桩筏基础设计方案优化论文

浅谈桩筏基础设计方案优化中的几个问题摘要：从优化设计的角度出发，探讨了桩筏基础的设计思路、布桩方式、桩土共同作用等一系列问题到了一些有益的结论。还提出了一些对设计进行优化的思路和具体方法供读者参考。

关键词：桩筏基础；设计思想；布桩方式；优化设汁

1 引言

随着经济建设的发展，高层建筑越来越多，桩筏、桩箱基础由于其在控制沉降和满足承载力要求方面的可靠性而受到了越来越多的重视。目前设计通常采用“均匀布桩”或“等承载力布桩”等传统布桩方式。不少学者、专家及工程设计人员对此提出了质疑，并进行了一系列比较深入的探讨和研究。

2设计思路

采用桩筏基础一是控制建筑物的沉降和不均匀沉降，二是提高地基的承载力。但对一具体工程而言，这两个要求的重要性并不是完全等同的。桩群属于端承桩时，显然沉降量不是主控要素，因此本文讨论指的是摩擦群桩和端承摩擦群桩的桩筏基础。

由于岩土工程问题的复杂性，特别是由于桩筏基础沉降计算的复杂性和不精确性，不少工程设计人员不顾地质条件的差异，一味倾向于将桩基直接嵌入基岩，嵌岩深度有越来越深的趋势。导致这种设计倾向的一个根由是，根本不考虑地基土参与承担荷载的可能性，以及忽略了建筑物可以承受一定沉降量的可能性。事实上，不管是以承载力控制设计的思路，还是以沉降控制设计的思路，都必

须满足建筑物对地基的沉降和承载力要求。因为不管采用哪一方面作为主控要素，其另一方面的要求都必然是前提条件。这两种设计思想主要是侧重点不同，设计的着手点不同而已。

图1投资与沉降

在深厚软土地基上建筑物的沉降量与工程投资是成比例的，但不是线性关系，大致如图1所示。

3布桩方式

布桩方式与实际设计息息相关，且意见不一，因此倍受关注。本文就下述几个问题进行探讨。

3．1 “外强内弱”还是“内强外弱”

对这个问题产生不同的意见，主要是基于以下两种不同认识：一是筏基沉降呈现“盆底型”的沉降衄线，即中间大，周边小；二是桩顶反力呈现“倒盆底型”的分布规律，即角桩反力大于边桩，边桩反力太于内部桩。上述现象是与“均匀布桩”的传统布桩方式联系在一起的。如果考虑从控制各桩反力一致的角度出发，为减少角、边桩反力与内部桩之间的差异，则应采用“外强内弱”的布桩方式；如果从减少沉降差异的角度出发，则显然应该采用“内强外弱”的布桩方式。基于这样的分析，似乎两种布桩方式都是合理可行的，但设计者应清楚两者对上部结构受力及整个建筑物经济性的影响。“内强外弱”布桩可有效减少筏基中的弯矩及上部结构的次生应力，而“外强内弱”。布桩可能在筏基中产生较犬的弯矩。很明显后者对上部结构的刚度要求比前者严格。对于上部结构和基础

刚度较大的情况下，采用“外强内弱”设计可能是合理的；但是对于次生应力和基础弯矩很大地影响了建筑物造价的情况，必须注意这种设计方法的适用性。三种布桩方式就沉降量而言，“外强内弱”布桩较小，而“内强外弱”布桩的沉降有时稍大于“均匀布桩”的沉降，当然其差异与内外桩群布置的具体情况有关。下面举一算例加以说明。为简便计，将算例考虑为平面应变问题。具体参数如下：er=ep，ep/es=5000，，下标r，p，s分别表示筏、桩、土。桩长l0=24m，长桩、l1=24m，短桩l2=16m，桩边长a=0.5m，桩间距sa=4a，筏板宽b=16m，厚h=0.5m。

从以上分析可知这两种布桩方式各有优劣，因此布桩方式应视具体情况而定。是采用“外强内弱”布桩还是“内强外弱”布桩应取决于上部结构形式及基础和地基条件，取决于以建筑物经济效益为目标函数的优化设计，设计者应清楚这两种布桩方式的长处和短处，以便扬长避短，充分发挥桩筏基础的设计潜力。

3．2柱墙下布桩方式的讨论

采用“内强外弱”布桩可有效减小筏板基础整体弯矩，而采用柱墙下布桩可有效减小筏板基础局部弯矩。文献[6]探讨了柱墙下布桩的设计原则，即尽量在柱墙下布桩，如在筏板下布桩，则尽量不在跨中央布桩。这种布桩方式减少了筏板跨中的集中荷载，从而减小了筏板的局部弯矩，因此可以减少底板配筋率。从这种减小筏板局部弯矩的设计思想出发，可以引伸出很多设计技巧和设计方法。如可以考虑采用柔性桩加固筏基底部土体的方式来代替筏基底

部的刚性桩，又如在柱墙下布长桩，在筏板下布短桩等。考虑到当单桩承载力较大的桩过于密集时会对筏3．2柱墙下布桩方式的讨论

采用“内强外弱”布桩可有效减小筏板基础整体弯矩，而采用柱墙下布桩可有效减小筏板基础局部弯矩。

4优化设计方法

从目前的设计来看，除最常见的方案比较外，比较常用的一种优化方法就是所谓的“抽桩分析”，即首先根据经验确定一种布桩方式，然后根据一定的规律抽去部分桩，从而节省部分基础费用。虽然采用这种优化方式可以获得一定的经济效果，但是由于布桩方式的确定以及抽桩原则都包含了经验因素，采用这种方式得到的结果往往和最优解差距较大。

从提高设计水平的角度讲，很重要的是将设计问题抽象为一个数学模型，采用数学优化方法解决设计问题，采用这种方法可以提高求解的精度，得到较优的设计解。但是由于桩筏基础设计的复杂性，以及桩筏基础沉降计算的不精确性，采用这种优化方法必须考虑到优化计算的可行性。

5结论

本文对桩筏基础的一些热点问题进行了一系列的探讨，主要结论有以下几点：

(1)桩筏基础设计是双控的，从优化角度理解，承载力和沉降条件仅仅是两个约束条件。在特定条件下．承载力和沉降往往只是其

中一个起主控作用。在深厚软粘土地基上的桩筏基础，沉降往往是设计的主控要素，应提倡以沉降控制设计的设计思想。

(2)“外强内弱”与“内强外弱”的布桩方式各有其优缺点。应视上部结构刚度和工程地质条件而定，具体工程具体分析。在具体的布桩方法中，以长短桩布置，刚性桩和柔性桩混合布置更为合适一些。

参考文献

1侯学渊，杨敏软土地基变形控制理论设计理论和工程实践、上海：同济大学出版社，1996；

2周正茂．赵福必，侯学渊．桩筏基础设计方法的改进及其经济价值．岩土工程学报，1998，20(6)：70~73；

3阳吉宝．高层建筑桩筏和桩箱基础的优化设计．工程勘察，1996(1)：23~24；

4李海峰，陈晓平．高层建筑桩筏基础优化设计研究．岩土力学，1998，19(3)，59～64；

5黄绍铭，王迪民等减少沉降量桩基的设计与初步实践见：第六届全国土力学及基础工程学术会议论文集，上海．1991；

6龚晓南．复合地基理论及其在高层建筑中的应用．土木工程学报，1999，32(6)。