桩伴侣(变刚度调平桩)与竖向增强体有关负摩阻力、安全度、沉降特性等问题及探讨.doc

第28卷 第1期 张 三等. 排版格式与论文书写要求 13 桩伴侣（变刚度调平桩）与竖向增强体有关安全度、负摩阻力、沉降特性等问题的探讨*薛江炜1,2，葛忻声1，蔡景珞1,3，杨勇1(1.太原理工大学建筑工程学院，山西 太原 030024；2.太原市住房与城乡建设委员会，山西 太原；3. 华北科技学院土木工程系，北京)摘要：对高大钊教授提出的有关复合桩基安全度问题进行了回答，研究表明复合桩基、变刚度调平设计等技术沿袭常规桩基础的构造，在减小用桩量的同时影响到承载的安全度，给岩土工程师带来了道德风险和执业风险，同时探讨了桩伴侣（变刚度调平桩）上部持力层承载力充分发挥、下部持力层承载力充分保障、统一稳定的整体安全度、相对一致的个别安全系数、“止沉”和后期使用安全系数高的沉降特性，建议业内重视桩伴侣的研究和应用。关键词：复合桩基；安全度；变刚度调平设计；变刚度调平桩；桩伴侣；个别安全系数；止沉；风险；后期使用中图分类号：O 319.56 文献标识码：A 文章编号：10006915(2006)01000103THE DISSERTATION ABOUT SAFETY, FRICTIONAL RESISTANCE, SETTLING CHARACTER ON PILE PARTNER (VIRIABLE RIGIDITY PILE) AND ITS VERTICAL REINFORCEMENTXUE Jiang-wei1,2, GE Xin-sheng1, CAI Jingluo1,3, YANG Yong1(1. College of Architecture and Civil Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan, Shanxi, 030024, China; 2. Taiyuan Committee of Housing & Municipal and Rural Construction,Taiyuan,China; 3. Department of Civil Engineering, North China Institute of Science and Technology, Beijing, China;)Abstract：In this paper, answered the questions of Professer Gao Dazhao about the safety of composite pile foundation, study revealed that following conventional structure of pile foundation, composite pile foundation and variable rigidity design could cut down on piles but interfere with safety, and bring about moral hazard and practice risk, meanwhile, discussed the pile partner (variable rigidity pile) with its features that bringing out maximum in upper supporting layer potential of bearing capacity, bottom supporting layer providing sufficient security, stable general safety, relativly uniform individual safety coefficient, stop sinking and high later use safety coefficient, and more pile partners are expected.Key words：composite pile foundation; safety; variable rigidity design; variable rigidity pile; pile partner; individual security coefficient; stop sinking; risk; later use1 引 言2000年，高大钊教授在21世纪高层建筑基础工程一书中发表了高层建筑桩基础的安全度与可靠性评价1一文。