高层建筑桩筏基础探讨

摘要：简要介绍了高层建筑桩筏基础设计思路及方法，阐述了基桩筏基础中桩，筏基本受力原理，介绍了桩筏基础的设计方法。

关键词：抗震设计承载力 桩筏 共同作用

中图分类号：U452.2+8 文献标识码：A 文章编号：

1 引言

高层建筑的主要特征是层数多、高度高、重量大，这样不仅造成了竖向荷载的大而集中，而且风荷载和地震荷载引起的倾覆力矩也成倍增长，因此要求基础和地基提供更高的竖直与水平承载力，同时使沉降和倾斜控制在允许的范围内，并保证建筑物在风荷载与地震荷载下具有足够的稳定性。桩是深入土层的柱型构件，桩与连接桩顶的承台组成深基础，将上部结构的荷载，通过较弱的地层传到深部较坚硬的，压缩性小的土层或岩层，它是通过作用于桩端的地层阻力和桩侧土层的摩阻力来支承轴向荷载，依靠桩侧土层的侧向阻力支承水平荷载，因此，对于土质软弱层较厚的地基，桩基是一种成熟，安全可靠的基础形式。在很多软土地基情况下，建筑只采用单一的桩基础无法解决其承载力较低，成本较大的问题。为充分发挥上层土的承载力，从而采用了筏板与桩共同受力的桩筏基础，并且在工程实际中得到越来越多的应用。

2 桩筏基础

2.1、承载力分析

桩顶竖向荷载由桩侧摩阻力和桩端阻力承受，以剪力形式传递给桩周土体的荷载最终也将扩散分布于桩端持力层。持力层受桩端荷载和桩侧荷载而压缩（含部分剪切变形），桩基因此产生沉降。而由多桩构成的群桩，由于承台与桩顶同步沉降，承台底面的土必然受到压缩从而产生土反力，该土反力也分担一部分的荷载，因此，由群桩构成的承载力实际上由三部分组成：各基桩的桩侧力，桩端阻力和承台竖向阻力。但群桩的承台一桩群一土的相互影响和共同作用，群桩的承载力并不等干各单桩的侧阻力、端阻力、承台下地基土承载力之和，群桩的工作性状的破坏特征也与单桩承载力之不同，所以，在进行设计时，不仅要清楚单桩的性状和承载力的变化规律、还需考虑群桩基础的群桩效应。

2.2、桩筏基础的主要性状

通过高层建筑桩筏基础与地基共同作用的理论分析和实测结果表晨，高层建筑有如下主要性状：

1）高层建筑桩筏基础的工作性状，对于常见规设计（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状。

2）桩的存在，对减少箱基或筏基的沉降有明显的效果，并使高层建筑的整体横向倾斜大为改观，建筑物均匀下沉。即使是短桩基础，对建筑物沉降和整体横向倾斜的减小作用依然存在，当然对高层建筑短桩基础的桩尖下的软弱下卧层的存在以及建筑物的整体稳定性必须引起充分的注意。

3）对于一般的高层住宅或宾馆，标准层与筏底板平面面积相仿，这样，上部荷载是满布的常规设计桩顶反力分布通常总是角桩反力最大，边桩次之，内部桩最小。

4）在高层建筑桩筏基础满足建筑物荷载条件下，增减10%的桩数对基础的沉降影响甚微。

5）高层建筑桩基础在常规设计条件下，桩间土仍分担上部荷载，桩间土地基反力略呈马鞍形。在建筑物建筑竣工时，筏底板可分担小于26%的上部总荷载。为了充分发挥筏底桩间土的承载力，适当增加桩的间距是合适的。如果基底桩间土为饱和软黏土时,设计时不能考虑基底桩间土的分担作用,全部荷载由桩基承担。

6）不管是满堂桩还是轴线桩布置，筏底板钢筋应力均很小，说明有必要进一步研究和修改桩基础的设计计算理论。桩的刚度对筏基础的刚度是有贡献的。

7）桩沿剪力墙轴线或桩柱相对布置，较之桩满堂布置可大大减薄底板的厚度。

8）其他条件相同，但施工条件不同，分担上部荷载的比例不同的，灌注桩情况的筏底板比预制桩可分担更多的建筑荷载。

2.3、桩筏基础的工作机理

根据土力学原理，可以分下列几个受力阶段来阐述高层建筑桩筏基础与地基共同作用的机理。在建筑物施工期间和使用早期内，基底与桩间土保持接触，桩与箱或桩与筏共同承担建筑物荷载。，随着时间的进展，打桩时引起的孔隙水压力逐渐消散，到某一时间内，由于孔隙水压力消散引起基底土的固结沉降，使得桩间土承受的荷载减小，此刻，桩承受的荷载增大。若此时桩间土的固结沉降大于桩基沉降，则基底与桩间土脱离。由于桩承担的建筑物荷载的增大，建筑物的沉降将不断增加，此时桩沉降速率要比孔隙水压力消散速率大些，基底可能又与桩间土再度接触。筏基分担上部结构荷载又增加。

