变刚度调平设计在高层建筑桩筏基础中的运用实践

摘要：本文结合实例阐述变刚度调平设计在高层建筑桩筏基础中的运用，改变传统设计理念，充分优化方案，减少差异变形，降低承台（厚筏板）内力，节约成本投资，获得经济效益。

关建词：高层建筑、桩筏基础、变刚度调平设计、钻孔灌注桩、沉降观测

一、工程简介

靖江新城区酒店公寓楼地下1层，地上25层，裙楼5层，地上建筑面积47900m2，地下建筑面积4500m2，建筑总高度为99.4 m，框架―剪力墙结构，抗震设防类别为丙类，抗震等级为三级。主楼在西南角A～E轴与2～9轴间，裙楼沿东北方向外伸，在两端2～3轴和7～9轴间分别设有集中剪力墙，近乎两个核心筒。该工程属于大底盘，体型复杂，地基基础设计等级为甲级。主楼建筑物±0.00相当于黄海高程为4.20。施工图设计时间2008年7月。地下室平面布置见图1。

地质报告显示：场区抗震设防烈度为6度（0.05g），设计地震分组为第一组，场地类别Ⅳ类，不液化，也不考虑软土震陷影响，总体为上软下硬的不均匀建筑地基场地。地下水土对钢筋砼无腐蚀，对钢结构具弱腐蚀性。建议基础设计为桩基（预制桩或钻孔灌注桩）。土层情况：

①层素填土:压缩性高，工程性质差；

②层淤泥质粉质粘土:属高压缩性，低强度土。fak=70kpa；qsk=18kpa；

③层粉砂夹粉土：属中等压缩性，中等强度土.fak=120kpa; qsk=30kpa；

④层淤泥质粉质粘土夹粉砂:属高压缩性，低强度土。fak=105kpa; qsk=24kpa；

⑤层粉砂：属中等压缩性，中等强度土.fak=150kpa; qsk=40kpa；

⑥层粉质粘土：属中等压缩性，中等强度土. fak=165kpa; qsk=48kpa；

⑦层粉砂夹粉土：属中等压缩性，中等强度土. fak=150kpa; qsk=41kpa；

⑧层中细砂：属中低压缩性土，工程性质好，是良好的桩端持力层。fak=230kpa; qsk=75kpa；qpk=1500kpa。

二、合理选择桩基方案

本工程为主裙楼连成一体的复杂结构，主楼部位采用了2M厚桩筏基础，裙楼为承台下桩基+梁式筏板（0.5M厚），主裙楼间相邻跨范围内设变厚底板和地梁。桩端持力层为⑧层土，筏板在②层淤泥质粉质粘土上。

初设时建设单位要求用先张法预应力管桩。管桩在当地已有多年的使用经验，其施工噪暗低(静压桩)，周期短，成本费用相对低廉，周边市场广泛认可。但因主楼荷载比较大，筏板下满布桩（桩长56米），场内淤泥质土层又较厚，管桩挤土效应严重，易引起地面隆起，使已打好的邻桩产生断桩或倾斜，还会造成周边建筑物或市政设施破坏。桩径、桩长、单桩承载力可调范围小，难于实现变刚度调平的优化设计。

灌注桩是一种应用较广泛的桩型，特点有施工基本无噪音、无振动、无挤土效应，对环境和周边建筑物危害小；桩壁与土接触面是凹凸不平，桩侧阻力明显大于管壁比较光滑的预制桩；布桩间距大，群桩效应小，大直径钻孔灌注桩入土深，承载力高；桩长、桩径能据地质条件随时调整，更好地减少差异沉降，实现以承台（厚筏板）内力为目标的变刚度调平设计；能在复杂地质条件、不利环境下成桩，可穿越各种土层，更可以嵌入基岩；因施工设备简单轻便，能在较低的净空条件下设桩。