在高教授的文章中，通过对沉降控制复合桩基安全度的分析，指出复合桩基安全度的变化规律，进而提出以下问题：（1）为什么桩先于地基土趋向于极限状态？在什么条件下可能出现相反的趋势？（2）在调用了地基土潜力的条件下，如何评价与控制复合桩基的整体安全度？如何选取整体安全系数的容许值？是取桩基础原来的安全系数容许值2.0，还是取天然地基的安全系数容许值2.5，还是取其他的控制值？（3）在研究复合桩基承载力极限状态设计时，如何评价与控制局部安全度？局部安全系数的物理概念是什么？（4）在复合桩基的沉降控制过程中，是否需要明确承载力控制的约束条件？在沉降与承载力，技术与经济之间如何进行优化？接着，高教授通过对建筑桩基技术规范2中复合桩基安全度的分析，指出其与沉降控制方法整体安全系数接近，但两者桩和地基土的局部安全系数都相差较大，认为关键是对地基土承载力发挥程度的假定不同所致，进而又提出了两个问题：（1）如果承台底土阻力确实能充分发挥，则传统的桩基设计方法的实际安全度比复合桩基控制的整体表观安全系数要大，那么复合桩基的安全系数仍取2是否意味着桩的实际安全度比传统的设计方法降低了？如果降低过多是否合适？因此，是否需要适当增大表观安全系数的容许值以控制实际安全度不致降低过多？（2）如果承台底土阻力不能充分发挥，那么实际安全度将低于表观安全系数，降低的程度与承台底土阻力的发挥程度有关，因此需要研究影响承台底土阻力发挥的条件以及承台底土发挥程度与实际安全度变化的关系。在没有确实的把握充分发挥承台底土阻力是，就不能完全考虑这一项的承载能力，否则将降低桩基础的实际安全度水准。是否需要在实际桩基工程的设计计算中考虑承台底土阻力的发挥程度？尽管复合桩基理论至今未能完善地解释上述问题，但已率先引入规范3并在工程实践中得到应用，本文试图用桩伴侣（变刚度调平桩）4567技术的理论体系来解释和定性回答高教授提出的上述问题，同时讨论以下两个问题：（1）桩伴侣（变刚度调平桩）“是以桩的负摩擦力来换取桩土的共同作用，即牺牲桩的承载力，相关研究工作存在方向性错误”？（2）桩伴侣（变刚度调平桩）竖向承载的基本思路是“以沉降量换承载力”，将上层土压密实必然导致体积减小，即沉降增大，沉降大还有工程意义吗？2 桩与地基土进入极限状态的次序为什么桩先于地基土趋向于极限状态？在什么条件下可能出现相反的趋势？前一个问题可由宰金珉教授提出的“塑性支承桩卸荷减沉桩”89概念来完整理解：复合桩基设计理论的核心概念10就是人为地令单桩工作荷载P接近或等于单桩的极限荷载Pu，也正是由于群桩中单桩工作至接近其极限状态, 才使得桩与承台最终有明确的承载分担。本文也尝试给出回答：这是由于桩（作用于下部持力层）与上层地基土（对应的也可称为上部持力层）到达极限状态时，两者所需达到的沉降量不同造成，上部持力层到达极限状态的沉降值比桩到达极限状态的沉降值大得多。在外力的作用下，地基基础发生沉降，较小的沉降量就使桩进入承载力极限状态，成为“塑性支承”；进一步施加外部作用，沉降继续加大，导致上层地基土后进入进入极限状态，产生类似于浅基础的整体剪切或局部剪切破坏，地基基础彻底破坏。按照常规设计，面积占95%左右的基底作用于上部持力层，只有在极端状况下才会发生最不利的整体剪切破坏，通常的表现只是土体受压后的密实度提高、沉降量增大；而其余面积占5%左右的基底通过刚性桩作用于下部持力层，承载力来自桩侧与下部地基土的物理摩擦、化学胶结（后压浆）和桩端（扩头或支盘）局部承压，受压面积小，类似于静压桩的沉桩机理，达到桩的极限荷载后将使桩端土产生冲剪破坏，伴随或先发生沿桩身土体的直接剪切破坏，所以，作用于下部持力层的刚性桩达到极限状态所对应的沉降量是很小的。为更好地回答后一个问题，本文引入一典型的复合地基沉降量-反力曲线示意，参见图1，图中桩的点荷载与土的面荷载折算为相同的量纲，为便于说明和理解反力的叠加，将常用的承载力-沉降量(P-S/Q-S)曲线的物理意义进行了适当调整，承载力即桩或土对上部荷载产生的反力，不同的沉降量对应相应的反力。不改变桩的数量等其他条件，仅仅调整桩与土的受荷次序，可进一步得到图2的沉降量-反力曲线。由于施工扰动、回弹、固结沉降等原因，地基土在不同程度上均存在反力滞后的情况，地基土与基础底板接触而无附加应力，脱离严重时甚至产生负摩阻力，更由于桩与上层地基土（上部持力层）两者所对应的沉降量不同，必然是桩先到达极限状态；但如果采取一些构造措施，比如桩顶或桩端预留沉降净空11 12，当该净空足够大，则可能出现相反的趋势，上层地基土先到达极限状态（限于以沉降量描述的极限状态，若以承载能力描述土的受压极限状态相对常规工程来说近乎无穷大）。