土岩组合地基上桩筏基础差异沉降控制研究进展

【摘 要】 总结了土岩组合地基上桩筏基础差异沉降控制的一些方法，着重介绍了支承体系刚度优化调整的最新进展，通过分析这些方法在实际使用中的优点与不足，提出尚需进一步研究的建议。

【关键词】 土岩组合地基；桩筏基础；差异沉降

【中图分类号】 TU712.1 【文献标识码】 A 【文章编号】 1727-5123（2012）06-021-04

1 引言

随着我国经济的高速发展，城市用地日趋紧张，高层建筑趋向于普及化、超高化和功能综合化，桩基础由于在沉降控制和承载力方面的优越性与可靠性受到越来越多的重视。高层建筑多塔、大底盘的特点致使整个建筑物的荷载分布极其不均匀，尤其在土岩组合地基情况下，岩石与土变形模量有很大差异，地基土厚度变化较大，水平方向软硬不一，使桩筏基础极易产生差异沉降[1]，[2]。过量的差异沉降，会导致上部结构产生附加应力，严重时造成墙体或楼面开裂等事故，影响建筑使用。我国是世界上山脉及岩溶最发育的国家之一，在建筑施工中会经常遇到土岩组合地基，如何经济合理的控制高层建筑下土岩组合地基桩筏基础的差异沉降，是一个迫切需要研究与解决的课题。

2 土岩组合地基桩筏基础差异沉降控制方法

土岩组合地基是指：在建筑地基（或被沉降缝分隔区段的建筑地基）的主要受力层范围内，出现土岩混合并存情况的建筑地基[3]。影响建筑物安全的土岩组合地基主要有以下几种（如图1所示）：①石芽地基，石灰岩地区常见地基形式，并有可能部分石芽出露；②覆盖土层厚薄极度不均匀的地基，这是由于基岩表面起伏不平导致的；③崩塌体堆积的地基或崩塌体堆积物与残积坡积物混杂堆积的地基；④球状岩块与残积层混杂堆积的地基。

可以看出，土岩组合地基中土、岩分布很不均匀，有尖灭状土层也有突起的石芽，更有由于岩石溶洞风化崩塌导致的土、岩契合分布。地基土中土、岩本身支承刚度及厚度分布的不同导致在大荷载作用下基础差异沉降巨大，给上部结构带来很大的安全隐患。控制基础的差异沉降，保证建筑物基础的差异沉降为零，是土岩组合地基上建造高层建筑需要解决的主要问题之一。

基础的差异沉降很早即引起人们的重视，多年来许多学者从不同方面对此课题进行了深入研究。研究结果表明：建筑物是由上部结构、基础和地基组成的结构整体，三者之间是互为联系相互作用的关系[4]。建筑物沉降同上部结构、筏板及地基基础有密切联系，合理的优化上部结构及筏板刚度、保证桩土变形协调是控制桩筏基础差异沉降的主要方法。

2.1 优化上部结构刚度。由于上部结构型式和材料人为可控，根据共同作用理论，在结构设计时可以根据需要调整上部结构荷载及刚度分布，提高建筑物的抗弯刚度，抵抗建筑物因地基土支承刚度不均造成的差异沉降。H.Sommer[5]（1965）最早提出上部结构对基础沉降的直接影响，Wahls，Harvey E.[6]（1981），Leung，Yat Fai1[7]（2010）等的研究也表明在沉降计算时要考虑上部结构刚度。国内学者袁聚云[8]（1994）、周含川[9]（2006）等发现上部结构刚度及型式控制基础差异沉降的作用随着层数的增加而逐渐收敛，建议溶岩地穴上的建筑应着重调提高底层刚度，增加底部几层的配筋。

优化上部结构刚度对控制土岩组合地基基础差异沉降有一定的作用，但建筑物达到一定层数后，结构总体变形表现由弯曲型转化为剪切型， 即使是剪力墙结构，抵抗不均匀沉降的能力也很有限[10]。另外，上部结构由于受到使用功能的制约，工程技术人员很难对其型式和刚度进行较大调整。因此通过调整上部结构刚度来控制基础差异沉降是不经济的且较难实现，在设计时应尽可能使上部结构荷载均匀分布，降低因荷载分布不均导致基础差异沉降的可能性。

2.2 调整筏板刚度。在土岩组合地基上建造的的高层建筑，较多采用桩筏基础，徐至钧[11]（2000）通过大量调查和分析发现，高层建筑的筏板设计差异很大，从经济和工程角度出发合理的调整筏板刚度也是土岩组合地基差异沉降控制的可行方法之一。

