可控刚度桩筏基础在某总部大楼应用分析

陈跃辉

(厦门合立道工程设计集团股份有限公司 福建厦门 361009)

1 工程及地质概况

某上市公司总部大楼，位于厦门市思明区前埔路与岭兜一路的开元工业园，建筑地上层数19层，地下层数3层，建筑物高度99.9m，采用框架剪力墙结构。建筑物鸟瞰图如图1所示，建筑平面图如图2所示。

图1 某总部大楼鸟瞰图

图2 建筑物平面图和剪力墙示意图

建筑场地勘探孔口地面标高18.95m～20.08m。孔口以下土层依次为:杂填土、粉质黏土、残积砾质粘性土、全风化花岗岩和砂砾状强风化花岗岩。场地各岩土层物理力学指标见表1。根据现场勘测，场地地质条件良好，典型地质剖面图如图3所示。

表1 主要地层物理力学性质

图3 典型地质剖面图

2 基础方案分析

该项目建筑物平面面积1100m2，作用在基础上的荷载效应标准组合值约为450 000kN，折算成基地压力为410kPa。根据地质勘探报告，地基土经修正后的承载力特征值为280kPa。因此该工程天然地基基础(筏板)不能满足要求。

该项目若采用预应力管桩，由于该项目有3层地下室，桩顶标高在自然地面16m以下，如果在自然地面压桩，送桩器最大送桩深度约12m，基坑开挖后会有4m左右的桩基冒出底板面，机械无法下到坑底进行土方开挖，靠人工挖土难度极大。如果自然地面取土4m～5m后再压桩，由于地下室面积较小，平面尺寸仅60×90m，地下室不具备放坡提供压桩机进出场的通道；且受支护桩的影响，压桩机无法贴近支护边，边桩无法施工。综上，受场地条件和施工条件限制，该工程桩基无法采用预应力管桩。

若采用冲孔灌注桩方案，为满足上部结构承载力要求，灌注桩桩径1300mm，平均桩长45m，单桩竖向承载力特征值8500kN，桩数达到72根，除工程造价显著上升外，还会造成施工工期的显著延长。

根据该项目工程地质条件，主楼基础底地基土为残积砾质粘性土，地基承载力特征值较高，初步估算经深宽修正后能达到280kPa以上。若地基土的承载力能充分发挥，将减少桩数30%左右，从而达到节省工程造价和缩短施工工期目的。

由于冲钻孔灌注桩为支承刚度较大的端承型桩，桩土支承刚度差异较大，若桩顶直接嵌入筏板中，则桩土共同作用无法实现，所以在桩顶设置专门研制的刚度调节器装置。该装置的作用，即当桩筏体系受到竖向荷载时，使筏板产生相对于桩顶的向下位移，以保证桩土的变形协调，使桩间土的承载力得到发挥[1-2]，其设计思路见图4。

图4 可控刚度桩筏基础设计示意图

3 可控刚度桩筏基础设计过程

可控刚度桩筏基础的设计过程，主要包括桩基数量的确定和刚度调节器刚度的设计取值[3-5]。其中，桩基数量按式(1)确定：

(1)

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为桩基承台和承台上土体自重标准值，对稳定的地下水位以下部分应扣除水的浮力；

n为桩基的数量；

Ac为承台底扣除桩基截面积的净面积，Ac=A-nAp，A为筏板基础的基底面积，Ap为桩基中单桩的截面积；

fa为经修正后地基土承载力特征值。

该工程竖向总荷载标准值为490 000kN,地基土有效面积Ac=1000m2，修正后地基土承载力特征值fa=280kPa。冲钻孔灌注桩桩端以砂砾状强风化花岗岩作为持力层，桩径1.2m，桩长约45m，其单桩承载力特征值约为6500kN，计算桩数不少于33根。

为保证局部承载力满足要求，尽量将桩布置在柱、墙等竖向传力构件下，该工程实际布桩44根，桩位平面布置图如图5所示。由于桩基数量大幅减少，可控刚度桩筏基础连同桩顶调节器的整体造价基本和预应力管桩的造价接近。

图5 可控刚度桩筏基础桩位布置图

桩土共同作用机理的关键是桩土协调变形，即当桩顶达到预定荷载后，由于桩基支承刚度较大，刚度调节器产生适当的压缩变形，来匹配地基土因分担荷载引起的变形，以保证桩土的变形协调，实现桩土共同分担上部结构荷载。基此，本文以桩土变形协调条件，根据地基土和桩各自分担荷载比例设置刚度调节器刚度。

(2)

式中：ξ为地基土分担上部荷载比例系数；

ζ为桩基础分担上部荷载比例系数；

Ac′为桩土共同作用时和单根桩共同作用的地基土的平均面积(m2)；

ks为地基土的刚度系数[6](kN/m3)；

kc为嵌岩桩和刚度调节器串联时的复合刚度(kN/m)，当基桩为嵌岩端承桩时，kc近似等于刚度调节器的支承刚度。

根据上文确定的基础方案，该工程桩基承担荷载220 000kN，计算得 ：ζ=0.55，ξ=0.45,Ac′=28。土的基床系数，根据现场试验结合当地经验，最终取为7000kN/m3。由式(2)求得刚度调节器支承刚度kc=160 363kN/m。考虑到适当降低调节器刚度有利于地基土承载力的充分发挥，经综合对比分析，最终该工程刚度调节器支承刚度kc取为150 000kN/m。

