桩基变刚度调平设计研究成果综述

桩基变刚度调平设计研究成果综述

摘要：本文主要概述了桩基变刚度调平的设计原理、设计原则，并简要介绍了目前使用较多的几种桩基变刚度调平设计方法。

关键词：基坑桩基础变刚度调平

一.引言

随着我国经济建设步伐的加快，越来越多的高层建筑出现在城市中，其中有相当比例的上部结构为刚度相对较弱、荷载不均的框剪、框筒结构，基础多采用桩筏，桩箱基础，且采用均匀布桩或厚筏（或箱型承台）。由于地基是一个完整地三位体，作用在某点处的荷载在其余各点处也会产生位移，各点相互作用的结果，使得基础中间部分的沉降最大，而角点沉降相对较小，即碟形分布。同时桩顶的反力分布也是不均匀的，其呈现出内部桩的反力小于边桩反力，边桩反力小于角桩反力的特点，即桩顶反力呈马鞍形分布（图1）。

图1 框筒、框剪结构均匀布桩反力及沉降图

而由于碟形沉降而差生的沉降差，会导致基础自身以及上部结构出现附加弯矩、附加剪力乃至开裂；桩顶反力的马鞍形分布会导致基础整体弯矩增加。这些负面效应都对结构的安全和正常使用产生不利影响，并且增加了施工中的钢筋用量。

二.问题的研究与解决

在常规的桩基计算方法中，通常只考虑静力平衡条件，没有考虑接触面的变形协调，也没有考虑上部结构、基础、桩土的共同作用及群桩效应，是造成碟形沉降的主要因素。而沉降差是导致基础内力和上部结构次应力、板厚增加、配筋增多的根源。这主要是由于传统设计理念存在认识误差造成的，主要表现在：

（1）设计中过分追求高层建筑基础利用天然地基；（2）桩筏设计中，忽视桩的选型和结构形式，荷载大小与分布相匹配；（3）桩筏设计中，忽视合理利用复合桩基调整刚度分布减小差异沉降的作用；（4）桩筏设计中对利用筏板刚度调整荷载．桩反力分布及减小差异沉降的期望值过高。

如何避免传统设计方法的缺陷，如何有效地控制沉降差的产生成为工程师们的一项重要研究课题。

由于对桩筏基础沉降，尤其是沉降差计算结果的可行性与合理性方面的运算困难，在过去相当长的时期，人们大多是被动地增加筏板厚度，这对相对较小的筏板有效；或增加筏底布桩的数量、几何尺度（桩长与桩径）、增大桩筏基础的整体刚度，通过降低沉降

的绝对值而满足对沉降差的设计标准。这样的结果必然是桩筏基础工程量庞大，刚度过剩，存在相当大的浪费。

Burland（1977年）等提出采用所谓的“减小沉降的桩”，并建议这样的桩的韧性特征应予以保证。Padfield&Sharrock（1983年）讨论丁旨在减小差异沉降的中部桩群的应用。Flering（1992年）等人提出仅在柔性筏板中部设置桩群的方法。Randolph（1994年）指出，假如在设计上已达到优化，甚至一个较为柔性的筏板也可产生最小限度的差异沉降。这一设计概念在国内称之为变刚度调平设计。

自2008年10月1日起实施的《桩基技术规范》（JGJ-94—2008）正式将变刚度调平法作为桩基设计新理念予以推广。

三.变刚度调平设计原理与原则

对于高层建筑地基计算，08规范要求要求将上部结构—基础—地基的变形作为一个体系进行整体计算，其沉降受到三者的共同制约，总体平衡方程是：

{[K]sl+[K]F+[K]s(ρ,s)}{U}={F}sl+{F}F

式中：

[K]sl——上部结构刚度矩阵；

[K]F——基础结构刚度矩阵；

[K]s(ρ,s)——地基土（桩土）支承刚度矩阵；

{U}——基础节点位移向量：

{F}sl、{F}F——上部结构、基础的荷载向量。

显然，对于某一特定的结构，其[K]sl、[K]F、[K]s(ρ,s)是确定的，相对应的荷载，位移向量{F}sl、{F}F、{U}也随之确定。要使沉降趋于均匀，必须对其刚度进行调整。其中上部结构的刚度[K]sl不容易调整，花费代价巨大；而工程实践表明对于非坚硬地基，荷载大且不均匀的情况，调整基础刚度[K]F对不均匀沉降的影响很小。因而唯有调整地基土（桩土）支承刚度[K]s(ρ,s)使之与荷载分布和相互作用效应匹配，才能有效减少沉降差。

基于以上分析，08规范中给出的变刚度调平设计的基本思路是：考虑地基、基础与上部结构的共同作用，对影响沉降变形场的主导因素——地基土（桩土）支承刚度分布实施调整，“抑强补弱”，促使沉降趋向均匀。

08规范中对桩基变刚度调平提出了以下设计原则：

（1）对于主裙楼连体建筑，当高层主体采用桩基时，裙房（含纯地下室）的地基或桩基刚度宜相对弱化，可采用天然地基、复合地基、疏桩或短桩基础。

（2）对于框架－核心筒结构高层建筑桩基，应强化核心筒区域桩基刚度（如适当增加桩长、桩径、桩数、采用后注浆等措施），相对弱化核心筒外围桩基刚度（采用复合桩基，视地层条件减小桩长）。

（3）对于框架－核心筒结构高层建筑天然地基承载力满足要求的情况下，宜于核心筒区域局部设置增强刚度、减小沉降的摩擦型桩。

（4）对于大体量筒仓、储罐的摩擦型桩基，宜按内强外弱原则布桩。

（5）对上述按变刚度调平设计的桩基，宜进行上部结构—承台—桩—土共同工作分析。

变刚度调平设计的步骤一般为：

１）按建筑物性质、荷载、地质条件等进行初始布桩并确定板厚。２）进行上部结构、桩筏基础与地基共同作用分析，绘制沉降等值线。３）对沉降等值线进行分析，当天然地基总体沉降不大而局部沉降过大时，根据具体条件，对沉降过大部分采用局部加强处理。对沉降较大的部位，应适当加密布桩或视土层情况适当增加桩径桩长，重新形成刚度体系。４）进行共同工作迭代计算，直至沉降差减到最小。

四.变刚度调平设计方法

1一般方法

最常用的变刚度调平设计方法采用改变桩距、桩径、桩长的方法，对地基土的刚度进行局部增强或减弱。因为桩基础的沉降，主要是桩基影响范围内地基土的变形导致。通过调整使桩基影响范围内基地土特别是桩端土的受荷水平接近，才能使沉降趋于平均。在荷载集度高的部位（例如框剪框筒结构中心部位），可以通过增加桩长的方法，使荷载扩散范围增大降低桩端土的受荷水平，即内长外短式布桩