高层建筑桩基的处理要点

高层建筑桩基的处理要点
作者：孔祥文
来源：《中国新技术新产品》2011年第08期
摘要：桩基是高层建筑结构设计中应用最多的基础型式，由于沉降控制严格，在软土地基8层以下住宅设计中常采用沉降控制复合桩基，综合商办楼一般采用完全由桩来承担。

在一般的高层建筑中，桩基约占土建筑总造价的25～40％，在经济上所占比例较大；如考虑不周，还会引起工程质量问题。

如何保证建筑物的正常使用，如何合理的地设计桩基，就显得相当重要，现就桩基设计与沉降控制中碰到的问题谈几点体会。

关键词：基础；桩；承台；JCCAD；钢筋混凝土；刚度；沉降
中图分类号：TU75 文献标识码：B
1桩端持力层的选用及单桩承载力的确定
在软土地基上建造12~25层左右的高层建筑时，常选用7-1或7-2层作为桩的持力层。

但该土层的分布及埋深也有较大差别，甚至在一个单体工程中也会有局部缺失的情况，这时可加长桩长，以第8甚至第9层为持力层。

有的建筑总荷载不大，可选用其它的土层作为持力层，如多层住宅中沉降控制复合桩基常以第5-1或5-2层为持力层。

在工程地质勘察报告中建议桩的持力层可能会有几层土，供设计者选用。

但不论采用哪一层土层作为持力层，都必须判断沉桩的可行性。

有时仅从建筑荷载要求考虑，认为选用较深较好的土层作为桩的持力层更为合理，但此时如须穿越较硬的土层，就需慎重研究选用哪一类桩及其沉桩的可能性。

工程桩承载力的确定，应根据荷载的大小、桩的类型、地表土的分层情况、桩身结构强度、沉桩的可能性，并参考实际工程桩单桩承载力的测试数据，来确定单桩的适宜承载力。

2桩数的确定
在桩数量计算时，先利用计算软件或用手算全部荷载的基底有效总压力。

一般的高层建筑可用下式粗略估算桩数量：n= (Fd+Gd) / (1~0.8)Rd(1)
式中：n ------总用桩数
Fd+Gd-----基底有效总压力
Rd ------单桩竖向承载力设计值
式中系数（1～0.8）为没有考虑水平荷载组合时用以估算桩数的影响系数，应按高层平面、形状、体型、结构体系及刚度的不同等因素选用，最后按荷载组合计算桩数。

在多层及较低的高层中，风荷载产生的倾覆弯矩工况下往往是控制因素；在较高的高层中，则多由地震作用产生的倾覆弯矩工况决定。

若以上两种情况下验算不满足，加桩原则应首先考虑在桩基的最外边加，以使桩群的截面抵抗矩最大。

这时为了满足整体偏心（后述）可能要在另一侧也加桩。

JCCAD对承台桩可由上部荷载计算出平面各处的桩数，对于非承台桩则需人工输入桩的位置和根数。

3桩形心与上部荷载重心间偏心值的控制
无论是独立承台的桩基、箱基加桩基，还是筏板加桩基等，均应验算荷载合力点和桩群形心间的偏心影响，主要包括以下两点：
3.1整体的偏心控制
要使整体的垂直荷载的质量重心与整体群桩的形心尽可能地接近。

对偏心率上海市《地基基础设计规范》DBJ08-11-1999没有具体规定，但《钢筋混凝土高层建筑筒体结构设计规程》DBJ08-31-2001 第7.2.1.3要求竖向的合力作用点与桩群形心的偏心率不宜大于桩群外包相应边长的1/100。

3.2局部的偏心控制
如果只考虑整体的偏心控制，而忽视了局部的偏心控制，同样会引起对建筑的不利影响。

应使局部的垂直荷载的质量重心与局部桩位的重心尽可能地接近，同时桩的位置要尽量靠近上部竖向构件，以减小承台板的内力。

局部偏心率可参照整体偏心率，约b/100（b为该局部桩中与偏心方向一致的相距最远的桩间的距离）。

使得高层建筑在垂直荷载作用下，桩的受力比较均衡，控制不均匀沉降，防止倾斜率过大。

手算验算局部偏心及整体偏心较麻烦，笔者借助LSP小程序进行计算，非常快捷方便，省却了许多重复劳动。

利用JCCAD中的“重心校核”，可选取自动导下的所需的荷载组，并选取要进行重心校核的桩，即可显示作用于该区域的荷载重心与合力值、群桩形心与总抗力及两者的偏心距。

当然也可用软件SCPF、SFC等进行验算。

4 桩的沉降控制
对常规桩基，在各工况下承载力满足时，最终计算沉降量验算通过即可。

而沉降控制复合桩基是按控制地基沉降的原则设计的桩基础，也即在设计时由基础的允许沉降控制值来确定桩数和桩长。

在实际工程中设计采用桩基础的原因主要有两个：一是因为地基承载力不够，需要采用桩将上部结构荷载传到深层土或支撑于坚硬持力层，二是因为地基土将会发生较大的沉降变形，需要采用桩来减少沉降。