如此循环，直至建筑物沉降隐定为止。至于基底与桩间土是否保持接触，这是与打入桩的数量、打桩引起地面的隆起量的大小、打桩速率以及桩间土和桩的承载力等因素有关。如果基底与桩间土脱离，而桩已有足够的承载力单独地承担建筑物的荷载，则桩间土与基底浆永远脱离。当然，当打入桩减少到一定数量时，桩和桩间土总是一起承担上部荷载的。

钻孔灌注桩在施工过程中没有超孔隙水压力的产生，在上部荷载作用下，桩和桩间土区同承担上部荷载，且在建筑物整个使用阶段中，桩和桩间土分担上部荷载的比例保持不变。

2.4、设计中采用的方法

1、加大桩间距，减少桩数，充分发挥筏（或箱）底的地基承载力是可行的。具体设计时，地基承载力采用P1/4，桩基础的承载力安全系数采用K=1.2~1.5。目前出现的减少沉降桩或疏桩均是共同作用实践的例子。

2、若仍采用常规设计，桩承担的荷载可适当减小为：

Pp=p-pwA-(5-10)%p

=(95-90)%P-pw・A

式中：P―上部总荷载（包括筏基）；

Pp―桩承担的荷载；

Pw―浮力；

A―筏基础平面面积。

3、高层建筑桩筏基础的容许沉降可适当加大，可采用[S]=20~30cm。

4、一般的高层住宅或宾馆，当标准层的平面面积与筏平面相同时，内桩可排得稀疏些。

5、高层建筑桩箱基础尽可能采用轴线桩，高层建筑桩筏基础尽可能采用柱对桩的排列方法。

6、高层建筑桩筏基础沉降分别计算建筑物竣工时的沉降和最终沉降。

7、软土地基高层建筑桩筏基础筏板厚度的确定方法考虑相对刚度

8、带裙房高层建筑桩筏基础整体设计可采用主楼桩数多，裙房桩数少的布桩形式；或采用主楼桩长些，裙房桩短些的布桩形式。主楼底板厚，裙房底板薄可有效地减少基础整体设计的差异沉降。裙房基础不布桩，作为主楼基础的悬臂部分可有效减少整体基础的差异沉降。

在高层建筑设计中，当采用桩筏基础时，对筏板厚度的选用有不同意见：即较厚的筏板与较薄的筏板，这也说明在这一问题上人们对桩筏基础刚度的研究不够，缺乏一套行之有效的办法。

根据上部结构-筏-桩-同作用分析的研究，高层建筑桩筏基础在外荷载作用下，通常会产生两端上翘，中间下陷的碟形差异沉降，这一差异沉降，会受到上部结构的约束，从而对上部结构产生弯矩，以致上部结构中产生边柱的轴力增大，中柱轴力卸荷，即形成的拱作用，以及向外作用的剪力和柱下的弯矩增加，这就是筏板厚度对上部结构的影响。

如果考虑上部结构的作用，就可以在一定程度上减小筏板的内力。因此，可以通过适当降低筏板的厚度的方法，使桩承受的荷载差异变小，也使筏板在桩筏体系中承担的土反力比重增加。当然，这是以增加上部结构次生内力为代价的，如果筏板过柔，则上部结构次生内力会增加很多，有可能带来不利后果。

当筏板刚度增加时，可以减小筏板的挠曲，即可以减少沉降差，同时可降低因沉降差引起的上部结构次生内力，减小柱轴力的外移。然而筏板刚度过大时，则会引起筏板内力的加大，桩承受荷载差异加大，不利于桩的作用的充分发挥，使筏板在桩筏体系中承担的土反力比重减少，不利于充分发挥筏板的荷载分担作用。

因此，筏板厚度（即桩筏基础刚度）对上部结构的影响，在设计中应注意其不利因素。

小结

高层建筑在用地紧张，需要设置下车库、人防工程和设备用房等地下室时选用桩筏基础可以解决软土地区，或持力层较深土质地基的基础问题。桩筏基础可以有效降低不均匀沉降，解决由此带来的结构不安全因素；同时桩基础可以承载高层建筑较大的竖向荷载，并满足地震，风等水平力产生的大的倾覆弯矩。运用桩筏基础时，应考虑上部结构的刚度影响，及下部桩-筏板-土的共同作用，可以有效减小筏板厚度，减少桩数。桩筏基础作为复合型基础，其受力及工作性状有待进一步研究和深化，不断探讨使桩筏受力及工作机理接近实际的工作性状，从而更好的指导设计。

参考文献：

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[2]钟闻华，张克恭等. 天然地基上的筏板基础受力及变形分析.中山大学学报, 2002(3):93-95

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[4]建筑桩基技术规范 建设部1994

[5]建筑地基基础设计规范建设部 2011