桩端预留沉降净空12类似于桩端沉渣，施工和质量控制难度较大，应用桩伴侣则可以较为方便地实现桩顶预留沉降净空，更重要的是减小了上部持力层发生整体剪切破坏的风险。图1 复合桩基的沉降量-反力图Fig. 1 Settlement-Load curve of composite pile foundation图2 调整受荷次序的沉降量-反力图Fig. 2 Settlement-Load curve by adjusting bearing sequence3 承台底土阻力的发挥与负摩阻力桩间土的反力只有在桩进入非线性阶段才能比较明显的发挥作用，因此必须保证非突变的、渐进性的破坏状态，这在一些群桩模型试验的P-S曲线中得到了证实。但模型试验缩小了桩的尺寸，特别是桩的长度仅有0.5米14（宰金珉、蒋刚、王旭东等，2007）、2米（何颐华等15，1991；刘冬林、郑刚、刘金砺等16，1991）、4.5米17 (刘金砺,袁振隆，1987)，桩所处的位置类似于图318所示的A点，而在实际工程中，提供和促进桩承载力发挥的位置是在有足够埋深和较大围压的B点。(杨光华，2006)图3 相同垂直附加应力点的不同应力水平Fig.3 Different stress levels for the points with the same additional vertical stress文献19（葛忻声,白晓红,龚晓南，2008)基于一个应用复合桩基的高层建筑的工程实例，通过有限元对其整体建筑进行了随楼层荷载增加的三维非线性数值模拟，分析结果表明沿深度，在(5d10d)(d为桩体直径，d=0.6米，5d10d即3-6米 )段内，侧摩阻力的值很小；在(10d35d)内，侧摩阻力非线性递增；在(35d50d)内，侧摩阻力大幅度增加，而且桩下部的摩阻力远远大于上部的。因此认为桩体的承载力计算时不能考虑浅层(5d10d)段内的摩阻力。文献20（贺武斌,贾军刚,白晓红,谢康和，2002）四桩群桩的现场等比例实测数据(如图4所示)也证实4-6米（方桩边长0.4米，相当于10d15d）深度范围桩身侧摩阻力极小。图4 贺武斌等群桩实测的桩侧摩阻力分布Fig.2 lateral friction of pile by He Wubin,etc.文献20还进行单桩与带承台四桩群桩（Sa/d=4-5）的P-S曲线对比（图5），虽然群桩线性段并非像单桩那样有较明显的比例性，并确定承载力及群桩效率为1.227，但线型仍为为陡降型。值得注意的是承台下基土反力（图6）在最后的第三级与第四级荷载间产生了一个突然的放量增大，由100Kp左右突增到400Kp左右，土反力-沉降曲线（图7）也显示：群桩荷载超过极限荷载后，土体被更大程度地压缩，随着沉降的急速增大而土反力也急剧地增加，直至最后破坏。由于受压力盒的量程所限, 该试验没有得到其具体数值，但从频率计的读数可以定性地反映出土反力增加的剧烈程度。图5 贺武斌等实测的单桩和群桩P-S曲线对比Fig.5 P-S curve comparison between singled pile and pile group 图6 贺武斌等实测承台下基土反力分布Fig.6 Distribution of soil resistance under cushion cap图7 承台区土反力- 沉降曲线Fig.7 Soil resiatance-settlement curve in cap region文献21（黄绍铭,王迪民,裴捷等，1992）统计了18栋按沉降量控制的复合桩基建筑物施工期沉降，结构封顶时建筑物平均沉降量约为29 mm，当建筑物竣工时平均沉降量约为58 mm，增加1倍。注意图8中临近竣工时箭头所示的区段，荷载增加不多，但沉降速率明显增大。图8 黄绍铭等实测某六层楼沉降曲线Fig.8 Time-settlement curve by Huang Shaoming文献22（何颐华,金宝森，1990）实测箱形基础加摩擦群桩高层建筑层数-沉降曲线也有类似的情形，如图9箭头所示临近竣工的区段，从18层到20层，荷载仅增加了1/10，而沉降量却占到1-20层总沉降量的近一半，如果考虑到地基开挖后的回弹，这一比例还要更大。图9何颐华等实测箱基加摩擦群桩高层建筑层数-沉降曲线Fig.9 Layers-Settlement Curve of Box-Foundation with Friction Pile-Group for Highrise Buildings by He Yihua,etc上述引证，说明让承台底土阻力充分发挥并不是很容易的事，而且往往伴随着桩的突然失效（塑形支撑），给结构安全和正常使用带来不可测的因素。