经各方专家反复论证，选用摩擦型泥浆护壁钻孔灌注桩对于高层建筑物更为适合。决定放弃管桩。

三、变刚度调平设计

1、主楼桩筏基础桩基方案

主楼筏板基础轴线尺寸为54.2X25.2M，灌注桩采用Φ800MM，桩长56M，单桩承载力特征值＝3400KN。如何合理布桩使厚筏板内力均匀是关键。

第一种方案：筏板下均匀布桩，桩间距不小于3d，总桩数为24X12=288根，筏板平面尺寸为58.25MX29.1M，厚度2M。通过JCCAD桩筏有限元计算，发现地震、风荷载作用效应标准组合下，②～③轴间桩顶反力值约为3980KN，③～⑧轴间桩顶反力值约为3100KN，⑧～⑨轴间桩顶反力值约为4060KN。②～③轴和⑧～⑨轴间板弯矩、剪力远大于③～⑧轴间，配筋量也非常大，11600MM2/M左右，而③～⑧轴间板计算配筋量基本上按构造。沉降计算结果：②～③轴和⑧～⑨轴间筏板沉降量为102～125MM，③～⑧轴间为85～90MM。将筏板厚度调为2.2M再进行整模型体计算，②～③轴和⑧～⑨轴间板内力、配筋量和沉降虽然比前次小些，但改观不大。

第二种方案：主楼虽为框剪结构，但地面剪力墙主要集中在②～③轴⑦～⑨轴间，③～⑧轴和周边为框架柱，受力特征和变形特点类似两端设置核心筒的框筒结构。为减少差异变形、优化反力分布、降低筏板内力，采用变刚度调平设计原则优化布桩。

变刚度调平概念设计的内涵是：通过调整地基或基桩的竖向支承刚度分布，促使差异沉降到最少，筏板基础或承台内力和上部结构次应力显著降低。具体措施为：强化内部核心筒和剪力墙区，弱化框架区。此种方法改变第一种传统方案设计带来的碟形沉降、剪切力和弯矩，优化承台和筏板设计。

为此，筏板下布桩大致分成三块，②～③轴和⑧～⑨轴间，剪力墙集中区，纵横向桩间距为3d；③～⑧轴间框架柱下，纵横向桩间距为3.25d～3.75d，沿周边桩间距小，中间间距大。总桩数为241根(比第一种方案少47根桩，节约了100万元)，主楼桩筏平面尺寸为57.3MX28.95M，厚度2M。桩位平面布置图如图2。

通过JCCAD桩筏有限元计算，考虑上部结构-基础-地基共同工作分析，计算结果显示，地震、风荷载作用效应的标准组合下，④～⑦轴间桩顶反力值约为NK＝3300KN，②～④轴间桩顶反力值约为NK＝3300～3450KN，⑦～⑨轴间桩顶反力值约为NK＝3300～3500KN。NK值均匀小于R（R=3400KN）、1.2R、1.25R、1.5R。剪力墙集中区的②～④和⑦～⑨轴间部位最大弯矩、剪力均已减小，配筋量也大大降低，与中部④～⑦轴间筏板接近。这说明经过变刚度调平优化，筏板内力已接近均布。查看筏板沉降计算结果图，在SATWE准永久组合下，筏板沉降为102～110MM。

主楼桩筏基础的单桩承载力计算如下：

桩有效长度为L=56M，Φ800，C35砼，桩顶标高为-6.45M。桩端持力层为8层土，Ⅳ类场地，桩安全设计等级为二级（图纸设计时间为2008年7月）。以C23孔为准计算。

（1）单桩承载力特征值：由现场静载试验确定为3400KN.

