探究按沉降变形控制设计桩基础

林传增

摘要：本文首先介绍了沉降变形控制设计的重要性，然后探究了沉降变形控制设计的基本原理、方法及步骤，最后提出了目前沉降变形控制设计存在的问题。

关键词：沉降变形；桩基础；设计

中图分类号：[TU196.2] 文献标识码： A 文章编号：

1地基基础变形的特性

压力作用下土体积缩小的特性称为土的压缩性。建筑物受上部荷载作用而产生的地基基础的垂直压缩变形即为建筑物地基的沉降。可以看出，地基土产生压缩变形的根本原因是土具有较大的压缩性。施加荷载时土颗粒间的接触点增加，破坏了土体的结构，且卸载后形成的接触点不会完全消失造成了胶结性连接的破坏和结构的破坏的不可逆（即连接和结构是不能恢复的），因此土的压缩形变是非完全弹性的。通过对土体进行侧限压缩试验，进行多次加载与卸载后，可得如图1示的变形曲线，A曲线表示加荷再卸荷后可恢复的变形，称为弹性变形，B曲线表示加荷再卸荷后未被恢复的变形，称为残余变形（又称塑性变形）。从图中可以看出，此残余变形即为土受压后减少的孔隙卸荷后不能完全恢复的部分，由此说明了土的压縮具有不可逆性。

图1土的变形曲线

因此地基基础变形的不可逆性要求我们要非常重视基础的沉降。

2沉降变形控制设计的基本原理

沉降变形控制桩设计方法是承台下的地基土与桩共同承担荷载，且根据在沉降控制的要求计算确定用桩数量的方法，它是一种大桩距的低承台摩擦桩基。承台的作用：传递外荷载至桩顶上与承台下的地基土上，以此来保证基础的整体稳定性；桩的作用：除承担部分外荷载外还起减少和控制沉降的作用，且此为主要作用。沉降控制设计方法的基本原理是根据建筑物允许产生一定的沉降量的观点，利用桩间土的承载能力，通过减少一部分桩数，使单桩承受的荷载超过承载力设计值，保证承台与其下土体接触良好，最大程度的发挥筏板（承台）的承载作用。如果基础的沉降量过大，可调整桩的数量使基础的沉降量控制在相关规范要求的范围内。该方法的关键是根据建筑物得沉降控制要求来确定桩数和沉降的关系。

对于桩和承台共同承担外荷载分配比例的问题(承载力大小问题)具有多方面的影响因素，包括：桩顶荷载、桩端持力层土体的性质、桩间距、荷载作用时间等等。就目前的沉降控制设计来说，一般都应用于软土地区，也即其桩端持力层土体不会十分坚硬。因此，主要看一下影响桩和承台共同承担外荷载的其他三个因素。

1）桩顶荷载

当桩顶荷载较小时，外荷载大部分由桩来承担，承台几乎不分担荷载，随着桩顶荷载的增加，当桩达到极限承载能力时，承台进一歩发挥其承载能力，当桩顶荷载增加到超过单桩极限承载力之和时，桩承担的荷载为单桩极限承载力之和，承台承担剩余的荷载。

2）桩间距

承台分担的外荷载的大小随着桩间距的增大而增大。当桩间距达到5倍桩径以上时，承台下的地基土与桩可近似的看作各自可以充分独立的发挥承载能力。沉降控制桩总的极限承载力可看作单桩的极限承载力总和加上承台底地基土的极限承载力，单桩的极限承载力与承台底地基土的极限承载力按桩土刚度进行分配。

3）荷载作用时间

一般情况下，在外荷载施加的初期，承台下的地基土与桩按照刚度原则来分担外荷载，此时的承台具有较大的相对刚度，承台相对来说要承担较大一部分的荷载。随着外荷载的施加，桩和承台承担的荷载逐渐传递到土中，并且产生了附加应力，加速了土体的固结沉降，由此导致承台下地基土承担的荷载逐渐向桩转移。因此可以看出，桩与承台下地基土承担的外荷载的关系是随着荷载作用的时间来变化的。沉降控制设计最重要的环节就是确定桩数和沉降的关系。根据规范要求的容许沉降量来确定实际工程中所需要的桩数。

3沉降变形控制设计的方法与步骤

3.1选择桩型

首先按照桩身质量较为可靠的混凝土桩进行桩型的选择。对于桩长的选择尽量使桩端穿过压缩性较高的土层，最终使得持力层落于压缩性相对较低的土层。对于桩身截面的选取，应按照按桩身强度确定的单桩承载力和按地基土对桩的承载力二者相匹配的原则来确定，以此来确保桩身的承载力可以得到充分的发挥。同时，桩长可根据沉降控制要求进行调整。

3.2确定承台

1）首先假定外荷载全部由承台来承担，由此确定承台的底面积：

A =（Fk+Gk）/µcfa

式中，Fk为荷载效应标准组合下作用于承台顶面的竖向力；Gk为荷载效应标准组合下承台及其上土重的标准值；fa为深度修正后地基承载力特征值；µc为承台效应系数（一般大于0.6，对于筏形承台取1.0)。

