地基基础设计思考与实践-桩变刚度调平设计

1、Word文档 地基基础设计思考与实践桩变刚度调平设计 一：前述 假如桩的承载力足够高，就可以一柱一桩，承台取消，柱筋直接锚入桩体（地基规范8.5.3第10条）。大部分单桩承载力不满意设计要求，需要做多桩承台，承台如扁担那样转换产生弯矩和剪力。桩距集中荷载越近，承台弯矩、剪力等越小，需要的断面越小。所以桩布置的原则是在满意规范最小间距要求下间距越小越好。 桩筏基础也是这个道理，假如上部荷载直接通过柱下局部承台的一组桩（特例时一柱一桩）或墙下条状承台一几排桩满意设计要求时，这样连接承台之间的所谓的筏板（不受桩基的反力）就可以很薄，以构造掌握，对于有地下水浮力来说，成为纯粹防水板了。 当桩的承载力比

2、较小，总桩数比较多，按最小桩基要求即使尽量布置在结构竖向构件的四周也占了整个筏板基础的一多半时，这时候再执着的要求桩集中布置意义就不大了，不若按整个筏板匀称布桩，设计和施工都简洁。但圆满的是实际工程中，许多工程师把它当成了桩筏基础应当的布置方法而忘了布桩的基本原则。 二：桩筏基础设计的故事 伴侣是一家大设计院的某民建设计所所长（结构出身），给我讲了一个关于桩筏基础设计的故事，为了描述形象，以我来叙述： 我部门聘请了一个985土木系讨论生，小伙子基本概念清晰，也很勤奋。工作2年后，部门支配他做一个带地下室的20层的混凝土剪力墙住宅项目，基础为钢筋混凝土灌注桩筏基础，他布桩方案采纳匀称布方案，因桩

3、承载力较高，桩间距很大。经计算，底板厚度约1.3米。 我给他讲应当优先考虑单排布置的墙下布桩，对个别墙体荷载较大时，可2排甚至三排、个别的电梯交通部位竖向很大时可成组布桩，筏板局部可加厚，这样大部分的筏板基础就可以薄一些了。 他貌似虚心的说：我阅历不多，但我了解的桩筏基础应当都是匀称布桩的呀，没有你这样布置的。言外之意是你虽然是一注，在管理岗位多年了都不会做设计了。还说已经询问了院总工，总工也认为他的方案是没问题的。 总工是一位四十多岁工作多年的中年妇女（一注结构）。我客气的向她请教，她说当然桩筏都是匀称布置的呀！并鄙夷的看着我，似乎是说这事还用问，你的一注咋过关的？ 我无语了，也不便利进行理

4、论。我把小伙子单独叫到办公室，给他搬规范（筏基规范6.4.2第4条；地基规范3.3.3第3条）找资料，讲解布桩的基本受力原则，找参考图纸对小伙子进行概念培训。 不愧是985的高材生，他接受力量极快，立刻理解了我的意思，回去改好了图纸。采纳了墙下条形承台（洞口处不布桩、电梯井筒处楼梯间垂直荷载较大的地方成组布桩），承台高800，非承台处厚300。 我说很好，方案很合理，但300的筏板太薄了，干脆统一做成800得了。 他说，筏板不受力，我们的水位才1.5米高，不存在整体抗浮，只存在构件抗浮（概念很清晰，心里暗赞），已经算过了，构造300厚和构造配筋满意1.0吨的抗浮要求，干嘛做800厚呢？太铺张了

5、。 我气的都无语了，苦笑道：你原来做1300厚振振有词，现在300厚理由也很充分，两头有理呀。 他脸红了，笑着说：钟总，我原来的概念不对，现在明白了，我觉的这样设计一点问题也没有，桩和承台担当上部荷载，筏板不受力只受浮力。 我说：从受力平衡上是这样，但你考虑过桩基压缩沉降变形后是筏板的受力状态吗？ 他一愣，陷入思索中。过了一会儿他说：钟总，我好像有点明白了。单纯从受力来说，我的设计和理解没有问题。但是任何基础都有压缩变形，当压缩变形时，承台会带着筏板一块下沉，这样筏板除了承受水浮力，还要分担上部荷载。分担多少很难说清晰，但肯定在零均布荷载之间，对桩基来说因变形很小，分担的就少，对自然地基来说，