筏板合理刚度的研究起始于上世纪八十年代，最早由Whitaker（1961）和Cooker（1986）提出筏板或桩帽对桩筏基础的性能具有重要意义，其后Kay.J.Neil等[12] [13]（1983）（1991）指出在沉降计算时要考虑筏板刚度的影响。

目前筏板刚度调整方法主要有两类。姜福香[14]（1998），周宁[15]（2001）等的研究表明增加筏板配筋和厚度能够改善基础的差异沉降和内力分布，有利于控制基础差异沉降，但容易增加筏板的局部内力。Randolph[16]（1994），Horikoshi等[17] （1996）则指出在较为柔性的筏板中部设置一个较小的桩群，通过削弱此区域筏板的接触压力，可以极大的减小差异沉降，甚至达到零差异沉降。

根据薄板理论，板的刚度和内力矩阵同板的厚度的三次方成线性关系，筏板刚度增加使荷载向筏板边缘转移，迫使基础沉降趋于均匀，但微小的不均匀沉降将导致巨大的内力，因此增加筏板刚度控制差异沉降的作用有限。不同于刚性筏基，柔性筏基通过足够的优化可以在基底产生最小的差异沉降，且通过桩筏基础变刚度调平设计，可以最大化的降低基础的差异沉降。土岩组合地基基础差异沉降较大的特性决定了基础向刚性筏板发展的局限性，而且筏板刚度的增加会使基础的造价大幅度提高，从经济和设计方面来看，使用柔性筏基控制基础差异沉降是一个更好的方法。

2.3 地基基础的变刚度设计。随着基础建设的发展，以往仅对结构和筏板进行刚度优化调整已不能满足工程建设的需求。本着经济安全合理的原则，对地基与桩基构成的支承体的支承刚度进行可控、合理的调整才是土岩组合地基基础差异沉降控制设计最有效的方法[18]（2005）。目前国内外学者对此方面进行了大量研究，笔者通过归纳总结将其大致分为三大类：补偿位移法、预加位移法以及刚度调整法。

2.3.1 补偿位移法。补偿位移法是指桩基础在受荷前桩土的初始相对位移保持相同，后期通过给桩施加不同的附加变形来补偿在受荷过程中产生的桩-土、桩-桩变形差。

在土岩组合地基中，补偿位移法的实现是通过在桩顶设置一定厚度的变刚度垫层，由于桩顶沉降不同，致使桩顶的垫层材料向桩间土蠕动补充量也不同，从而达到协调变形的效果，形成龚晓南[19]（2007）提出的刚性复合地基型式。刚性复合地基研究较早，Fleming[20]（1990）及Cao[21]-[23]（1998）（2000）（2004）等人都对其开展了一定的研究。国内外学者宰金珉[24]（1989）、Sorochan， E.A. [25]（1991）、毛前[26]（1998）等也曾对变刚度垫层的工作性状进行过研究和总结，潘青春[27]（2001）则给出了土岩组合地基情况下变刚度垫层的设置方法：在沉降小的区域设置易压缩材料垫层，加大其沉降量；在沉降量大的部位下设置不易压缩材料垫块，减小其沉降量，如图2所示。

从垫层的差异沉降调节机理可以看出，变刚度垫层不仅能够合理改善基础下应力分布，还能够调整桩向上“刺入”的深度，从而达到不同嵌固情况下桩的协调变形，比较适用于土岩组合地基。但应当注意到，垫层的厚度选取有所限制[28]（2003），桩顶“刺入”垫层的深度也有限[29]（2006），设置变刚度垫层的刚性复合地基应用于土岩组合地基控制差异沉降是否合理有待进一步研究。

2.3.2 预加位移法。根据设置变刚度垫层协调桩-土、桩-桩变形的思路，国内一些学者提出在桩顶设置刚度较小的材料（罗宏渊[30]（1997）、童衍蕃[31]（2003）、李应保[32]（2004））或者预留空间（郑刚等[33]，[34]（2004））达到桩土变形的同步，即预加位移法，如图3所示。此方法为土岩组合地基差异沉降控制提供了一个思路：在土基桩与岩基桩桩顶预留不同的位移，或设置不同刚度材料减小受荷结束时桩顶位移差。但是上述方法应用的前提是在设计桩基时能够准确的估算出既定荷载作用下地基的变形量（即预加位移量），目前沉降计算理论的相对不成熟是制约其发展的一个重要因素。

