浅析桩筏基础设计
李艳
【摘 要】桩筏基础在各种基础形式中整体性能较好，具有很大的刚度，其在提高竖向承载能力和调整不均匀沉降方面的作用十分显著，因此在高层建筑地基基础选型中被大量选用。规范要求桩筏基础设计均要满足桩基础和筏板基础的要求，由于上部结构形式和地基条件的差异性，目前国内外对桩筏基础的受力及沉降分析仍未形成系统统一的结论，对其优化方式也有不同的见解和结论。现就如何做好桩筏基础的设计与大家进行探讨。 【期刊名称】《建材与装饰》 【年(卷),期】2019(000)031 【总页数】2
【关键词】桩筏基础；优化设计；承载力；沉降
1 现状
基础设计概念理解不清，不能灵活应用规范，如对有地下水或地下水高的桩筏基础设计时均采用不考虑地基土对筏板的作用，全部采用桩承担上部荷载。在常规设计方法时把上部结构和基础作为两个独立单元分别考虑，在上部荷载作用下求得上部结构内力和基础反力，然后把反力作用在弹性地基的基础上计算基础的内力，这种设计方法没有考虑上部结构刚度对基础的作用，从而导致基础设计过于偏于保守。有的由于计算不当而使用了厚筏。高层建筑设计中，采用桩筏基础时，对于筏板厚度的采用往往争议较大。有采用很厚的，有采用较薄的。对于筏板厚度的确定，传统上是凭经验假定，然后再进行冲剪验算。这实际上说明目前在筏板厚度确定的问题上，并没有什么方法。由此难免造成当
前在高层建筑中的不少筏厚超过1.5m的，个别的厚度竟达4m的不合理现象。所以筏板减薄问题实际上是一个如何确定筏板厚度的问题，而不只是一个单纯的减薄问题。
2 桩筏基础优化设计
桩筏基础的工作性质，对常规设计（s/d=3～4情况）是基本上接近于在弹性地基上刚性基础的工作性质。由于上部结构和地基基础是一个整体，合理的桩筏基础设计应在分析上部结构、桩筏基础、土体共同作用的基础上，优化桩筏设计。桩筏基础优化设计又称为变刚度调平设计，广义的变刚度调平设计包括桩基及上部筏板的刚度调平，其最终目的是在满足一定的经济条件下，实现结构受力的最合理性，最大限度地减少上部结构由于差异沉降产生的次生内力。 2.1 优化设计基本原理
上部结构与桩筏基础共同作用的基本方程为：
式中：KB-上部结构边界刚度矩阵；K-基础结构（筏板）刚度矩阵；Ksp-桩土体系的刚度矩阵；U-节点位移矩阵；Q-结构体系所受外荷载。
从式（1）可以看出，控制桩筏基础的沉降可以通过调整左侧的结构总体刚度来实现，即下列三种方式：①调整上部结构刚度，即上式中的KB。②调整基础结构（筏板）的刚度，即上式中的K。③调整桩土体系的刚度，即上式中的刚度矩阵Ksp。
综上，变刚度调平设计的原理即是通过选取不同的方案调整上述刚度，来找到满足共同作用平衡方程的最优解答。由于上部结构体系选型的不确定性，所以一般都进行桩筏基础的优化研究来得到一些工程上比较有用的结论。 2.2 布桩方式的优化
在桩筏基础的实际设计过程中，往往简单地认为上部结构的荷载全部由桩来承担，桩将上部结构的荷载传到桩端受力性能较好的持力层上，不考虑筏板与桩间土的相互作用，将土的承载力作为“安全储备”。另外，在实际工程设计中大多采用筏下均匀布桩，且为等长、等直径桩，这种布桩方式虽然有利于后期的施工，但地基是一个完整的三维体，作用在某一点处的荷载在其余各点处也会产生位移，且由于群桩的相互作用使筏板下土体的应力场和位移场的叠加，形成中间部分沉降最大，角点沉降相对较小的“碗”形沉降。这种基础的差异变形将会造成上部结构产生次生内力，可能引起上部结构裂缝并影响其耐久性，同时会导致桩筏基础筏板中弯矩的增大，筏板设计厚度也相应上升，配筋量也大幅增加。对于一些特殊结构形式如筒体结构、筒中筒结构等，差异沉降将会严重影响到结构的正常使用和安全。基桩间的桩顶反力分布呈现角桩大、边桩次之、中心桩最小的马鞍形分布的特性，均匀布桩使基桩的承载能力也没有得到充分的利用，造成了材料的大量浪费，提高了工程造价。
近年来桩筏基础的设计理念由以控制受力为主转变为以控制沉降为主，从而出现了“外强内弱”与“内强外弱”的布桩方式。指出“外强内弱”与“内强外弱”的布桩方式各有其优缺点：“外强内弱”布桩减小了沉降量，但却增加了差异沉降和基础弯矩；而“内强外弱”布桩减小了差异沉降和基础弯矩，但沉降量略有增加。这一结论是在相同的地质条件下，通过改变桩长、桩径和桩距来实现“外强内弱”与“内强外弱”的模型来得到的。设计中基于桩体系总刚度不变的前提，进行强弱的分布调整研究更有说服力和理论依据。设计过程中适当加大桩间距，减少桩数，充分发挥筏板底的地基承载力是可行的。目前一般桩筏基础中减少桩数大有潜力可挖，桩数可以减少，而且应该减少，一般可