更进一步地，即便勉强将荷载分担到上部持力层，但无侧限下土的蠕变又可能会“自行卸载”，文献23（李韬,高大钊,顾国荣.2004）提供了上海宝山区一个采用沉降控制复合桩基的实际工程进行桩土反力和沉降的观测结果，沉降控制复合桩基的建筑物原位试验的结果表明，在整个施工加载过程和竣工之后沉降控制复合桩基的桩土荷载分担呈现出强烈的“时间效应”特点：一是土分担比的持续递减（图9），二是沉降量的长期发展（图10）。图9李韬等实测桩土荷载分担比随时间变化Fig.9 pile-soil load sharing percent time curve by Litao.ect图10 李韬等实测整体平均沉降量随时间变化Fig. 10 General average settlement time curve by Litao.ect于是，为了促使承台底土阻力的发挥，协调桩土的刚度变形，中国建科院黄锡龄、阎明礼等人通过实践创新，在全世界首创了褥垫层复合地基技术，尽管该技术有一些缺陷和不足24（郑俊杰,彭小荣，2003），此外还有反力被平均、提高了基础造价、过厚的褥垫发生局部剪切破坏的风险等等（笔者将另文探讨），但已得到了普遍的认可和应用。继褥垫之后，桩顶预留沉降、桩顶位移调节、以及本文的桩伴侣，以不同的形式、在不同程度上将土置于桩的上方，此时的“负摩擦力”类似于静压工艺的“抱压”（大吨位静压桩已全面取代“顶压”），增强了侧限约束较弱的上层地基土对桩的约束作用，从而使桩真正成为不必考虑抗剪受弯的“低承台”桩。负摩阻力是桩基础这一传统构造形式的致命缺陷之一，表现为桩与土变形刚度差异过大导致桩与土无法共同作用，其实质则反映了土对桩的真实约束状态。建筑工程的桩基础通常按照低承台桩基进行设计，默认桩周土对桩有足够的约束作用或者是桩不承受水平荷载，然而，对于淤泥、软弱土、吹填土等密实度不高或欠固结的土，这种“约束”却极其有限甚至有害，例如传递引起上海某13层楼房倒塌的“压力差”。如果仅仅从竖向增强体（桩）的自身的角度来看，其桩顶大约5米范围小到可以忽略的摩阻力“反水”了，传统的“拜桩教”很难接受；但如果从设置竖向增强体的目的和整个加载过程来分析，则完全错怪了协助上部持力层对桩施加“负摩擦力”的桩伴侣和桩伴侣们（褥垫、位移调节等）：加载初期，主要荷载均由上部持力层来承担，上部持力层被压缩向下沉降，而竖向增强体由于得到了下部持力层的良好嵌固几乎不沉降，相对的“向上刺入”产生了“负摩擦力”，此阶段可形象地描述为“上部持力层向下压桩，下部持力层一旁观战”；当加载至一定时期，上部持力层土的竖向应力水平大幅度提高，负摩阻力区也逐步减小，此阶段可形象地描述为“上部持力层战事吃紧，下部持力层开始驰援”；加载后期，上部持力层已被压密实，土的竖向应力水平提高趋缓，沉降速率明显趋缓，此阶段可形象地描述为“上部持力层与桩并肩，下部持力层从容保障”。4 复合地基安全度的“自由裁量”承台（作用于地基土）与群桩中各单桩几乎同时达到极限荷载的可能性微乎其微，因此，复合桩基的整体安全系数不应当由单独承担荷载的桩基安全系数与天然地基安全系数进行简单的加法运算得出。以图1的数据为例，如取桩与土的极限承载力均为700，对应于该极限值，桩与土的沉降分别是7与44；如果上部荷载为400，则桩的安全系数Kp与土的安全系数Ks均为1.75，复合桩基整体安全系数K=Kp+Ks=3.5。如果整体安全系数仅仅是桩与土安全系数的加法运算，那么，由于桩的数量等条件完全一样，仅仅改变了桩土的受荷次序，图2中桩与土分别延迟受力的两种情况的整体安全系数也都是3.5。然而，当荷载达到极限1400时，图2中工况1-3所对应的沉降值分别为31，43，62，由于沉降量是判定承载力的基本依据，沉降值不同则说明三种工况的极限承载力也应当不同，极限承载力不同则整体安全系数也不同，陷入矛盾之中。文献10（宰金珉，1995）详细计算并分析了复合桩基整体安全度K与天然地基承载力满足率、单桩极限承载力Pu的利用系数和天然地基承载力设计值f的利用系数为之间的关系： （1）其中天然地基承载力满足率的定义为：在式（1）的推导中，认为群桩极限承载力为常数，承载不足部分必由承台底土直接承担，于是绕开了土与桩各自的局部安全系数，直接得到了整体安全系数。但复合桩基群桩中的单桩工作至接近其极限状态，为防止突变、陡降式的沉降，对复合桩基的适用进行限制极其必要，最一般的是天然地基承载力满足率0.5的要求，此外，还应有6倍以上的桩距/桩径比、摩擦桩等等限制，即保证土与桩的承载能力处在大致相当的水平。