淺談高層建筑樁筏基礎承載機理與沉降控制設計

摘要:樁筏基礎具有整體性好、豎向承載力高、基礎沉降小、調節不均勻沉降能力強的特點，同時可以承受風荷載或地震荷載引起的巨大水平力，抗傾覆能力強，現已成為軟土地基高層建筑的一種主要基礎形式。采用樁筏基礎，目的就是提高建筑物地基承載力和控制建筑物沉降。本文介紹了高層建筑樁筏基礎承載機理，分析了樁筏基礎沉降計算方法，探討了沉降控制樁筏基礎設計。

關鍵詞: 樁筏基礎;高層建筑;沉降控制

1引言

世界各國已進入現代城市化階段。共同的問題是城市人口膨脹，住房困難、用地緊張、環境污染和交通堵塞等。高層建筑隨著世界城市化的普及、社會生產力的提高、科學技術的進步和人們物質生活的需要而蓬勃發展，這不僅緩解了上述問題，而且開創了整個建筑業的新紀元。在人類必然走向地上和地下空間的同時，現代化城市化必然進入了高層建筑階段。

然而，當高層建筑筏形基礎下天然地基承載力或沉降變形不能滿足設計要求時，采用筏底加樁的組合基礎使上部結構荷載在平面上擴散和向深層傳遞，從而有效地提高基礎承載能力并減少沉降。因而樁筏基礎己發展為高層建筑的主要基礎型式。

2高層建筑樁筏基礎承載機理

樁筏基礎應用的初期正是基于樁筏共同承載的理念。然而，樁筏基礎的承載性狀畢竟不同于單樁與筏板的簡單疊加，它是高層建筑上部結構-樁筏基礎-地基土這個共同作用的十分復雜的力學系統中的一部分。人們從基礎工程的重要性考慮，在相當長的時期內，對于樁筏基礎的承載能力只考慮基樁的承載作用，而忽略筏板的分擔荷載，筏板厚度由滿足沖切和受彎確定，從而使樁筏基礎的設計既相當保守，又十分模糊。因此研究樁筏承載機理，不但有助于對客觀事物的認識，更在于可以優化基礎設計。

由于上部結構是逐層形成的，即使在同一層混凝土的澆筑過程中也不是一次性澆筑完畢的，這說明上部荷載的形成是逐步的，而且混凝土的凝結硬化也需要一個過程，即就是上部結構的剛度的形成也是逐步的。通過模型試驗和現場試驗發現，樁筏基礎在上部結構荷載和剛度逐步逐級的形成過程中樁土共同作用的過程簡化為三個階段:

第一階段(線性段)，平均單樁荷載Q小于單樁極限承載力 Q u。當荷載較小，平均各樁樁頂的荷載小于單樁極限承載力時，承臺底面的基底反力很小，而且隨著時間增長還有減少趨勢。樁身的彈性模量遠大于地基土的變形模量，并且對于摩擦樁和端承作用較小的端承摩擦樁，樁充分發揮承載力所需要的變形遠大于基底土作為天然地基時所需要的變形。因此可以近似的認為，在第一階段，荷載全部由樁承擔。

第二階段(臨界段)，Q趨近或達到 Q u。在第二階段，總荷載不斷增加至等于各樁極限承載力之和時，即當各樁Q趨近 Q u時，樁端已開始貫入土中或萌發貫入的趨勢，樁再不能多承受荷載，進一步增加的荷載主要靠基底土承擔，達到了轉折點。

第三階段(非線性階段)，Q保持 Q u不變，即 Q = Qu。 各樁Q全達到 Qu ，樁能承擔的荷載 Q p保持不變，樁端發生一定的貫入沉降，約等于樁間土的壓縮量，同時樁端下土體更多地受到壓縮而發生變形，只有在第三階段，承臺下的土體才真正參加了共同承擔上部荷載的作用。如繼續加載，則樁筏基礎進入以天然地基為主的承載狀態，基底土反力增加很快，反力分布形式與剛性板底反力相近。達到這一階段，樁-土分擔荷載的比例是明確的，在這一階段末，樁土共同作用的極限承載力不小于全部樁的極限承載力加上承臺下全部土的極限承載力之和。

3樁筏基礎沉降計算方法

作為高層建筑樁筏基礎設計的控制要求之一，沉降計算的合理性尤為重要，目前樁筏基礎沉降計算方法包括有限單元法，簡易理論法，半經驗半理論法，經驗法等。

1、有限單元法

高層建筑樁筏基礎與地基共同作用條件下，以有限單元法求樁筏基礎位移從方法上講與其他結構有限元分析相比并無特別之處，但由于計算涉及高層建筑上部結構、筏基、樁土地基等不同部份，各部份之間的接觸條件、單元形式、介質材料類型、初始狀況各不相同。尤其是樁土、筏土之間幾何尺寸的差異及介質力學特征的突變使單元劃分較密、計算節點較多，整體剛度矩陣的階數很高，有限元解題規模十分浩大。為使有限元分析更為有效，可以利用各部分結構的特點分別進行簡化。有限單元法求解樁筏基礎沉降關鍵在于彈性力學中迭加原理對于筏底群樁的有效性，因為上述樁土體系的位移荷載關系基于單樁特性和簡單迭加。

