桩筏基础设计讲解

桩筏基础的设计与成本控制
摘要：随着高层建筑的发展，建筑基础设计方法越来越多，目前由于基础设计是一种粗放的设计，对桩筏基础的理论及方法不十分完善。规范要求桩筏基础设计均要满足桩基础和筏板基础的要求，现就在设计过程中如何做好桩筏基础的设计与成本控制与大家进行探讨。
关键词：桩筏基础设计 成本控制
在目前的设计过程中，很多设计人员由于对桩筏基础的设计缺少经验，或对桩基础规范运用不灵活，不能根据地质条件对桩筏基础共同工作进行合理设计，而仅采用桩基受力形式忽略土的共同作用，造成不必要的项目成本增加（主要是基础成本）。
一、当今现状设计的方法
1、设计人员对桩筏基础设计概念理解不清，不能灵活应用规范，如对有地下水或地下水高的桩筏基础设计时均采用不考虑地基土对筏板的作用，全部采用桩承担上部荷载。
2、在常规设计方法时把上部结构和基础作为两个独立单元分别考虑，在上部荷载作用下求得上部结构内力和基础反力，然后把反力作用在弹性地基的基础上计算基础的内力，这种设计方法没有考虑上部结构与基础的共同作用。没有考虑上部结构刚度对基础的作用，从而导致基础设计过于偏于保守。
3、有的由于计算不当而使用了厚筏。高层建筑设计中,采用桩筏基础时,对于筏板厚度的采用往往争议较大。有采用很厚的,有采用较薄的;有的规程甚至提出,应当使每层建筑不小于多少厚度的。对于筏板厚度的确定,传统上是凭经验假定,然后再进行冲剪验算。这实际上说明目前在筏板厚度确定的问题上,并没有什么方法。由此难免造成当前在高层建筑中的筏厚不少超过1.5m的,个别的厚度竟达4m 的不合理现象。所以筏板减薄问题实际上是一个如何确定筏板厚度的问题,而不只是一个单纯的减薄问题。在桩筏筏厚的确定上,郭宏磊等采用了一新的方法,即先在正常使用极限状态下,考虑筏板的抗裂性与差异沉降来定出一筏厚值,然后再在承载能力极限状态下,考虑冲切能力加以验算,如果发现板厚过小,此时再加厚也为时不晚,由于先走一步的原因,到了后面也有承载能力极限状态的保证。此外,这样做还有一个好处,即筏厚一定,筏板尺寸就一定,那么,有关桩筏筏板的设计后半部就只剩下筏板的配筋问题了
二、高层建筑筏基与地基共同作用的分析
1、从对2008年《建筑桩基技术规范》阅读理解，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。
2、高层建筑桩筏基础的工作性质，对常规设计(s/d=3~4情况)是基本上接近于在弹性地基上刚性基础的工作性质。由于上部结构和地基基础是一个整体, 合理的桩筏箱基础设计应在分析上部结构、桩筏箱基础、土体共同作用的基础上, 优化桩筏设计。根据优化理论，桩筏箱基础优化设计的数学模型为一‘设计变量群桩的每根桩长、底板厚度、底板内各种配筋量,目标函数、桩筏箱基础的造价最小’约束条件对于筏箱基底板有底板抗拉强度约束底板局部弯强度约束最小尺寸约束，最小配筋率限制，一底板构造配筋限制底板抗剪强度约束底板抗冲切强度约束。对于群桩有桩长约束群桩沉降量限制, 群桩差异沉降量限制，单桩安全系数限制，群桩荷载限制。
3、桩的存在对减少桩筏基础的沉降有明显的效果，并使建筑物的整体横向倾斜大大改善，使建筑物均匀沉降。桩长在达到一定长度时，即L/d≥70-100时，再加桩长对减小沉降不明显，在增加桩长时应考虑各种因素影响。国内不少学者也对高层建设桩筏基础中的桩数与沉降的关系作过探讨。董建国等给出了某工程短桩桩基沉降S与桩数n的关系式：S =356.46-0. 00542n，从式中可看出，桩数增减10 %，则沉降减增在1%以内，对于长桩约为3%。即桩筏基础沉降是一个相对稳定值，它为以减少沉降为目的的减沉桩基础设计提供了一个理论依据。研究表明：(1)桩数减少，桩—土体刚度相应下降，因此，桩筏基础的沉降随桩间距的增大而增大。但桩间距在10 倍桩径以内时，桩筏基础的沉降只随桩间距的增大而稍有增大。(2) 当桩的长细比L/d =100，筏的相对刚度KR=10时,桩的相对刚度KP=103时，当桩数减少到间距为4倍桩径时，角桩的桩顶反力(PC)是内中桩桩顶反力(Pi)的3倍左右；当桩数减少到间距为6.67倍桩径时，PC约为Pi的1.5倍；当间距增大到10倍桩径时，PC与Pi基本相同。由上可知，目前一般桩筏基础中减少桩数大有潜力可挖。