但式（1）确定的安全系数却不是一个常数，、三个数中固定任何两个，变化另外一个都会导致K的变化。由于地基土的参与，复合桩基整体的承载力-沉降曲线出现明显拐点后不再持续陡降，而是能继续保持承担更大荷载的能力（类似于钢筋的强化，但钢筋强化阶段的应力仅作为强度储备），在利用“强化阶段”承载力的情况下，岩土工程师对于极限承载力的判定具有了很大的“自由裁量权”，也面临很大的道德风险和执业风险，尤其是对于在天然地基承载力满足条件下的“减小沉降桩”，这一概念使得复合桩基的整体安全度更加不确切。例如文献8（宰金珉，2001）中复合地基的例子，=140/115.3=1.21，只是在天然地基承载力充分满足而且有足够富裕的情况下的“锦上添花”。如果承载力满足，那么用桩量显然可以从天然地基的0到桩基础的计算用桩量之间任意调整，设计的安全系数或可靠度也可以任意调整，2+2=4是对的，2+2=0也是对的；更大的矛盾还在于相同用桩量的情况下，简单地改变桩与土承载力的发挥程度就能人为改变安全系数，而承载力的发挥程度却是随外力的改变处于不断地变化之中；在遭遇较大地震时，根据“松土振密、密土振松”的常识， 桩承台周围很难存在稳定的土层，最终的水平荷载几乎仍完全需要桩与地基土来承担，用桩量的变化还会对桩基的水平承载性能产生影响。中国建科院地基所刘金砺、高文生、邱明兵、迟铃泉25 26等人有关变刚度调平优化设计的一系列文章中，列举了类似的例子。通过调整桩的分布，达到调平基础底板的目的，并且通常提供了多个用桩数量的选择。薛江炜4将变刚度调平优化设计誉为地基处理领域王冠上的明珠，但对调平的最终结果持谨慎的怀疑态度，提出个别安全系数的概念。5 变刚度调平降低了个别安全度个别安全系数定义：群桩中的个别桩或个别区域作用的外部荷载与其所能承受的极限承载能力的比值，包括竖向和水平或其组合。导致场地中各区域的个别安全系数不同的根本原因在于荷载与反力的离散型，主要有以下几个方面：(1)上部结构荷载，包括竖向和水平荷载；(2)场地不均匀；(3)施工质量与工艺；(4)设计时各桩或区域安全系数不同。整体安全系数满足，但个别安全系数如果偏低，有可能发生局部个别区域的失效，进而导致反力重分布，引起连锁反应，导致更大区域甚至是整体的破坏，应当引起重视。在常规均匀布桩的情况下，随荷载与时间的增加，会出现边桩、角桩和外围地基土反力增大，而中桩和中心地基土反力减小的“马鞍形反力分布”，与此同时，又会产生与反力分配相反的周围沉降小、中心沉降大的“碟形沉降”。对于复合桩基来说，由于减小了用桩量，增大了沉降量，“碟形沉降”引起的上部结构和基础底板的次应力更加显著，从这个意义上说，变刚度调平优化设计是复合桩基应用和发展的必然选择。在变刚度调平优化设计中，往往是边、角桩的承载力得不到满足，于是变通为将核心筒外围设计为复合桩基，而核心筒仍然采用常规桩基。通过削弱边桩角桩、加强中桩固然使得基础底板（筏板）的沉降趋于均匀，然而在调平筏板沉降的同时，却极大地降低了边桩、角桩区域的个别安全系数。为了便于理解，可以拿一个生活中的例子来说明椅子，为了坐得稳当，椅子腿通常尽量放到椅子的外缘，以提供更大的抗倾覆弯矩，这是生活常识，极少数非常个性、并不实用的椅子才将椅子腿放在椅子的中间。在地震等偶然荷载的作用下，则可能产生瞬时的微小倾斜，如果边桩、角桩的局部承载力偏低，将使倾斜逐步累加，由于靠近中性区的中桩对于抵抗倾覆弯矩的作用很小，因此，削弱边桩、角桩极大地增大了发生整体倾覆的风险。利用桩伴侣技术来解决基础底板（筏板）调平则可以一举三得，而且非常方便：(1)可均匀布桩、甚至局部加强边桩、角桩，增大抵抗整体倾覆的能力；(2)在此基础上，适当调整桩顶与基础底板的距离，即边桩、角桩预留沉降大一些，中桩预留沉降小一些就可以实现变刚度调平；(3)桩伴侣还增大了基础底板的刚度。因此，带伴侣的桩也被称为“变刚度调平桩”。综上，本文认为：高大钊1教授提出的“在调用了地基土潜力的条件下，如何评价与控制复合桩基的整体安全度”的问题，在当前工程常规类似设计构造、施工工艺的条件下无正解，即使能够精确计算出与工程实际相符的沉降值，也无法准确判断出工程的实际安全度或极限状态，在不同的工程之间更无法横向比较其可靠度，或者建立相对统一的可靠指标；即使是在同一的工程内部，不同部位桩的个别安全系数也不同。6 桩伴侣安全度的评价当采取桩伴侣或其他构造措施使桩预留净空从而明确地基土的发挥程度，则可以使安全度的评价问题得到较好的解答。