4 基础方案数值模拟及分析

采用MIDAS数值分析软件，对该项目的可控刚度桩筏基础方案进行模拟，同时与盈建科的计算结果进行对比，从桩筏基础的沉降及差异沉降、地基土应力、桩顶反力等方面对该方案进行分析，并在此基础上针对可控刚度桩筏基础方案中调节器刚度取值进行进一步优化与验证，确保方案可靠性。

4.1 参数选取及模型建立

该工程选用MIDAS有限元分析软件，有限元的计算区域取为70m×60m×60m(长×宽×高)。对计算区域内涉及的土体进行了三维精细建模。模型外边界采用侧向约束，底部采用全部约束，整体模型如图6所示。

图6 桩筏基础分析模型

模型中土体及筏板均采用实体单元，桩采用梁单元进行模拟，在梁单元上加点弹簧方式模拟可控刚度桩筏基础的受力过程。本次数值分析所用的岩土体物理力学指标如表2所示。为保证与筏板的实际工作性状接近，上部结构荷载均按照实际情况通过局部均布荷载输入。

表2 数值分析计算参数

4.2 基础整体沉降分析

在上部荷载作用下，计算得到可控刚度桩筏基础方案的基础沉降。沉降云图如图7所示。为方便将MIDAS和盈建科的计算结果进行对比，选取典型剖面进行分析，如图8所示。

图7 可控刚度桩筏基础沉降云图

图8 建筑物平面典型剖面图

可控刚度桩筏基础方案采用整体式筏板，基础沉降较为均匀，筏板整体沉降均表现出从核心筒向外扩散的趋势，且最小沉降点只出现在筏板边缘处。

采用MIDAS对基础沉降进行模拟分析，同时与盈建科计算结果进行对比，得到建筑物典型剖面的沉降结果，具体如图9所示。从图9可以看出，两者计算出的结果相近，筏板的平均沉降约为30.1mm，其中沉降最大值36.5mm，最小值18.9mm，差异沉降仅为17.6mm。

图9 基础沉降对比图

4.3 地基土反力分析

图10为可控刚度桩筏基础方案的地基土反力图。从图10中可知，在筏板宽度范围内两个软件算出的地基土反力趋势相同，地基土反力从筏板两侧向筏板中心逐渐增大，地基土承载力得到充分发挥。在该剖面内盈建科算出的地基土平均反力为230kPa，MIDAS算出的结果为235kPa，地基土承载力得到充分发挥。

图10 地基土反力图

4.4 桩顶反力分析

图11为典型剖面内可控刚度桩筏基础方案的桩顶反力图。从图11中可以看出，两个软件计算出的桩顶反力趋势总体一致，沿筏板宽度范围内呈现出“中间大、两边小”的趋势。由于上部结构荷载分布的差异性，基础以下桩顶反力也存在一定差异。具体表现为：核心筒下的桩受力较大，桩顶反力约为5000kN；筏板两侧受力较小，边桩桩顶反力约为4100kN，满足单桩竖向承载力特征值6500kN的要求。

图11 桩顶反力对比图

4.5 调节器刚度分析与验证

刚度调节器的刚度设计是可控刚度桩筏基础的关键。为了充分验证本文计算刚度调节装置支承刚度大小的合理性，并分析不同刚度调节器对桩筏基础整体受力性能的影响，本文针对刚度为120 000kN/m、150 000kN/m和180 000kN/m的3种调节器进行数值模拟分析。分析结果如图12～图13所示。

图12 土体竖向位移图

图13 筏板-地基土接触应力图

从图12土体竖向位移图中可以看出，地基土的竖向变形总体呈“中间变形大、两边变形小”趋势，且随着刚度调节器支承刚度的增加，桩基础分担的荷载相对增加，地基土分担的荷载相对减少，地基土的竖向变形越来越小。这也从侧面反映出适当减少刚度调节器的刚度，有利于地基土的承载力发挥。

从图13筏板-地基土的接触应力图中可以看出，当刚度调节器刚度设为180 000kN/m时，地基土承载力发挥最小，筏板以下地基土平均土压力只有211kPa；当刚度调节器刚度减少为150 000kN/m时，地基土承载力发挥程度得到提高，筏板下地基土平均土压力为235kPa；而当刚度调节器刚度减少为120 000kN/m时，地基土承载力发挥程度得到进一步提高，平均土压力为274kPa，局部地基土压力达到300kPa，超过计算假定280kPa的要求。综合考虑上述因素以及该项目实际布桩数量，该工程刚度调节器的支承刚度取值为150 000kN/m。

5 结论

(1)通过在桩顶设置合理刚度的刚度调节器，地基土的承载潜力可以得到充分发挥，桩基础的使用数量得到较大幅度减少，有效解决了大支承刚度桩的桩土共同作用难题。

(2)调节器支承刚度的大小，对桩筏基础的桩土荷载分担比例有重要影响，设计人员在具体计算时应根据工程的具体情况，合理选择具体的支承刚度大小。

(3)可控刚度桩筏基础，在充分利用地基土承载力的同时，能够兼顾控制基础的差异沉降，具有节约造价、缩短施工工期等优点。在底板下地基土为承载力较高且需要采用冲钻孔灌注桩的场地，具有较强的应用价值。