6、变形就大，分担的就多，最极端的状况就是均布荷载。 即使自然地基，硬土相对与软土来说因变形很小，所以反力较集中在柱四周，反之就集中成小波浪的形态。荷载越集中，筏板内力越小，反之就越大。 北京院的单独基础加防水板的做法加泡沫架空层也是这样的道理，假如是岩石的地基，不加泡沫也没问题，但假如地基比较软，不加泡沫但按防水板设计的就可能存在问题了。 他接着说： 设计不能只考虑受力平衡，也要考虑变形协调。假假如我们能够算出地基的变形也就可以得出内力分布了，这样在设计桩和筏板岂不是更精确吗？ 我暗暗佩服，不愧是985的高材生，悟性真高。 我顺势引导着他说：惋惜呀，地基的变数太多了。我们总是盼望能考虑上部、基础

7、和地基的刚度共同作用，算出精确的地基变形和内力分布进行基础的配筋设计。上部结构相对好算准，但地基咋算的准呢。再精确的计算手段在模糊的地勘数据面前也是白搭，所以这时候概念就很重要。 比如你设计的设计理念是桩基依据力的平衡，桩受上部荷载、筏板抗浮。 这种理念单纯从平安角度可能没问题，但是从使用角度可能存在问题，比如桩基沉降时，防水板也分担了地基的反力，在桩基还远远达到承载特征值的状况下，防水板已经开裂破坏了，漏水了。虽然结构平安没有问题，大不了我们把防水板重新做一下，但这不符合正常使用也不行。 可考虑一部分桩基的荷载分给筏板（桩荷载不减）来计算筏板，比如我按均做800的板厚就是这样考虑的，虽然算不

8、清，但我用实践阅历和概念来保证我的方案是平安与经济的。 他说：嗯，钟总你说的对，我听你的。 我说：我考你个问题，你回去思索一下。同样材料同样断面的的钢拉索长度不一样时，那个受拉承载力高呢？ 他不加思考的说：你是想考我脑际急转弯吧，当然是一样的了。 我说：这可不是脑筋急转弯，别焦急回答，回去思索一下。 其次天，他又来到我办公室，说： 钟总，假如我们都按上部荷载来布桩，从理论上筏板就可以不受力了，那点压缩变形带来的应力分布，总比平均布置的反力小多了，这样就可以大大削减基础筏板的内力了。那么框筒结构，筒的荷载比周边框架大的多，桩应当在内筒多布置。我觉的这是个很好的设计理念。 我问他：你知道什么是桩变

9、刚度调平设计吗？ 不知道！ 你这就是变刚度调平设计，规范有明确规定。 这还需要特地规定吗？本身就应当这样设计呀。 我苦笑了一下：心里想：你真行，见点阳关就绚烂！ 他接着说： 你说的那个钢拉索的问题,我：。 这个住宅项目规模很大，甲方托付了三家设计院，另外两家的都是采纳的匀称布桩的厚筏板基础，配筋也很大，而我们做的比他们的省多了，后来甲方的老总（也是结构出身）请我吃饭说，你设计的我一看概念就是对的，你们院设计的十几栋房子能给我们节省上千万，不过我们就是要快，一平米卖好几万也不在乎这点钢筋水泥。 想一想这都是十几年前的事了，那时候的设计真幸福呀！ 三：变刚度调平设计 上部结构的荷载在地基土中的分布

10、与竖向受压构件的布置有关，假如竖向构件直接放在地基土上，结构无法承受地基土的巨大的沉降。故需通过基础承载面积（独基、筏板）的扩大分散上部竖向构件的荷载匀称的地基土中，从而削减地基的沉降，这样却增加了基础的造价。假如地基足够硬，比如岩石时，结构的柱子直接锚如岩石，无需做基础了，但大部分状况不是这样幸运。 自然地基我们无法掌握地基土的分布，但假如人工地基像桩基、复合地基、地基处理等，按上部荷载来确定人工地基的刚度的分布，这样就可以削减基础的内力甚至可以不用做基础，比如大直径的一柱一桩，对桩基来说这个理念就是桩基的变刚度调平设计。 概念并不简单，故事里的小伙子自己就可以悟出来。 单独承台的设计必定如

11、此（按上部构件的荷载分别布置桩），一般的框架和剪力墙的高层的筏基也应当这种理念。 作为高层的框筒结构是特别有必要单独列出来强调要变刚度调平设计的，由于这种结构形式其交通核心的部位主要是密集厚重的钢筋混凝土抗剪筒体，其自重是周边框剪的1.52.0倍，上部荷载严峻不匀称（分布不匀称，但建筑重心与形心是重合的，重心与形心或刚心不重合时是上部结构抗震扭转问题，而地基关注的是竖向荷载分布），所以规范在讲到变刚度调平设计时主要指的是框筒结构。 1：调平设计的原理不用多说了，上面的故事已经说的很清晰了。举一个例子。 我审图的一个150米高层的的框筒结构，地质还不错，采纳的是CFG桩复合地基。原设计单位匀称布

