安全度存疑！！这种桩筏基础需慎用（附项目实例调查与算例对比）

   

00      
   

             引言          

近些年来，工程界对高层剪力墙住宅桩基方案的不断创新致使一种新式基础方案的出现：    

分离式布桩—整体式承台桩筏基础（简称新型桩筏基础）。    

其主要特征为：直接或相对集中地围绕着竖向构件下布桩，设置满堂等厚度承台（局部另设加厚区）与桩顶连接从而共同组成桩筏基础，且设计时不考虑承台下地基土分担荷载。    

典型案例如图1所示。    

   

△ 图1  分离式布桩—整体式承台桩筏基础    

由于经济性相较传统方案有优势，可以减少基桩总根数，因而其得以广泛应用，但是仍存在不少问题有待解答，技术安全性也尚未经过充分地验证。    

本文将从概念设计、桩刚度取值和冲切验算三方面对潜在隐患进行分析探讨，期望广大结构工程师加以重视，确保基础方案的安全性。    

01

      概念设计问题      

1.1  桩基概念设计的相关要求

《建筑桩基技术规范》JGJ 94-2008[1]（简称桩基规范）在总则中1.0.3条明确要求，桩基的设计应“注重概念设计”。

条文说明中补充解释“概念设计应在规范框架内，考虑桩—土—承台—上部结构相互作用对于承载力和变形的影响，   既满足荷载与抗力的整体平衡，又兼顾荷载与抗力的局部平衡，   以优化桩型选择和布桩为重点，   力求减小差异变形，降低承台内力和上部结构次内力   ”。

1.2  传统桩基响应概念设计的措施

对于传统桩基布置方案（如柱下独立承台桩基方案或桩筏方案），均以满足   各竖向构件负荷范围的荷载与抗力平   衡   为出发点   进行布桩设计，既兼顾局部平衡又满足整体平衡；能保证各部位沉降趋于均匀，从而有效控制差异沉降，以减小承台的整体弯曲变形，进一步降低承台受力和上部结构所产生的次生内力，因而足以满足概念设计的原则性要求。

1.3 新型桩筏基础的潜在隐患

新型桩筏基础将各竖向构件下分散布置的基桩用满堂承台进行联系，并按整个承台进行桩基竖向承载力验算。

结合《桩基规范》式5.1.1-2不难发现，其目的在于：

一、轴心竖向力作用下，使得基桩反力平均化，更易满足规范限值要求；

二、偏心竖向力作用下，令基桩至桩群形心的x、y主轴距离最大化，降低各基桩（特别是主楼外周圈处基桩）的反力。

两者的最终目标都在于进一步优化基桩根数。

这种方案的潜在隐患是，由于过于重视荷载—抗力的整体平衡，设计主要目标集中于获取更低的布桩系数（∑Ra/∑Nk，式中∑Ra为基桩竖向承载力特征值之和，∑Nk为桩反力标准值之和）上，   反倒极易忽视荷载—抗力的局部平衡需要   。

这将导致   部分竖向构件下的基桩数量常布置不足且   无法直观验证   ，上部荷载难以原位抵消，不平衡荷载需在承台内转移传递，势必会放大承台的整体弯曲变形与基础的差异沉降。

显而易见，这种方案有悖于规范初衷，并未重视概念设计的指导性作用。

02

      桩刚度取值问题      

2.1 按结构—地基基础进行共同作用分析

历史经验与实测资料均认为，剪力墙结构的抗弯刚度无穷大足以协调差异沉降，相较之下筏形承台与桩刚度取值对整体弯曲变形影响可忽略，故而无需按考虑共同作用进行分析。

但是，随着上部结构不断优化升级，项目布墙量早已今非昔比，南方地区更是出现了大量的一向少墙剪力墙结构体系[2]，由于其纵向仅设置少量剪力墙，整体抗弯刚度更趋近于框架结构，与承台抗弯刚度属在同一量级，因此以往经验可能不再适用。

综上，建议对于新型桩筏基础应依据《桩基规范》5.9.3条第1款的要求   按考虑共同作用进行设计   。

2.2  须有合适的桩刚度与之配合

当前新型桩筏基础方案往往与一向少墙剪力墙结构体系搭配使用，以在造价上获得更大的经济优势。当上部抗弯刚度已经大幅削弱，增加承台厚度抗弯效率和性价比不高的情况下，桩刚度取值将直接决定基础的反力分布，进而控制筏板与桩的内力，最终影响设计成果的准确性。

