高层建筑桩筏基础变刚度调平设计分析
发表时间：2019-07-29T15:21:03.733Z 来源：《建筑学研究前沿》2019年7期作者：陈勇
[导读] 我国高层建筑当中很大部分的上部结构为框剪、框筒结构，其刚度相对较弱、荷载不均。

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摘要：新修订的中华人民共和国行业标准《建筑桩基技术规范》(JGJ94—2008)中明确指出，要减少差异沉降和承台内力的变刚度调平设计是重要修订内容之一，通过调整桩基布置，使得基底反力分布模式与上部结构的荷载分布一致，可减小筏板内力，实现差异沉降、筏板内力的最小化。

随着城市化进程的加快，高层建筑工程建设项目越来越多，探讨高层建筑桩筏基础变刚度调平设计有着重大的意义。

本文主要分析了高层建筑桩基变刚度调平中的问题及其优化对策。

关键字：高层建筑；桩筏基础；变刚度调平；设计
我国高层建筑当中很大部分的上部结构为框剪、框筒结构，其刚度相对较弱、荷载不均，整个高层建筑的基础多采用桩筏、桩箱的类型进行基础施工，建成后很容易出现碟形沉降。

而高层建筑的桩基变刚度调平优化是一种非常有效的基础优化形式，高层建筑桩基变刚度调平通过调整桩基竖向支承刚度，促使桩基沉降趋向均匀，显著降低基础、承台内力，上部结构次应力。

变刚度调平需要优化桩土支承刚度分布，实施强化与弱化结合，减沉与增沉结合，长桩与短桩并用，刚性桩复合地基与天然地基并用。

1高层建筑桩基变刚度调平中的问题与分析
通过大量高层建筑的实际观测发现仅加大基础抗弯刚度是不能有效减小差异沉降的效4年最大差异沉降为0.0041m，超过《建筑桩基技术规范》（JGJ94—2008）的0.002m要求，出现差异化变形、结构开裂等方面的问题，主要还是传统设计方式中的理念问题，一般原因是：高层建筑设计过程中过分注重了天然地基的利用；在设计桩筏过程中，未能及时注意到桩型、结构等问题，荷载大小分布存在不匹配的情况，未能充分利用复合桩基对系统的刚度分布进行调整，以便减小差异沉降，或对桩反力分布、利用筏板刚度调整荷载减小差异沉降的期望过高。

2减沉设计
（1）桩长及桩身断面选择:选择桩长应尽可能穿过压缩性高的土层，桩端持力层压缩性应相对较低，在承台产生一定沉降时桩仍可充分发挥并能继续保持其全部极限承载力；选择桩身断面应使桩身结构强度确定的单桩容许承载力与地基土对桩的极限承载力二者匹配，以充分发挥桩身材料的承载能力。

（2）承台埋深及其地面尺寸的初步确定:首先按外荷载全部由承台承担时其极限承载力仍有一定安全储备的原则，先初步确定承台的埋深及其底面尺寸，然后确定减沉设计的用桩量，再验算承台的初步尺寸，并给予调整。

（3）不同用桩数量时桩基沉降计算:根据初定的承台埋深及其底面尺寸，原定若干种不同的用桩数量方案，分别计算相应的沉降量，从而得到沉降s与桩数n的关系曲线，减少沉降桩基础的桩距一般应大于6d，桩的分布与建筑物竖向荷载相对应。

（4）按建筑物容许沉降量确定实际用桩数量:根据沉降s与桩数n的关系曲线，按建筑物容许沉降量确定桩基实际所需的用桩数量。

在用桩数量确定后，再按已经选定的桩数和初步确定的承台埋深及底面尺寸计算其极限荷载，验算安全系数或调整承台埋深及底面尺寸，以确保合理的安全度。

3变刚度调平设计
3.1变刚度调平设计的内容
在桩筏变刚度调平设计中，群桩刚度与单一筏板刚度的比值kpr最为关键。

最合适的kpr值与桩筏面积比有关，且当有关桩筏面积比范围为16%~25%时，kpr值接近于1。

当桩筏面积比较大时，为减少沉降差，kpr值应稍微增加。

考虑到桩的非线性，比完全弹性分析所得到的稍大(约50%)，kpr值可能更为合适。

为减小桩的承载能力明显发挥(大于50%)后的沉降差，只要kpr=1的条件满足，任何实际桩长都可采用。

当然为获得桩承载特性的合理发挥，桩的承载力应以侧摩阻力为主，而不是桩端阻力。

研究表明，桩的总承载力发挥的强度与桩的极限承载力的比值m不应超过0.8，以避免沉降差明显增加，在m<0.8范围内，最合适群桩实际分担荷载相当于2.5倍-3倍群桩区域上的总荷载，仅为整个筏板上总外荷载的40%-70%。