2）其次可按照上部建筑的重心与承台底面的形心相重合的基本原则来初歩确定承台底面的布置。

3）承台的计算按《建筑桩基技术规范》（JGJ94-2008)中详细的规定。对于桩筏底板反力的计算应根据上部建筑物的刚度、地质资料等情况综合考虑。在沉降控制设计中，承台与桩所承担的外荷载的关系是随着外荷载加载的时间而变化的，因此在实际计算中可以按经验的方法近似取全部外荷载的50%。可采用PKPM系列中的JCCAD来计算桩筏基础底板的反力，且在计算中可按地基基础与上部结构共同作用的模式对基础进行计算。

3.3确定桩数与沉降的关系

沉降量的计算方法包括:①当外荷载小于但桩极限承载力总和时，假定桩承担全部外荷载，且沉降量为桩端到压缩层的下限间土层受压产生的沉降量；②当外荷载大于各桩承担的极限承载力之和时，假定桩始终承担极限承载力可承担的荷载，承台部分则承担剩余部分的荷载，此时沉降控制设计的沉降量为从承台底到压缩层下限之间的土层受压缩所产生的沉降量。

对于桩数的确定分两种一种是根据承载力确定，一种是根据桩数与沉降的关系来确定。

①根据承载力确定桩数

根据确定的承台的底面积来确定桩数，且桩基承载力满足下式要求：

Fk+Gk≤nRa+µcfaA

由此可得桩数：n≥（Fk+Gk-µcfaA）/Ra

②根据桩数与沉降的关系确定桩数

首先假定布置不同的桩数来计算沉降量，求得沉降与桩数的关系，根据规范规定的容许沉降量来确定最终的用桩数量。一般可将桩数分为以下三种情况来分别计算桩数与沉降的关系：

a.假定不设置桩基，即桩数为零时，计算沉降量；b.假定外荷载全部由桩来承担，及按常规方法来确定用桩数量，计算沉降量；C.假定按照常规方法确定用桩数量的1/3来确定用桩数量，计算沉降量。对于中间的桩数可以近似按线性插值法来进行沉降量的估算，得到合理的桩数与沉降的关系，确定最终的桩数，且进行桩位的平面布置。然后再进行整体承载力和沉降量的验算，若不满足，则需重新选择承台等重复上述歩骤。

但是第一种桩数的确定方法还是按强度控制来确定桩数，未体现沉降控制的原则，所以常用第二种方法来确定桩数。

3.4承载力的计算

极限承载力的确定：Pu≥nQu+ηcfuA

按照安全系数取值为2来考虑，承载力特征值可按下式来确定：

R=Ra+ηcfaAc

式中，Qu为单桩极限承载力；fu为考虑基础实际埋深的软土地基极限承载力；A为承台总面积；Ac为单一桩基对应的承台面积。

4沉降变形控制设计目前存在的问题

目前的桩基沉降计算还存在着诸多问题，如地基土物理力学性质中的有关计算参数(弹性模量、变形模量、压缩模量和泊松比等）的取值的正确性和准确性；地基非均质、非连续、非线性性质，需采用数值方法进行分析；地基最终沉降量的计算以弹性力学为基础，假设地基为无侧限连续线弹性体，没有考虑深基坑支护结构的侧限作用和对基坑底的回弹变形影响；对于沉降计算时用弹性理论得到的解析解是按照半无限平面或者空间体地基而得来的，但实际上地基的压缩层按有限的深度计算，因此必然会导致计算结果的误差较大。

对基础沉降问题而言，理论计算值和工程实测值的结果具有很大的差值。传统的桩基础设计方法在国内的研究己经较多，且已进入实际性应用阶段，对于理论上的研究也较成熟。但就目前而言，沉降控制设计这一课题的研究尚处于初歩阶段，还有大量的理论及技术问题有待于进行深入研究，例如目前一般还局限于仅对多层房屋基础的讨论，且国内外的学者只将研究局限于在地基强度保证的情况下的讨论。以变形控制为基础的设计思想和以强度承载力为基础的设计思想是不一样的，以变形控制为基础的设计不仅适用于多层或小高层，且可以适用于高层的桩基础设计。目前以强度为前提的常规桩基设计方法和充分利用桩极限承载力的沉降控制桩设计方法是桩基设计中的两种极端做法，前者针对于承载力的极限状态问题并按照承载力极限状态设计，后者针对于正常使用的极限状态问题并按正常使用极限状态的要求设计。构筑未来以沉降控制为基础的桩基设计理论体系的基本要求应是对沉降要求不同的建筑物的基础采用不同变形状态下的桩基。

5结语

沉降变形控制设计桩基础是基础设计的重要原则。当以力学性质不同的地层为同一结构单元的基础持力层时，在满足强度要求的前提下，应通过合理的结构措施控制基础的不均匀沉降变形，使其满足规范要求，以保证结构安全。

参考文献

[1]陈祥福.沉降计算理论及工程实例[M].北京：科学出版社，2005.

[2]建筑桩基技术规范（JGJ94-2008)[S].北京：中国建筑I：业出版社，2008.

[3陈仲颐，叶书麟.基础工程学[M].北京：中国建筑工业出版社，2010.