对于绝大多数工程项目，设计阶段尚未进行现场试桩，根据地质资料计算得到的设计桩刚度值与实测桩刚度难免又有所偏差，故而常参考本地区经验或者依照软件建议取桩承载力的50～100倍进行设计。

传统桩基方案由于各部位的荷载—抗力匹配度高，整体弯曲变形可控，差异沉降也较为均匀，因此上述取值策略可以满足工程需要。

反观新型桩筏基础，由于需要准确模拟不平衡荷载在承台内的传递转移过程，理应对桩刚度取值精度提出更高要求。

文献[3]通过有限元分析模拟了软弱地基上纯摩擦桩、端承摩擦桩及嵌岩端承桩这三种情况下六桩承台的桩顶反力分布情况，证实了当承台厚度相同时，随着桩竖向刚度逐渐增大，桩顶反力分布会越发趋于集中。

该结论同样适用于桩筏基础，倘若基础内的荷载—抗力未局部平衡，就必须有赖于承台的整体弯曲变形加以协调，一旦没有适合的桩刚度与之匹配，荷载也就不能如预想般的扩散转移，   这类设计方案也就未必成立。

2.3  工程实例的实测桩刚度与设计桩刚度

已有研究表明，基桩加载后的桩顶沉降主要由三部分构成：本身的压缩变形、桩端土的压缩变形以及桩侧土与桩之间的相对位移。

通常认为，基桩的实测刚度K可利用现场静载试验的Q-S（荷载—沉降值）曲线数据，按下式K=P/S求得[4]，式中P为Q-S曲线上的特定荷载，一般为设计单桩承载力特征值Ra；S为P所对应的桩顶沉降值。

新型桩筏基础模型应尽可能准确模拟基础的实际变形与受力分布，故设计桩刚度取值应尽量接近实测情况。可是，部分项目调查数据显示（见表1），   实测桩刚度值常常被设计所低估。

▽表1  项目设计桩刚度与实测桩刚度对比

注：新型桩筏基础多为墙下单排布桩，柱跨间的桩距常大于6倍桩径，故表内实测桩刚度未考虑群桩效应影响；实测桩顶沉降值的离散性较大，因此未计入极差超过平均值30%的数据；案例1中设计桩刚度为程序自动计算结果。

也有地方标准[5]认为，仅按单桩承载力特征值所对应的试验桩桩顶沉降量来估算桩基最终沉降量还不够全面，需考虑一定的放大系数。

不过由于该系数仅与桩端持力层的土质有关，并未细分桩型、桩长、桩周土质以及群桩效应等相关因素的影响，故实质上更侧重于沉降量的经验估算，难以满足桩刚度取值的精度需求。

建议实测桩刚度的最终确定还应遵循本地区工程经验，对取值进行适度修正。

2.4  按实测桩刚度进行复核

为验证桩刚度取值差异对模型分析结果的影响，选取如下算例进行详细分析。某项目为18层剪力墙住宅，主楼高度近50m。采用新型桩筏基础方案，桩型为PHC-600-AB-130型管桩，桩侧土层主要为各类黏土和粉土，桩端下土层主要为粉质黏土。单桩承载力特征值Ra=2150 kN，桩刚度初始值为100 000 kN/m，考虑结构—地基基础共同作用影响，基础平面布置如图2所示。参考2.3节的内容以及表1数据，偏保守地按桩刚度400 000 kN/m进行补充复核。

△图2  基础平面布置图

变形结果（图3）表明，   设计阶段严重高估了承台的整体弯曲幅度。   实际变形最大值（6.0mm）只为设计估计值（22.4mm）的26.8%，最小值为22.2%；承台南北向整体挠度值仅约为0.01%，占估算值的37.8%，整体挠曲非常小，直观说明不平衡荷载难以如预想般地向外转移。

（a）原模型

（b）复核模型

△图3  1.0恒+0.5活工况的承台变形图（mm）

观察轴心竖向力作用下的桩反力（图4）不难发现，   基桩反力分布相较趋于集中，期望中的整体受力协调效应并未发生   ；由于受到结构—地基基础共同作用的影响，局部桩反力的变化并不趋同（例如表2中的JZ1和JZ2）；且偏心竖向力作用下的计算结果也呈现出类似的规律。

