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（图2a）；或者采用减小桩距，增加桩数的方法来提高集中受荷部位的刚度，减小沉降，即内密外疏式布桩（图2b）。

有时也可以采用扩大桩径的办法来提高地基土刚度。

为了更好地使集中受荷区域的刚度与变形曲线相协调，可以将变桩长、变桩距、变桩径等方法进行有机结合。

也可以变内密外疏型布桩为中心布桩方式（图2c）。

有研究表明，针对高层桩筏基础，与内密外疏的布桩方式相比，中心布桩方式筏板下布桩数量将减少55%，可以充分达到优化设计，降低造价的目的。

a . 内长外短 b. 内密外疏C. 中心布桩方式图2 变刚度调平设计的一般方法2复合地基复合地基是指在地基处理过程中对天然地基中的部分土体进行增强、置换或在天然地基中设置加筋材料，加固区是由基体（天然地基土体或被改良的天然地基土体）和增强体两部分组成的人工地基。

针对复合地基，可以通过改变复合地基的置换率，从而调整复合地基刚度，控制地基最终沉降量。

如通过采用大直径混凝土灌注桩复合地基，来增加原应力集中区域的地基土刚度及承载能力，可以极大地改善地基性能，减少沉降差。

众多的工程实践表明，将复合地基与桩基础配合使用，尽心刚度调平，可以有效的利用桩间土的承载能力，将地基沉降差控制在较小范围内，能够很好地避免产生过大的底板内力，经济性良好。

3挤扩支盘桩挤扩支盘桩技术是在原普通灌注桩基础上增加设置承力盘或整理分支而形成的变截面灌注桩，又称为DX桩。

桩身由主桩、底盘、中盘、顶盘及数个分支所组成（图4）。

挤扩支盘桩通过在不同的桩身高度增加端承面积，充分利用桩身范围内各层土体的桩端承载力提高单桩承载，其承载力和刚度大大优于同等长度的普通灌注桩。

实践表明，采用挤扩支盘桩和普通混凝土灌注桩共同承担上部荷载，可以有效减少地基的不均匀沉降。

图3 挤扩支盘桩与普通灌注桩众多研究表明，挤扩支盘桩的荷载——沉降曲线为缓变形，表现出摩擦端承桩的特点。

同时由于承力盘和分支的存在，使得挤扩支盘桩的破坏形式与普通端承桩不同。

其在水平方向承载性能也尚未得到精确地验证。

4变刚度垫层由于天然地基基础的内力取决于地基反力的的大小，我们可以通过在基底设置变刚度垫层，人为地调整地基土刚度，调动基底反力重新分布，从而达到减少基础内力和沉降差的目的。

采用变刚度垫层进行刚度调平时，我们可以在基础边缘部位采用刚度较小的垫层（如松砂垫层），在中心部位采用刚度较大垫层（如素混凝土垫层）（图4）。

图4 变刚度垫层基底反力分布在变刚度垫层加载试验中，加载初期主要通过中心区的混凝土垫层作用于地基形成大致均匀的反力p c；荷载持续增加发生沉降，周围松砂垫层也同时压密，达到一定程度时全部底面开始参与承担后续荷载，形成大致均匀的反力p1，则混凝土垫层下的反力为p2=p c+p1=Rp1式中R为反力集中系数。

可以看出设有变刚度垫层时，基底反力明显向中部集中，而不再是如普通地基那样呈现外大内小的马鞍形分布。

这样的反力分布形式有利于沉降差的控制。

五.总结变刚度调平设计通过充分调动地基土的承载能力，消除马鞍形的地基反力分布，促使地基的剪、弯内力大幅减小，基础消耗的建材相应减少；刚度弱化区域采用采用复合桩基或者天然地基，分担地基作用，减少用桩量。

这充分证明变刚度调平设计是一种经济合理，安全可靠的地基基础设计方法，它的推广使用有利于我国经济建设发展。

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