配置12Φ16(As=2011mm2,配筋率0.48%)钢筋沿桩长分段配筋。

（2）受压桩身强度和压屈承载力验算

AP=400×400X3.14=502400(mm2)

0.70×16.7×502400=5873.056(KN)

0.75×16.7×502400+0.9X300×2011=6836(KN)>3400×2=6800(KN)

b0=0.9(1.5×0.8+0.5)=1.53

W0=3.14×800/32 [800×800+2(20/3.15-1)×0.48%×(800-100)2 ]=52200000

EI=0.85EcI0=0.85×31500×52200000×700/2=4.89×1014 N.mm2

a=(16×1.53/4.89×105)1/5=0.13

h=56m > 4.0/a=4.0/0.130=31lc=0.5x31=15.5mlc/0.8=19 ℓ=0.70

6836x0.70=4785.2(KN)

2、裙楼承台桩基方案

对于主裙楼连成一体时，按照变刚度调平设计原则，控制主楼沉降，加大裙楼沉降。措施是减少承台下桩长和桩径。裙楼基桩为C30砼，7层为桩端持力层，Ⅳ类场地，桩安全设计等级为二级。以J3孔为准计算。桩有效长度为L=43m，直径600，桩顶标高为-5.95m。

（1）单桩承载力特征值：由现场静载试验确定为1500KN. 配置8Φ16(As=1608mm2, 配筋率0.569%)。

（2）受压桩身强度和压屈承载力验算方法同主楼桩，满足规范要求

用JCCAD软件对主裙楼基础分别进行独立计算和整体模型计算，并考虑上部结构-基础-地基共同工作，计算结果显示：裙楼承台及筏板沉降65～89MM，越靠近主楼筏板沉降越大。为了解决主裙楼间的沉降差，采取了以下几项措施：

A)在主楼与裙楼相邻的裙楼第一跨内设置沉降后浇带。后浇带宽800MM,沿地下地上板、梁、墙贯通设置，钢筋不断开。在地下和地面建筑合适的位置(房屋交付使用后也必须保留观测点)设置沉降观测点，要求施工过程中按相关规定定期观测。后浇带在本工程上部主体完工后14天(填充墙砌筑完工)，同时观测主体沉降处于稳定，且其两侧砼龄期达到60天后、比原浇筑时的温度低时才浇筑施工。

B)裙楼底板顶面标高比主楼稍向下40mm，以减少主裙楼的沉降差异。

C)为了加强主裙楼连接处的刚度，在主楼与裙楼相邻的裙楼第一跨内将筏板厚度逐渐向裙楼底板厚度过度，其间的地基梁高度也设计成变截面。

四、沉降观测

根据设计要求，主楼布设了12个沉降观测点，裙楼布设了14个观测点。如图3所示。

根据观测单位提供的沉降观测报告，2009年5月1日至2010年7月23日（主体完工）间对主裙楼共进行了24次沉降观测。第24次沉降观测时，主楼部分累计平均沉降量为20.5mm,其中最大沉降点F16号累计沉降量为24.6mm, 最小沉降点F11号累计沉降量为13.2mm,最大不均匀沉降率为0.035%，小于规范允许值0.2%；7月23日近期平均沉降速率为0.009mm/天；裙楼部分累计平均沉降量为8.25mm,其中最大沉降点F25号累计沉降量为19.3mm, 最小沉降点F6号累计沉降量为3.4mm,最大不均匀沉降率为0.01%，小于规范允许值0.2%；7月23日近期平均沉降速率为0.008mm/天。从以上数据分析，主裙楼沉降速率较小，下沉趋势缓慢，最大不均匀沉降量均小规范允许值，未出现较大不均匀沉降。如图4所示。

五、结语

通过这个桩筏基础设计实例得到下列体会：

1、高层建筑主裙楼连成一体时，主要控制主楼基础沉降，加大裙楼基础沉降。

2、减少沉降的最有效措施是加大桩长、桩径、合理布设桩距；加大沉降的有效措施是采用天然基础或减少桩长、桩径和桩距。有地基变形出现，基础底板就会产生内力； 减少基础底板（尤其厚筏板）内力，主要是控制筏板基础各点沉降要均匀。要使筏板基础各点沉降均匀，就要运用变刚度调平设计，合理布置桩位。

3、在高层建筑桩基设计中，学会运用变刚度调平概念设计，改变传统设计理念，充分优化方案，减少差异变形、优化地基或桩顶反力分布、降低承台（厚筏板）内力，节约成本投资，获得经济效益。

注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。