2、簡易理論法

簡易理論法視樁與樁間土為整體，如同復合地基，故稱為復合地基模式。此法未計及樁徑，樁的平面分布對基礎沉降的影響，同時對樁端下地基最終沉降計算仍然有賴于實際經驗。

3、半經驗半理論法

此法基于建筑物總荷載由樁群與筏底地基土共同承擔，樁筏基礎視為剛性體，剛性群樁沉降由 Poulos， H.G.和 Davis， E.H.公式確定[14];樁筏基礎沉降與群樁沉降相同，建筑物基礎竣工時的沉降可根據地區經驗的修正系數對計算沉降 S 修正獲得。據此可得半經驗半理論公式。但此公式也不能反映樁長、樁的平面布置方式對基礎沉降的影響。

4沉降控制樁筏基礎設計

沉降控制復合樁基是為了充分利用地基土的承載力作用，采用大間距布樁的原則，使群樁中的單樁達到或接近極限承載力，此時單樁的非線性工作狀態在其中起著決定性的作用，并且按樁筏基礎整體平均沉降量來確定樁數的一種樁筏基礎的設計新方法。它是現代上部結構與地基基礎共同作用理論在樁基優化設計中的應用。通常情況下采用沉降控制來確定的群樁樁數是常規設計方法樁數的 30%左右，實踐表明已取得了良好的經濟效益。

4.1筏板下地基土與樁分擔外荷載的基本假定

若作用在筏板底面的荷載長期效應組合值Q大于各單樁極限承載力 Pu 之和時，樁分擔相當于各單樁極限承載力之和的荷載，筏板下地基土分擔余下的荷載。此時群樁極限承載力 Qp = nPu，則筏板底地基土承擔荷載 Qs= Q—Qp，式中n為樁數;定義筏板分擔比為η，則:η=Qs /Q。

4.2沉降控制樁基礎沉降計算

可利用現行的沉降計算商業化軟件，如上海同濟大學啟明星軟件等，或規范規定的沉降計算方法。建議采用作者在第三章提出的“考慮土體非線性修正分層總和法”來計算樁筏基礎的沉降。該方法不僅考慮了土層的非線性成層分布特點，還考慮了地基土中水平向應力對沉降的影響，同時兼顧了樁長、樁徑、樁間距等因素。是一種可靠而準確地樁筏基礎沉降方法。

4.3沉降控制樁筏基礎樁數的確定

沉降控制樁筏基礎的樁數是在上述各沉降計算方法的基礎上，計算出若干不同樁數情況下樁筏基礎的沉降量，求得樁數與沉降量的關系，然后根據建筑物設計容許沉降量確定合適的樁數。簡化的計算僅計算三種不同樁數(按常規設計確定的樁數，上述所需樁數的1/3，樁數為0)布樁時的沉降量，并按線性變化假定求得近似的樁數與沉降關系。樁數確定后，再計算基礎沉降，確保樁筏基礎沉降量S 不大于建筑物容許沉降量 Sa滿足下式:

S≤Sa

總體安全度大于2和總沉降不小于容許沉降的雙重控制。由此定義ψ=fA/Q，f為天然地基承載力設計值;A為承臺底總面積;Q為上部結構豎向力設計值F，基礎自重設計值與基礎上覆土重G 設計值之和。

4.4基于樁筏剛度的筏板厚度的確定

為了克服傳統方法確定筏板厚度的弊端，根據大量的上部結構-筏-樁-土共同作用的計算分析和已建建筑物的統計資料，提出了確定筏板厚度的較適宜的方法:

1) 在上部結構和樁的布置基本確定之后，根據已有的經驗初選厚度;

2) 采用合理的實用簡化方法，或者采用考慮筏-樁-土共同作用的電算程序，甚至采用考慮上部結構-筏-樁-土共同作用的電算程序，進行計算分析。以初步確定筏板的內力;

3) 在上述基礎上，對筏板進行抗彎、抗剪、抗沖切經驗及考慮配筋構造的合理性。并對筏板的厚度作調整，直到要求趨于合理為止。

參考文獻:

[1] 龔曉南，陳明中。樁筏基礎設計方案優化若干問題。2001

[2] 尚守平等:樁箱(筏)形基礎與地基土共同作用分析.土木工程學報，2000

[3] 劉利民等 樁基工程的理論進展與工程實踐 中國建材工業出版社 2002