对无限大地基上的局部区域，其沉降应与该区域的荷载成正比，而与其刚度成反比。

地基局部区域沉降较大，是该处荷载较大而刚度较小所致。

削减该处的荷载或增大该处的刚度就可以减少该处的沉降。

高层建筑桩筏基础的荷载分布是由上部结构确定的。

而上部结构由于受到功能的限制，一般很难进行调整。

只能调整基础的刚度，对于桩筏基础，可通过变化板厚、设置肋梁，缩小墙距等调整基础刚度分布。

但费用往往很高，因此减少某处的沉降或进行调平设计主要是针对筏底布桩与筏底地基土。

调整地基桩土刚度分布不仅可行而且调平效果显著，是变刚度调平设计的中心内容。

首先，主裙楼的地基基础可采用不同形式，以适应上部结构荷载的分布状况。

当采用桩基和复合地基时，可通过调整布桩及处理范围形成桩土变刚度分布。

是改变桩的平面布置、桩数、桩长、桩径以改变桩土刚度，还是采用复合地基改变筏底地基土和桩?土界面的性质，选择的标准只能是技术可行性与经济合理性。

一般来讲，对桩筏基础，桩在基础中占主导地位，改变基桩的参数效果显著。

3.2变刚度调平设计的步骤
（1）按建筑物性质、荷载、地质条件等进行初始布桩并确定板厚。

（2）对上部结构、桩筏基础与地基共同作用进行分析，绘制沉降等值线。

（3）对沉降等值线进行分析，当天然地基总体沉降不大而局部沉降过大时，根据具体条件，对沉降过大部分采用局部加强处理。

如采用筏底布桩或复合地基，在桩基沉降较小部位，应抽掉一部分桩；或视土层情况适当缩短桩长或减小桩径。

对沉降较大的部位，应适当加密布桩或视土层情况，适当增加桩径桩长，重新形成刚度体系。

（4）进行共同工作迭代计算，直至沉降差减到最小。

在此过程中，可根据沉降等值线，判断主裙楼间是否设置后浇带或沉降缝，是否需对基础板厚和构造进行调整等。

显然，调平设计的关键在于合理地计算桩筏基础的沉降分布与沉降差。

因此，调平设计的沉降分析比减
沉设计的要求更高。

过去人们一直认为:与承载力计算相比，沉降计算更困难且更不可靠。

Viggiani，C.通过沉降分析计算程序的开发研究认为:对传统承载力设计和大数量的桩基，基于小变形模量的线弹性分析是完全合适的；对低安全系数和小数量的桩基(如减沉设计桩群)需进行非线性分析；基于割线模量的等效线弹性分析，在概念上是错误的；如果采用恰当的数学模型、最大相互作用间距等，利用简化分析方法足以满足工程目的。

4结论
本文通过对桩基础变刚度调平设计现有研究成果的综合分析，得出如下结论:
（1）变刚度调平概念设计主要有三类:一是局部增强:对荷载集度高的区域采用局部增强处理，如局部桩基或局部刚性桩复合地基；二是桩基变刚度调平:当整体采用桩基时，内围区荷载大，应予以增强，外围区应适当弱化，按复合桩基设计；三是，主楼和群楼同时变刚度:基础应按增强主体（采用桩基）、弱化裙房(采用天然地基、疏短桩基、复合地基)的原则设计。

（2）变刚度调平设计的基本步骤为:对上部结构-基础-地基进行共同作用分析，根据分析得出的沉降等值，调整桩土支承刚度的分布，反复进行共同工作迭代计算，直至差异沉降减至最小。

（3）不同的基础类型应选择相应的变刚度调平方案。

摩擦型桩筏基础和摩擦桩复合桩基多采用调整桩长、桩径、桩距的方式来改变桩基刚度的分布；端承型桩筏基础或端承桩复合桩基可选择设置变形调节器来实现。

（4）尽量发挥桩间土的承载力，优先选择复合桩基、刚性桩复合地基甚至天然地基。

参考文献
[1]高层建筑桩筏基础变刚度调平设计分析[J].熊银.西部探矿工程.2010(12)
[2]可控刚度桩筏基础变刚度调平的工程实践[J].屈伟.建筑科学.2018(07)
[3]高层建筑桩筏基础优化设计的新思路[J].赖伯舟.山西建筑.2007(02)
[4]高层建筑桩筏基础优化设计的新思路[J].彭俊文.山西建筑.2006(01)
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