（a）原模型

（b）复核模型

△图4  1.0恒+1.0活工况的基桩反力图（kN）

根据表3的结果，复核模型的桩基竖向承载力验算不满足《桩基规范》的要求，   说明原设计的基桩安全度存在不足，初始方案不可行，需要进行调整。

▽表2  1.0恒+1.0活工况的基桩反力对比

▽表3  桩基竖向承载力验算结果

03

      冲切验算问题      

3.1  疏柱双向板无梁楼盖体系

如果把单竖向构件下分散布置的基桩假想围合成一整根柱子，整体式承台视为楼盖的话，本质上新型桩筏基础可近似当作一种   倒置的无托板或带托板的疏柱双向板无梁楼盖体系   ，如图5所示。

（a）平面                 （b）剖面

△图5  剪力墙冲切承台的简化图式

《混凝土结构设计规范》GB 50010-2010[6]（简称混凝土规范）指出，对于基础筏板，板与柱相交的部位均处于冲切受力状态。考虑到冲切破坏属于脆性破坏，故而设计时必须加以重视。

特别是新型桩筏基础，由于荷载—抗力常未原位抵消，设计时应确保   不平衡力能通过承台的冲切、弯曲、剪切和扭转传递给其余基桩。

3.2  应计入冲切临界截面上的双向不平衡弯矩

工程界普遍认为，对于柱下平板式筏形承台，可按独立桩基承台的模式进行冲切验算。由于承台实质上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，故验算公式以《混凝土规范》式6.5.1-1为原型，用冲跨比λ替换系数η，以考虑桩在承台中的位置对承载力的影响。

《建筑地基基础设计规范》GB 50007-2011[7]规定平板式筏基冲切验算时必须计入冲切临界截面上的不平衡弯矩影响，但对桩基础未提出该要求。

笔者认为其中隐含着两个前提假设：

一、已通过概念设计要求限制桩基承台的整体弯曲变形；

二、已约束群桩承载力合力点与竖向永久荷载合力作用点必须尽量重合。

新型桩筏基础对上述两个前提的控制力均显不足。

一方面如前文指出的，未遵循概念设计的基本原则，使得承台受力状态复杂多变，这势必会增大冲切临界截面处经由剪应力传递的不平衡弯矩；

另一方面，常着重关注整体承台下群桩承载力合力点与竖向永久荷载合力作用点的重合问题，易于忽略各竖向构件下的布桩也应尽量重合。

这种局部永久荷载控制下的负面偏心效应叠加上不平衡力的转移需求，理应对承台的抗冲切承载力提出更高的控制标准。

综上笔者认为，新型桩筏基础进行柱（墙）冲切承台承载力验算时必须依据《混凝土规范》6.5.6条的规定   计入双向不平衡弯矩的影响   。

3.3  算例分析

延续本文2.4节算例，选取Q1（图6）进行剪力墙冲切承台验算，计算中考虑桩刚度取值差异和双向不平衡弯矩影响，程序输出的结果汇总于表4。

△图6  承台受Q1冲切的临界截面位置

以实测桩刚度复核后，Q1处冲切力减少约20%，同样从侧面验证了不平衡力未能有效外传。双向不平衡弯矩作用下，   冲切安全系数仅为按规范要求计算结果的1/3左右，实际承载能力大幅下降。

这说明新型桩筏基础在局部布桩时应尽可能约束永久荷载下的负面偏心效应，且冲切验算时也应一并计入双向不平衡弯矩的影响，方能确保承台的受力安全性。

▽表4  1.3恒-1.5Y风工况的冲切验算结果

注：表中FL为竖向冲切力；Munb,x、Munb,y为绕x、y轴的不平衡弯矩；β0为冲切系数；h0为冲切锥体的有效高度；R为承台抗冲切承载力；S为柱（墙）冲切力，冲切安全系数R/S＜1时不满足规范要求；承台混凝土强度等级为C30，厚度为800mm；冲切临界截面周长um=3970mm。

04

      结论      

分离式布桩—整体式承台桩筏基础违背了规范的基本初衷与隐含假设，未重视概念设计在基础选型时的指导性作用；

桩刚度取值难以精确，实测刚度值又常被设计低估，无法真实有效地模拟基桩的反力分布、基础的沉降差异与受力状态；

承台冲切临界截面上的不平衡弯矩不应忽视必须加以验算，而现行规范中并未提出具体要求。

若无实测数据和地区经验支持的情况下，基桩与承台的承载力安全度均不易保证，建议谨慎采用此类方案。

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