因此，合理和恰当的桩基础设计应根据采用桩基的目的不同而分三种不同的情况处理：
1)所有荷载由桩承担;
2)桩和筏板基础分担上部结构荷载，桩既要承担荷载同时也起到减少沉降变形的作用;
3)桩用于减少或控制沉降，基础的承载力主要由基础板承担。

高层桩基础设计理论都是建立在满足承载力的基础上的，也即在桩基础设计时均按上述第一种情况处理，完全由上部结构荷载来确定桩数和桩长。

但在多层设计时，对于由于沉降过大而设计采用桩基础的情况来说，采用这种传统的桩基础设计方法是过于保守的，造成了过高的基础工程费用，并且在设计概念上也不甚明确。

沉降控制复合桩基就是以沉降控制为基础并在设计方法上也有别于上述常规桩基础的一项新型技术和基础型式，可用于天然地基强度能满足设计荷载要求但沉降却过大的情况下的地基基础设计，即在桩基础设计时按上述的第三种情况处理。

5承台及桩筏的计算
桩基承台的计算，可按《建筑桩基技术规范(JGJ94-94)》之规定计算，此处不再赘述。

当高层建筑采用桩筏基础时，桩往往采用中、长桩，土不考虑与桩共同作用，全部荷载由桩承担。

但桩筏底板计算有各种假定，有的只考虑地下水浮力，有的再加算一部分上面荷载的反力。

应具体根据桩尖持力层性质、压缩层土的性质、上部结构平面和竖向刚度的情况综合考虑。

当采用箱基加桩基时，可根据箱基和上部结构的共同工作效应的大小，决定箱基设计仅考虑局部弯曲作用（当上部结构为剪力墙、框架-剪力墙（纵向）体系时），或是同时考虑箱基的整体弯曲影响，还可以按基础与上部结构共同作用的模式考虑。

箱基顶板钢筋按实际荷载计算，并应满足最小配筋率，在构造上应考虑箱基的整体弯曲影响，纵横方向支座钢筋应有总量的1/4连通，跨中则全部连通。

比较精确的分析可采用PKPM之BOX软件。

桩基承台受力钢筋应通长布置，不应长短相间或缩短后交叉布置。

桩筏底板配筋方式一般工程均为双层双向配筋，若有特殊要求（如有些超高层其地下室埋深可能要有10几米乃至20几米深，底板也很厚）则需多层配筋。

纵横向支座钢筋按实际计算配筋。

且配筋率不应小于0.15%；跨中钢筋按实际计算配筋，全部连通。

在同一截面上钢筋搭接的面积应小于钢筋总面积的50％。

一般工程其底板的厚度在900~2000mm以内，但较高的高层（如40多层200米左右高的商务办公楼）底板可达2500~3000mm，所以底板混凝土浇捣时，施工单位应有相应的养护、测温等措施，以保证施工质量。

6桩的连接与锚固
预制钢筋混凝土方桩连接方法有焊接、法兰接及硫磺胶泥锚接三种。

前两种可用于各类土层，硫磺胶泥接头主要用在软土层，在锚杆静压桩地基加固中常采用，对一级建筑桩基或承受拔力的桩宜慎重选用。

高层建筑桩顶的锚筋构造，应全部采用桩内主筋同底板（或承台）锚接，锚筋长度不宜小于30d，对于抗拔桩基不应小于40d。

预应力混凝土桩可采用钢筋与桩头钢钣焊接的连接方法，钢桩可采用在桩头加焊锅型钣或钢筋的连接方法。

保证上部结构和基础能更好地协同工作。

结束语。

桩基设计中承载力和沉降量验算都是十分重要的。

在设计过程中，需要仔细比较分析多种方案，在沉降控制日益重要的今天，选择合理的桩型和计算方法、计算软件，确保基础及整个结构的安全。

参考文献
[1]上海市标准：《地基处理技术规范》.DBJ08-40-94.。