4、高层建筑桩筏基础在常规设计条件下，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但小于上部总荷载的26%，为充分发挥筏板底桩间土的承载力，适当增加桩的间距是合适的。
5、钻孔灌注桩在施工过程中没有超孔隙水压力产生，在上部荷载作用下，桩和桩间土承担上部荷载，且在建筑物使用过程中，桩和桩间土承但上部荷载比例保持不变。
6、从以往工程实测经验来看筏板钢筋实测应力比钢筋实际应力小得多，我国实测筏板钢筋应力一般为20-30N/mm2之间，只有钢筋设计强度的1/10，考虑上部结构刚度与基础参与共同形成拱的作用，减小了底板的挠曲和内力。由于筏板砼浇筑后，砼收缩产生一定预压应力，使得筏板钢筋上下都都处于受压状态，随着上部结构的施工，结构整体刚度不断增大，钢筋的预压应力逐渐减小变为拉力，使得筏板钢筋全部受拉，筏板整体弯曲逐渐变大中和轴开始上移。当结构施工至4-5层时基础内力达到最大值，再随着主体结构上升拱的形成，基础内力开始变小弯曲中和轴开始移至上部结构。从相关以前的实测表明高层筏板基础的弯曲内力都远远小于设计计算内力，特别是当上部为剪力墙结构的筏板基础设计时只需考虑局部弯曲而进行计算配筋，足以承受整体弯曲引起的应力，只是要验算剪切应力。建议在筏板设计时充分考虑这点。
三、高层建筑筏基与地基共同作用的设计建议
1、适当加大桩间距，减少桩数，充分发挥筏板底的地基承载力是可行的。高层剪力墙结构计算基础底板时只计局部弯矩，用26%的总荷载或地下水浮力作为地基反力来设计底板（参考岩土工程学报《筏式和箱式承台弯矩的计算》1992（4））。
2、桩沿剪力墙轴线或柱与桩布置，较之桩满堂布置可大大减小筏板厚度。
3、施工条件不同，桩承筏承担荷载比例不同，如灌注桩情况下的筏板比预制桩可分担更大的荷载。高层建筑桩筏基础在满足建筑荷载条件下，增减10%的桩数对基础的沉降影响甚微。
4、《地基规范》第8.4.10条、《箱筏规范》第5.3.9条、《混凝土高规》第12.2.3条规定，当地基土比较均匀上部结构刚度较好，梁式筏基梁的高跨比或平板式筏基厚跨比不小于1/6，且相邻柱荷载及柱间距的变化不超过20%时，筏形基础可仅考虑局部弯曲影响。
5、基底总荷载不超过桩基承载力与桩间土允许分担荷载的总和，地基变形小于建筑物允许变形，满足水平荷载作用下建筑物的变形。
6、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%。
四、成本核算与控制
以无锡某住宅小区工程为例，该单栋工程高93m、31层，剪力墙结构，每层建筑面积约为450平米，桩筏基础，筏板下地基承载力220kpa土层厚约为3-5m，筏板下1.8m位置为常年地下水位，一期6栋，二期13栋。因该工程地下水位较高，设计人员在基础设计时没有考虑桩土共同作用（设计人员认为地下水位高，以前本地基本上都没有考虑地基土对筏板的作用）造成筏板设计1.4-1.5m厚，筏板钢筋采用Ф25@150，桩为Φ700mm长50m，数量89根，施工过程中沉降观测在主体完工后为25-30mm。考虑进行结构优化，在二期基础设计时考虑将筏板重量由桩间土来承担，减小桩对上部承担荷载约为25%，桩数量减少到81根，一栋楼就桩基成本可节约14万，二期此项共可节约182万。


参考文献：
《高层建筑地基基础》董建国 赵锡宏 同济大学出版社1997
《建筑地基基础设计方法及实例分析》朱炳寅 中国建筑工业出版社2007
《建筑桩基技术规范》中国建筑工业出版社JGJ94-2008
《建筑桩基技术规范理解与应用》刘金波 黄强 中国建筑工业出版社2008
《高层建筑桩筏和桩箱基础的优化设计》阳吉宝.工程勘察, 1996 (1) : 23～24