2.3.3 刚度调整法。刚度调整法是指基础在受荷前的初始相对位移保持相同，在受荷过程中，通过一定的措施使整个地基土与桩的支承刚度相匹配，这样在整个受荷过程中，基础的变形始终保持协调。刚度调整法大致可分为以下三类：

2.3.3.1 地基土刚度调整。相比优化结构及筏板刚度，改善地基条件、调整地基土刚度分布是更直接、更可靠、更经济的办法，也是控制土岩组合地基基础差异沉降的首选方法。

目前地基土刚度调整常用方法为复合地基形式。复合地基是对天然地基部分土体进行增强或置换，或在天然地基中设置加筋材料，使天然地基的刚度按照需要重新分布[35]（2005），如图4所示。复合地基理论研究开始于上世纪60年代， Goughnour和Bayuk[36]（1979）最早提出了复合地基沉降计算方法。复合地基差异沉降控制设计方法一般遵循由王辉等[37]（2001）提出的“变参数、变刚度、整体调平” 设计思想，在地基处理时合理的调整地基土加固区的刚度及深度，使土岩组合地基的地基土刚度分布与基础基底压力分布相吻合，达到地基的后期沉降变形从整体上与基础沉降协调一致，减小差异沉降。复合地基对软弱土体的加固作用明显，在石芽地基和变厚度覆盖土层情况下，对其中土体进行选择性加固可以大大提高地基刚度分布的均匀性，减小因土岩刚度不同引起的差异沉降。

2.3.3.2 桩基础刚度调整。桩基础刚度调整法是指，对采用桩基础的建筑物，人为调整其桩顶反力分布和桩数，使桩基支承刚度较大的区域对准上部结构荷载较集中的区域，可减小乃至完全消除基础的不均匀沉降，达到经济合理的桩基布局。Padfiel和Sharrock[38]（1983），Fleming[39]（1992）最早讨论了通过筏板中心布桩减少基础沉降的可行性，Hain和Lee[40]（1978）、Chow和Teh[41]（1991）、Clancy和Randolph[42]（1996）以及Hori-

koshi和Randolph [43]（1998）通过数值计算，指出桩应分布于筏板中心16～25%区域，桩的总承载力应该设计为总外荷载的40～70%之间。国内外学者如刘金砺[44]（2000）、宰金珉[45]（2001）、Leung， Y.F.[46]（2010）等讨论了通过优化桩长、桩径、桩距的方法改变地基基础的刚度，从而减少建筑物的差异沉降，如图5所示。但是土岩组合地基中土岩分布极其不规律，对该方法中变桩长、桩径、桩距的布桩方式限制很大，使其在土岩组合地基中的应用并不广泛。

2.3.3.3 变形调节器刚度调整。

鉴于桩基础刚度调整在实际施工中的困难，如果通过在桩顶设置变形调节装置改变单桩支承刚度，对整个基础的支承刚度分布按需要进行较精确的人为调控，则可达到建筑物零差异沉降的目标，如图6所示。目前国内宰金珉、周峰等人[47]（2009）对此方法进行了大量研究，并研制出桩顶变形调节器（国家专利号：ZL200520071955.2），如图7所示。该调节装置的调节方法有主动及被动两种，可在生产时设定其变形刚度也可在工程实践中根据实际情况自动调节刚度，根据不同的接触反力和变形调节量的需求，既可以单独使用也可以多个并联或串联使用。目前设置变形调节装置的桩筏基础已经在福建等地得到了初步推广，成功应用于球状岩块与残积层混杂堆积的土岩组合地基[48]（2008），具有良好的工程实用价值。

3 总结

通过对国内外土岩组合地基差异沉降研究现状的分析可以看出：①结构、筏板刚度优化调整对改善基础内力，控制基础的沉降变形，减轻差异沉降对上部结构的影响有一定的作用，但由于受到实际应用和经济成本的限制，并不适用于各种建筑条件。②目前沉降计算理论还不够完善，不足以准确的计算出土岩组合地基情况下基础的差异沉降量，限制了位移补偿法及预加位移法的应用，今后应深入开展沉降计算方面的研究，进一步完善计算理论和预测方法。③变形调节装置在基础差异沉降控制方面具有质量可靠、性能稳定、施工方便等特点，若将其广泛的引入土岩组合地基上高层建筑基础差异沉降的处理中，调节高荷载作用下土基和岩基之间较大的差异沉降，将对土岩组合地基上桩筏基础设计理论的发展与进步起到显著的推动作用。

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