例如图2桩预留净空延迟受力的工况2，可将沉降量为35之前的变形视作对地基土的预压，预压荷载为施工阶段逐渐施加的上部结构，产生的应力即分担的荷载大约为500，之后桩开始参与工作，在承载能力迅速由500提高到1300的过程中沉降量仅增加5，这种荷载大量增大而沉降量却几乎不增加的状况可形象地称为“止沉”。“止沉”的思路减小了土承载时变形大的弊端，可最大限度地利用土的承载能力，又充分发挥了桩在线性工作阶段变形小的特点，使建筑物的后期使用阶段沉降很小。由于将前期地基土的沉降视作是上部结构的预压，而且预压固结之后承载力还能进一步提高，因此，评价带伴侣桩的整体安全度可只考虑桩的线性阶段，之后的“强度硬化”阶段承载力作为储备。对于图2中桩预留净空延迟受力的工况2，可将极限荷载取为1300，安全系数为2时带伴侣桩的承载力标准值为500+(1300-500)/2=900。相对于复合桩基来说，带伴侣的桩对于桩的类型、桩距桩径比等没有严格的限制，适用范围更广泛；需要说明的是图2桩预留净空延迟受力工况2的沉降-反力曲线并不光滑，是一种典型的端承桩的情形，实际工程中受桩端持力层、预留净空的大小、方式等影响，曲线将逐渐上移、有所平滑，特别是对于仅有极小预留净空（向上的刺入量）带褥垫层的复合地基，随着褥垫层的减薄或密实度增大，其沉降-反力曲线已趋于光滑。模仿复合地基，可以推导出桩伴侣整体承载力安全度：（1）记单桩承载力设计值P的利用系数为v（一般取0.8v0.9，当地基均匀、桩基施工质量好、离散性小、无软弱下卧层时，可考虑取大值，甚至可以取v=1）；天然地基极限承载力fu的利用系数为v（一般取0.8v0.9，当存在上部结构刚度差、造型怪异、赶工期、地基场地不均匀等可能导致不均匀沉降的情况，则取小值；当桩顶与基础底板（承台）未能留足缓冲空间，也取小值，反之则取大值）, 天然地基极限承载力fu约为2.5f，由于桩和伴侣对桩间土的加强作用，实际值大于2.5f；则桩数 n 确定如下： （2）式中，f 为经修正后的天然地基承载力设计值；A 为承台底总面积；Q为上部结构竖向力设计值 F和基础自重设计值及基础上土重标准值G 之和。式（2）的意义在于认为天然的上部持力层（或经过柔性桩、短桩、化学注浆等方法处理过的加强持力层）充分发挥且为常数（而且随着地基土固结还能不断增加），经过计算承载不足部分再由人造刚性桩传递到桩的底部，由下部持力层承担。天然地基极限承载力约为2.5f，因上部持力层的承载力已充分调动，而桩的承载力尚未完全发挥，无论距径比多少，均可忽略群桩效应增强或削弱的影响，n根桩的承载力设计值为nP，实际值可能略大于此值，人造基桩的安全系数为2，因此伴侣桩整体的极限承载Qu可合理地估计为： （3）式中， ，另有： （4）即：故整体承载力安全系数K为： （5）整理，有： （6）K与常用v、v、值的关系见表1。表1中阴影部分表示按照天然地基极限承载力即可满足，无需人造桩，但为改善上部持力层的性质，提高地基的可靠性，仍可设置适当的竖向增强体，类似于钢筋混凝土中最小配筋率的概念，结合上部的荷载和土的应力水平似乎可以有“最小配桩率”的要求，值得另文探讨。从表1可以看出，v和v均为0.8时，总体安全系数K恒为2.5；v和v均为0.9时，总体安全系数K恒为2.22；v和v均为1时，总体安全系数K恒为2；不断减小v，即确保下部持力层的稳定性，试算v所能达到的最大值，可促使天然地基极限承载力不断超越极限。土本质上是散体，在较大外荷载作用下，土体固结所形成的“结构”始终处在破坏与重塑之中，宏观表现为荷载-沉降曲线的非线性与荷载不变下的蠕变。在加载过程中，只要不是瞬间的冲剪，虚构的“土骨架”总能不断组织起对竖向荷载有效的抵抗。上部结构的施工和装修不是一蹴而就，近似于呈线性增长，利用上部荷载进行“预压”，增加上层土的密实度，从而可以充分利用上层土的承载力。且随着固结的完成，上层桩间土承载力也可得到进一步提高。因此，式（6）得到的伴侣桩的整体承载力安全系数K应为下限，随着土逐渐固结形成新的“结构”，安全系数还可大幅度提高。7 桩伴侣沉降计算初探从改善水平荷载下桩身的应力状态、提高水平承载能力方面来说，桩伴侣本应得到普及应用，但由于业内普遍存在的对建筑工程所谓“低承台桩基”承受水平、地震荷载上时的侥幸心理和麻痹大意，结果是抗水平荷载能力极低的管桩在滥用，而桩伴侣却无人问津。这样，精确简单的沉降计算方法成为桩伴侣技术得以拓展应用的关键因素，进而确定每一个桩（竖向增强体）与基础底板（承台）之间的合适距离。7.1 直接原位土压板试验确定平均沉降由于压板尺寸相对较小，影响深度有限，而实际基础尺寸较大，影响深度大，所以用原位土压板试验的结果推算传统筏板的承载力与沉降量可信度比较差，缺乏科学的理论推导，但直接将原位土压板试验用于桩与基础底板距离较远的伴侣桩却可能比较适用。