刚性桩复合地基筏板基础非均匀布桩的探讨

关键词：刚性桩复合地基；筏板基础 

　　引言：刚性桩复合地基承载力高、变形小、比传统桩基经济。高层建筑应用刚性桩复合地基时的基础形式以筏板基础为主。此时，传统的设计方法是在整个筏板基础的范围内均匀布置刚性桩。所谓的均匀是指桩的间距和直径都相等，桩的长度以桩端持力层埋深确定，大致相同。此方法设计计算简单，为广大结构工程师所接受。为此，出现了非均匀布桩。本文对刚性桩复合地基筏板基础非均匀布桩做了有益的探讨。 

　　1.复合地基的概念 

　　复合地基是在天然地基中设置一定比例的增强体，并由天然土和增强体（习惯上称桩）共同承担基础传来的上部结构的荷载，属于人工地基的范畴。在基础下设置一定厚度的褥垫层，桩可以向上刺入，垫层材料不断调整补充到桩间土上，以保证任一荷载下桩和土是始终参与工作的。设计时可以改变褥垫层的厚度来调整桩土的荷载分担比。这是复合地基的形成条件和工作原理。 

　　2.均匀布桩与非均匀布桩的优缺点 

　　刚性桩复合地基筏板基础采用均匀布桩是目前工程界的主要形式。其好处是整个基础下桩同一间距，面积置换率是一个定值。易于计算复合地基的承载力特征值，复合承载力的检测也便于操作。均匀布桩主要存在以下问题：（1）当桩的间距较大时（大于3d），荷载的分担传递路径长，不利于力的传递。（2）基底反力变化大，远离竖向构件的桩顶反力小，桩的承载力不能充分利用。靠近竖向构件的桩顶反力大，有可能大于桩的允许承载力，导致桩身压溃或发生刺入破坏。（3）验算竖向构件对筏板的冲切时，进入冲切破坏锥体范围内的桩数有限，不能充分利桩反力来抗冲切。导致由冲切控制的筏板厚度大，相应筏板配筋也很大，不经济。 

　　非均匀布桩是以改善地基反力分布、调平地基基础的差异变形、减少基础内力和配筋为目的的布桩方式，是在基础范围内采用多种面积置换率组合的布桩方式。可以将桩按一定条件集中在竖向构件附近布置，可以在荷载较大的区域采用较密的桩距或者是较长的桩长。按照力的“就近传递原则”改变基础区域内的面积置换率，这种改变可以是变桩距的，可以是变桩长的，还可以是变桩径的，或者是三者的相互组合。 

　　3.非均匀布桩的理论依据 

　　刚性桩复合地基是通过褥垫层与基础连接，无论桩端落在一般的土层还是坚硬的土层或者是岩层，均可保证桩间土参与分担荷载。承载力设计时，首先是将天然土的承载力充分利用，不足的部分由桩来承担。这就是我们所熟悉的复合地基“桩加土”原理。非均匀布桩就是根据此原理，通过改变桩的布置充分利用桩的承载力来分担荷载。 

　　筏板基础在竖向荷载大的区域，沉降变形大，且板的负弯矩也大，在这些地方集中布桩（或适当增加桩数），也即增加此处的地基刚度；反之，其余区域则不布置桩（或者少布置桩）。把荷载结合变形进行基础的变刚度调平布桩，这就是基础设计的变刚度调平原则。通过对基础差异变形的调平之后，筏板能够减薄1/3以上，用钢量甚至减少超过2/3。变刚度的实现可以采用变桩距、变桩径、变桩长以及布桩和不布桩。 