12、桩，基础底板后2.5米。核心筒巨大的荷载压向筏板并下沉，周边的筏板沉降很小，所以筏板像扁担一样挑着中间的筒体，我好像听到扁担被折断时的咔嚓的声音。 我后来提出来应当变刚度调平设计，设计单位不情愿改图，后来甲方特地组织专家会议才解决这个问题。 设计修改采纳了框筒做加密加长桩的复合地基方案，基础厚度削减到1500，配筋构造就基本够了。我又仿佛感觉到大力士承扛着大麻袋，小家伙轻轻松松的扛着小口袋。 2：桩基规范关于变刚度调平的条文说明特别详尽，为了避开读者再翻阅规范，故摘抄出来，并依据自己的理解增加备注。 笔者注：上部结构的刚度会使原来荷载匀称（地基假设也匀称）的高层结构的地基反力成马鞍型分布，减小

13、了地基的沉降，但局部弯矩端部大于中部弯矩和马鞍型的反力分布相对应。见下图 这是以上部结构产生次应力做代价的。 为什么匀称的荷载和地基会产生不匀称的地基反力呢？这是由于地基土受压时的相互影响（布氏解应力分布可以揭示这一点），中部受到四周的影响沉降最大，而边缘尤其角部影响相对很小，沉降也会小，但刚性的上部结构强迫（用自身的刚度迫使）地基沉降趋同，所以必需赐予边缘的压力大于中部。 核心筒结构的布桩应为下面的（b）（c）图。 笔者注：均布荷载作用在匀称的自然地基上，其沉降分布肯定是内大外小的碟形。但对于桩基应当和自然地基区分开来，不能混在一块说，简单产生误会。系列（九）说过，桩的受力和地基土的受力原理

14、不同，虽然群桩效应下的桩土共同作用，但随着桩间距的加大，这种影响渐渐变小，尤其对于端承桩，这种相互作用甚至不存在。换句话说，桩更像是单独作用的弹簧，和温克尔的基床系数的概念接近。桩土之间的相互作用比自然地基土相对小多了，即使发生蝶形的变形，其碟子的深度也浅的多。 个人理解：对于在对于上部荷载比较匀称的建筑，无需按规范条文说明的下图布置桩。在布置桩时，可以简洁的按上部荷载的大小来布置，无需考虑上部结构与基础的共同作用。 形状法规但荷载分布明显不匀称的是框筒结构，内部筒体的重力荷载往往是边缘框架的1.52.0倍，所以有必要按该荷载进行布桩。理论上按上部重力荷载来布置桩可以完全避开上部结构的次应力,

15、甚至基础的内力为零。 有些人按自然地基马鞍型（外侧地基反力大，内部反力小）的地基反力去进行布桩，会出大问题，原来边柱上部荷载比内柱小约一倍，反而布桩外面多，弄巧成拙。为什么地基反力大，而不能多布桩呢？（不是上部荷载大） 地基反力大，并非地基内部土的应力大，是由于它位于建筑的边缘，受到的影响小。而中部的地基上部结构给于地基土的外部荷载并不大，但他受到的周边的地基的影响大（布式解），因而地基土的应力叠加后比周边的大，所以变形就大。这和上部结构的受力是不一样的，心里要清晰。 筏板受力是边缘大，内部小，基础底板配筋要按这个地基反力分布计算。所以筏板基础的配筋和桩基的布置正相反。 我最近审图的一个南方某

16、省一个20多层框剪办公项目，上部荷载很法规匀称，采纳的是CFG匀称布桩复合地基，甲方请的优化专家要求CFG复合地基布桩周边多，内部少，还说我们不懂地基反力的马鞍形分布原理。这些专家就是犯了这个错误。 一遇到简单的地基基础，规范就给出三者的共同作用就万事大吉了，但地勘给出地基和桩的本构关系是模糊不清的时候，再精确的计算手段都没有意义（参考可以），所以地基基础（桩基）变形与力的关系的概念设计就是特别重要的了。 3、变刚度调平中的规范条文说明中的试验数据如下： 笔者注：该试验边桩比中间桩的受力大1.8倍，同样我们不必担忧边桩的沉降，担忧的恰恰是中间桩的沉降反而更大，同自然地基类似，这就是中间加长桩的缘由