这是因为伴侣桩对下部持力层承载资源的利用保守，下部持力层及其下卧层的沉降量极小，基本上可以忽略，桩（竖向增强体）保持不动，承载力的贡献主要来自常规原位土压板影响范围内的上部持力层，主要沉降也来自于上部持力层的压缩，达到设计荷载开始向下部持力层传递后沉降就很快停止，这样，原位土压板试验影响深度小的劣势反而成了优势（如图11所示）。图11 原位土压板试验Fig.11 Plate loading test文献27（杨光华，2008）介绍了依据原位压板试验曲线斜率计算地基沉降的方法，推导出直接计算整个基础沉降的公式： （7）按照这一公式，PPu时，S，该式意味着v较大时，沉降将出现陡降并且不可控，其实这是由于对压板试验简化假设为双曲线函数表示造成的，并不符合变刚度调平桩的实际情况，也不能用于变刚度调平桩的计算。考虑到静载荷试验的加载时间比实际工程施工的加载时间要短很多，特别是原位土压板试验时土会发生剪切破坏，沉降值将比采用实际工程施工的加载速度时要大；另外，较大的实际基础尺寸压力影响范围也较深，但由于对桩承载力发挥的限制，下部持力层的附加应为较小，较浅的上部持力层仍是主要沉降区。综合这两方面的因素，尺寸较小的伴侣桩或原位土压板沉降与尺寸较大的整个基础的极限沉降量将很接近，本文建议可以直接以原位土压板的沉降数值来估算伴侣桩静载荷试验的沉降数值，并进一步来估算整个地基的平均沉降，用各地区的工程经验进行修正。例如：对于常用的=0.8或=0.9，以及常用的=0.8或=0.9，从压板试验P-S曲线Pu所对应的沉降值Su可以直接得到变刚度调平桩的平均沉降值，即： （8）上式反映了在一定范围内，沉降S与单桩承载力设计值P的利用系数成反比，而与天然地基极限承载力fu的利用系数成正比。用式（8）计算沉降尚需要实践的检验，而且也存在理论上的缺陷，恳请业界高人修正完善。为提高测试的准确性，原位土压板试验的载荷板尺寸应当尽量大一些，特别是对于天然地基承载力满足率较大的情况，因为当按照下式计算总用桩量： （9）越大，则用桩量越小，桩间距也越大，每根桩所负担上部持力层“止沉”的面积也越大，上部持力层的压缩深度也越大，所以，原位土压板试验的载荷板尺寸应尽量接近预估的每个伴侣桩所负担的基底面积。7.2伴侣桩静载荷试验复核承载力和平均沉降设计伴侣桩时，可将式（8）得到的S确定为桩（竖向增强体）与基础底板（承台）的距离，桩顶上大幅度预留沉降净空或填充松散缓冲隔震材料，进行伴侣桩静载荷试验。伴侣桩的静载荷试验方法类似于复合地基的静载荷试验，可得到如图12所示的P-S曲线。伴侣桩的P-S曲线的沉降特性与常规地基不同，常规地基的曲线斜率通常是不断增大，对于有负摩阻力的桩基础的曲线还可能回缩，但变刚度调平桩的P-S曲线有两个明显的斜率拐点：第一拐点之前，与原位土基本重合，斜率逐渐增大，对应的第I阶段为原位土的预压阶段；从第一拐点开始，曲线斜率开始逐渐减小，到达第二拐点后，曲线斜率重新开始逐渐增大，第二拐点可作为确定伴侣桩承载力设计值的依据。图12 变刚度调平桩（伴侣桩）荷载-沉降曲线Fig.12 Load-settlement curve of variable rigidity pile (partner)原状土预压后，图12中III,IV阶段相当于复合桩基；II,III,IV阶段相当于复合地基；则II阶段可视作类似于复合地基褥垫层的作用。用文献27中“原位土任意曲线的切线模量法”进行计算，可复核直接原位土压板试验确定的平均沉降，由于伴侣桩的静载荷试验得到的P-S曲线中，包含了下部持力层的变形信息，所以用该曲线计算沉降有良好的精度。7.3变刚度调平桩的变刚度调平优化设计以“整体倾斜”极限状态计算各桩的桩顶标高以上沉降的计算仅是基于单个伴侣桩，未考虑筏板“马鞍形反力分布”与“碟形沉降”的特点。根据一些文献16，设置褥垫层，就可以减小筏板的差异沉降，可知伴侣桩基础底板的“碟形沉降”可能并不明显，但从群桩整体受力变形的角度，仍有必要进行变刚度调平优化设计，本文提出“整体倾斜”极限状态的概念，可做为变刚度调平桩变刚度调平优化设计的简易方法。“整体倾斜”极限状态，是指无论地基沉降多大，只要沉降均匀，就认为仍处于正常使用状态，只有差异沉降超过一定值，特别是建筑的整体倾斜角度达到影响正常使用和结构安全的某一限定值，地基基础才进入极限状态，这对具有“止沉”特性的伴侣桩是适用的。“整体倾斜”极限状态的判定还需要专门探讨，本文综合一些文献、规范和经验常识，将其取为千分之二，即0.2%（参看图13）。