　　4.非均匀布桩的两种方式及计算方法 

　　第一种布桩方式：荷载作用区域（竖向构件）集中布桩，其他区域不布桩。当采用均匀布桩时，根据承载力计算所需的桩间距大于3 d时，可采用此布桩方式。一般适用于复合地基承载力提高不是很大，上部结构墙柱的轴力分布比较均匀的情况。这种布桩方式有两种计算方法。第一，在桩的承载力确定的情况下，先选定一种最小的桩距反推出复合地基的面积置换率（此时为最大值），然后按独立基础进行设计，确定每根竖向构件下的桩数和布置。最后，将所确定的独立基础联合起来形成筏板基础，桩的位置不变。此种计算方法所需的桩数要比均匀布桩的数量要多，原因是非荷载作用区域下的天然土承载力没有被利用，只是作为安全储备。此计算方法不建议采用，下面重点介绍第二种计算方法。第二，在桩的承载力确定的情况下，计算出均匀布桩的面积置换率m均，那么每根墙柱下的桩数： 

　　n=Nk/fspk/（A p/m均） （4-1） 

　　其中：Nk为墙柱的最大轴力标准值 

　　fspk为均匀布桩时的复合地基承载力特征值 

　　A p是单桩的桩身截面积 

　　（A p/m均）的工程意义是单根刚性桩所分担的复合地基处理面积。 

　　桩数确定下来以后，按最小的间距例如3d（或按工程实际情况确定，允许小于此值）集中布置在墙柱边向外扩出2.5倍筏板厚度范围内。此处的数值2.5可理解为独立基础的高宽比，也即在此范围可以保证墙柱轴力的有效扩散与传递。 

　　第二种布桩方式：荷载作用大的核心区域（或为某一轴力比较大的墙柱）采用高置换率布桩，周边区域采用中低置换率布桩。当采用均匀布桩时，根据承载力计算所需的桩间距在3～5d的范围内，并且存在某一荷载作用很大的区域时，可采用此布桩方式。特别适用于框架―剪力墙结构和框架―核心筒结构。根据面积置换率的变化所采用的措施又可以细化成以下3种布桩型式：a.核心区域采用大直径的刚性桩，b.核心区域采用相对较长的桩长，c.核心区域采用较密的桩间距。假定上部结构总的轴力标准值为Nk总，核心区域总的轴力标准值为Nk核，那么周边区域的复合地基承载力特征值： 

　　fspk1=（Nk总-Nk核）/（A-A核） （4-2） 

　　其中：A为整块筏板基础的基底面积 

　　A核为核心区域墙柱下的反力面积，其大小等于墙柱边向外扩出2.5倍筏板厚 

　　度范围内的面积（数值2.5的意义同上第一种布桩方式） 

　　相应地核心区域的复合地基承载力特征值为： 

　　fspk2= Nk核/ A核。 （4-3） 

　　两种不同的复合地基承载力特征确定下来后，就可以按以下公式反算出不同区域的面积置换率m周和m核。 

　　fspk=λmRa/Ap+β（1-m） fsk （4-4） 

　　不同的面积置换率确定以后，接下来的问题就是如何去实现该面积置换率。根据非均匀布桩的基本原则，两个区域可以采用不同的桩间距，或者是不同的桩径和桩长，或者是三者的相互组合。如何选择应根据具体工程，具体的地质条件确定。 

　　由以上的介绍可知，第一种布桩方式的关键是确定每一墙柱下的桩数；第二种布桩方式的关键是确定不同布桩区域的面积置换率。 

　　5.非均匀布桩下的筏板基础内力计算的软件实现 

　　PKPM基础设计软件JCCAD可实现带桩复合地基的计算。桩位可以由dwg文件导入，操作方便实用，桩可以按混凝土灌注桩输入。计算时可考虑上部结构的共同作用。新版计算软件还增加了复合地基变形计算方法，采用复合模量法计算，并给出复合地基沉降计算经验系数表格。计算时必需采用带桩模型，以反映有桩区域与无桩区域的反力区别。此区别会影响筏板基础的内力计算。 

　　6.结论 

　　综上所述，刚性桩复合地基筏板基础采用以变刚度调平为依据的非均匀布桩比传统均匀布桩具有优越性，体现在有效减少基础差异沉降，减小筏板内力、配筋值。可节约基础工程造价，提高设计单位的竞争力，应优先采用。