生刺入变形或桩端下卧层沉降。

各基桩刚度取值一致的情况下，无法准确模拟差异沉降。

沉降不符合实际，承台变形和受力也就难说准确。

当实际桩刚度很大（例如嵌岩桩等桩端持力层较好的情况）时，计算刚度若取得较实际刚度小，荷载缺口便可能无法按设想发生转移，只能靠原位基桩和上部结构共同作用一起分担。

最终结果 可能只是：

吃掉了原位基桩和上部结构的部分安全度。

大白觉得，如果真想采用这种基础方案，设计人必须想清楚这个问题：

如何合理选取桩刚度，以吻合基础的实际变形与受力状态。

这是导致大白认为，“分离式布桩+整体式承台”桩筏基础方案算不清楚的第一个重要原因。

06

        冲切问题      

混凝土规范9.1.11条的条文说明指出，对于板柱结构及基础筏板，板与柱相交的部位均处于冲切受力状态。

冲切属于脆性破坏，为确保结构安全，设计时首先要保证两者相交部位节点处必须具备足够的厚度以满足：

受冲切承载力

工程界普遍认为，对于柱下平板式筏形承台，可以按柱下独立桩基承台的模型验算柱墙对筏板的冲切。

后者的冲切公式执行《桩基规范》第5.9.7条，计入冲跨比的影响，冲切破坏椎体与承台底面夹角θ不小于45度，如下图[3]所示：

△  桩筏基础柱冲切、内桩冲切示意图[3]

由于承台实质上可认为是：

局部荷载作用下产生局部反力且不配置箍筋和弯起钢筋的钢筋混凝土构件。

故式5.9.7-1本质上来源于《混凝土规范》式6.5.1-1。

只是原有参数η被替换并计入冲跨比，以考虑桩在承台中位置对承载力的影响。

大白个人认为，上述验算公式无法完全适用于“分离式布桩+整体式承台”桩筏基础，主要原因是：

对于一般桩基承台，由于每根柱墙下负荷范围内的基桩数量与上部荷载需求大体上是匹配的，故而假定冲切破坏椎体可以出现在柱墙边至相应桩顶内边缘连线所构成的椎体上。

这个假定在一些室内模型试验中得到验证，所以计入冲跨比的影响是合理的。

反观“分离式布桩+整体式承台”桩筏基础方案，部分柱墙的负荷范围内桩承载力始终小于上部荷载需求，这部分基桩只能够提供有限的反力。

因此大白认为，冲切破坏椎体也能与一般桩基承台相同这个假定是存在疑虑的。

所以对于存在承载力缺口的部位：

按桩基规范考虑冲跨比影响进行冲切验算值得商榷。

那么是否存在更适合的验算方案？

其实早在《地基基础规范》编制初期[4]，除了目前采用的验算方法外，还有另外一种方法也被纳入考虑并进行比较：

冲切临界截面取柱边0.5h0处，当冲切临界截面与桩相交时，冲切力扣除相交那部分单桩承载力。

采用这种计算方法的国家有美国、新西兰。 我国20世纪90年代前一些设计单位也常采用这种算法。

编制组对比算例后发现，两者计算结果非常接近，一般仅相差5%左右。

只是因为该算法在计算上相较繁琐，所以才推荐使用《桩基规范》的算法。

可见对于冲切验算来说：

两种算法其实都可以用。

以大白的粗浅认识，这套算法无需考虑桩在承台中位置和约束能力对承台抗冲切承载力的影响。

反倒更适合用于“分离式布桩+整体式承台”桩筏基础方案。

熟悉PKPM软件的朋友可能清楚，基础模块中墙对桩筏基础的冲切验算[5]，一直以来都采用了类似算法。

与前者的区别在于，软件扣除的是冲切锥体范围内的桩反力，如下图所示：

△  软件算法示意图

然后，程序依据《混凝土规范》式6.5.1-1条进行验算。

大白觉得，这套算法相较《桩基规范》规定有着更广泛的适用范围。

如果能够合理解决桩刚度取值问题，建议依此算法对“分离式布桩+整体式承台”桩筏基础进行补充验算。

07

        不平衡弯矩问题      

如果我们比较各类规范中的冲切计算公式可以发现，不同于平筏基础，桩基础计算公式中并未考虑：

冲切临界截面上的不平衡弯矩

△  基础各冲切计算公式汇总[3]

大白认为，依照规范执行需要满足两个前提条件：

前提一：限制承台的整体弯曲

前文提到，规范建议通过概念设计限制承台的整体弯曲，以尽量减少整体弯矩的影响。

“分离式布桩+整体式承台”桩筏基础本质上可以看作是一种疏柱（桩）的双向板无梁楼盖体系。

这种方案未有效限制基础的整体弯曲变形，承台受力状态复杂多变，势必会：

增大冲切临界截面处剪应力传递的不平衡弯矩。

前提二：控制群桩承载力合力点应与竖向永久荷载合力作用点相重合

《桩基规范》3.3条第2款中要求，布桩时宜使 群桩承载力合力点应与竖向永久荷载合力作用点相重合。

条文说明解释道，该要求可以使得力系维持最优平衡状态，减少荷载偏心的负面效应。

其中一个负面效应同样是：

增大冲切临界截面处剪应力传递的不平衡弯矩。

一般情况下，当进行“分离式布桩+整体式承台”桩筏基础设计时，大家会优先控制整体承台下的群桩承载力合力点应与竖向永久荷载合力作用点相重合。

△  算例桩筏重心校核结果

反倒容易忽略了，各竖向构件下的布桩也是应该尽量重合的。

△  承台重心校核变化

这种永久荷载下的偏心效应所产生的不平衡弯矩同样也是不容忽视的。

综上大白建议，“分离式布桩+整体式承台”桩筏基础进行冲切验算时，应依据《混凝土规范》6.5.6条规定：

计入不平衡弯矩的影响。

08

        结论及建议      

大白觉得“分离式布桩+整体式承台”桩筏基础方案背离了规范的基本初衷与隐含假定，也未重视概念设计在基础方案选型中的指导性作用。

根本算不上是一种创新方案。

桩刚度取值困难，无法有效模拟基础的实际沉降差异与受力状态，想算清楚并不容易。

就算搞定这个问题，部分位置按《桩基规范》公式进行承台受冲切承载力验算也是值得商榷的。

若按《混凝土规范》相关公式进一步补充复核，还需解决相邻冲切截面重叠等其他计算问题。

导致冲切临界截面上产生不可忽略的不平衡弯矩，现行桩基规范又并未要求进行验算，削弱承台的安全度。

综合上述思考，大白个人认为，在想明白以上问题之前：

这种基础方案需慎用。

内容源于网络，仅作分享使用，如有侵权，请联系删除 

相关资料推荐：

厦门市海沧新区大厦桩筏基础土方大开挖施工方案

【泰州】某11层医药会展办公区地下室结构方案（桩筏基础）

知识点：桩筏基础方案