图13 “整体倾斜”极限状态Fig.13 ultimate state of “Overall tilting”如前文所述，由于下部持力层沉降所占比重很小，所以可将桩端平面视为一“等沉面”，或“不沉面”，当达到“整体倾斜”极限状态时，可计算得到距离基础底板形心O不同距离D的各点X与形心O沉降量的相对差值Sx，由由“整体倾斜”的对称性，可知，于是可以计算得到每个桩的桩顶标高。通过变刚度调平桩，边桩、角桩第一、第二拐点的位置都将向后延，设计荷载Q和沉降S都将有所增大，以适应筏板“马鞍形反力分布”与“碟形沉降”的特点，同时确保每个桩相对一致的个别安全系数。8 关于沉降特性的讨论总沉降大并不必然导致不均匀沉降量大，合理的时间-沉降量曲线特性比一味地减小沉降量更有意义。不妨引入后期使用安全系数的概念：定义：竣工时的沉降量与竣工后后期增加沉降量的比值为后期使用安全系数。引入这一概念主要是为了避免仅考虑竖向承载力却忽视由于地基土的长期蠕变而影响后期正常使用。仍以图2的三种工况为例，给定竣工后的荷载为700，装修使用后的荷载为900，三种工况在反力为700时的沉降量分别为4，36，5；反力为900时的沉降量分别为11，37，25；竣工后增加的沉降量分别为7，1，20；则三种工况后期使用安全系数分别为0.6，46，0.25。桩预留沉降的后期使用安全系数明显高于另外两种工况。省钱与保险是工程领域永恒的绿色主题，利用上层土的承载力，并不仅仅是简单的降低工程造价，而是为了建筑工程百年大计的本质安全。传统的桩基础设计，遇到吹填土、淤泥等软弱、密实度不高、欠固结的土，习惯性地依靠细长的桩穿过而解决，笔者将这种傻瓜化的不考虑桩土共同作用、不进行地基增强的方式称为“拜桩教”。“拜桩教”的效果是显而易见的，那就是对应于正常使用极限状态下的沉降量非常小，本文并不认同这种“沉降量小就是好”的观念。提一个并不十分准确的问题或比方：一个小球是放在碗的底部稳当还是放在碗的顶部稳当呢？这是物理学上的稳定平衡和不稳平衡问题。桩是细长的竖向增强体，桩所采用的材料通常是脆性的混凝土，其破坏模式通常是突然地向下冲剪，如果长细比过大，还有可能发生弯曲破坏，只有用非常高的安全系数弥补这种破坏的突然性才能保证工程有足够小的失效概率和足够大的可靠性，因此，“拜桩教”不应该是工程所追求的研究方向。通过调整桩伴侣（侣伴桩、伴侣桩）桩顶与基础底板（承台）的距离，可以得到具有“止沉”特性的沉降曲线，如果发生小量的不均匀沉降，则沉降大的部位桩的承载力就多发挥一些为地基土卸载，这就为利用上部荷载进行“预压”的地基土赢得固结重塑“土骨架”的环境和时间，而地基土中孔隙水压力得以充分的消散，土体得以固结，正是“比萨斜塔斜而不倒的数学奥秘28”。2011年11月04日浙江在线报道“玉环坎门渝汇蓝湾小区一幢18层高楼，在交付9个多月后出现不均匀沉降，整幢大楼一天内多次晃动，住户撤离。”玉环县建设规划局负责人通报专家组初步调查论证结果：造成该住宅楼严重不均匀沉降的原因，应为大楼桩基承载力不足引起的。综合本文的分析，如果一个大楼在“交付9个多月后才出现不均匀沉降”那么该大楼采用桩基础的可能性要大于采用复合地基的可能性，而采用伴侣桩则几乎不会发生，因为应用桩伴侣的建筑工程不能使用影响后期混凝土强度的早强剂，不能提前拆模板，不能养护不足就进行下一道工序，发生不均匀沉降在施工阶段就已纠偏，特别是后期使用安全系数充分保证。9 结 论（1）在一定程度上解决了精确计算沉降量的难题后，复合桩基、变刚度调平设计等技术得到了较大地研究、应用和发展，并进入了国家规范，然而，由于上述技术仍然沿袭常规桩基础的构造，在减小用桩量的同时不可避免地对竖向承载的安全系数产生影响，使该安全系数具有了可变性和任意性，给岩土工程师带来了很大的道德风险和执业风险。（2）地基基础的设计并非只有总的竖向承载力和筏板沉降内力两个控制因素，除此之外，对于后期使用、水平荷载以及个别部位的提前失效也应同步、统筹考虑，对此，桩伴侣（变刚度调平桩）所具有的上部持力层大幅度压缩承载力充分发挥、下部持力层有限受荷承载力充分保障、统一稳定的整体安全度、相对一致的个别安全系数、“止沉”和后期使用安全系数高的特性可能是个较优的选择，希望业内重视桩伴侣的研究和应用，欢迎批评指正。参考文献(References)：1 高大钊.高层建筑桩基础的安全度与可靠性评价C. 21世纪高层建筑基础工程/历佩栋,高大钊,钱力航主编.北京: 中国建材工业出版社,2000. 2中华人民共和国住房和城乡建设部. 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