剪力墙结构桩筏基础设计探讨

张咸昌 陈瑞生

(1.浙江绿城建筑设计有限公司 浙江杭州 310011；2.浙江大学工程师学院 浙江杭州 310027；3.浙江工业大学工程设计集团有限公司 浙江杭州 310014)

0 引言

基础是上部建筑物的根基，也是上部结构荷载的转换结构，基础设计可靠性直接影响建筑物的安全性。桩筏基础作为剪力墙结构下的常用基础形式，其设计的合理性直接关系基础设计的经济性及安全性。探讨桩筏设计中的问题及所采取的措施，为后续桩筏设计提供借鉴。

1 剪力墙结构下桩筏基础工程桩布置方式

传统的工程桩布置方式为桩间距满足规范设计要求，均匀布置于筏板下部，通过筏板刚度调节，使工程桩受力。对于该种布置方式，不考虑上部竖向构件布置及上部竖向构件轴力分布情况，一律均匀布置，施工定位放样比较有规律性，施工比较便利，桩基工程经济性则值得商榷。文献[1]提出采用柱墙下布桩方式，即“局部外强内弱”概念的布桩方式。下面利用PKPM-V4.1基础软件，分析该布桩方式能达到优化工程桩的原因，及该补桩方式的优点。

1.1 原因及优点

采用PKPMV4.1软件分析单柱轴力作用下的承台下桩底反力情况分析，柱上轴向力为28 000 kN,圆柱直径600 mm,混凝土等级为C30,桩径为800 mm,单桩承载力特征值为4000 kN，桩反力如图1所示，工程桩距竖向构件越近所受反力越大，离竖向构件越远，工程桩反力越小；工程桩离竖向构件越近，越能发挥工程桩的效能。通过图2沉降变化趋势同样能得出这个结论，距竖向构件越远所受力越小，沉降越少。选取承台为分析对象，如图3所示，承台在上部柱轴力和桩反力作用下达到平衡，F1、F2桩反力相当于作用在悬挑构件上，作用力距柱越远则承台变形越大，桩反力越小，桩承载力利用效率越低。为达到尽量利用桩承载力，则应尽量将桩布置于柱墙下。

图1 承台反力图 图2 承台沉降图 图3 承台受力图

由上可知，剪力墙结构下桩筏基础墙柱下布桩方法可采用如下方式：首先采用独立承台布置方式，使工程桩尽量靠近布置于竖向构件下，稍有不足处可通过筏板与周边竖向构件下工程桩调节达到平衡，然后根据建筑高度及水平荷载情况，在筏板周边调整补充一部分工程桩以使工程桩反力达到规范要求。该种布桩方式有如下优点：①增大工程桩承载力利用效率，优化工程桩数量；②上部荷载到地球的传递路径短，在筏板内产生的内力比较小；③可达到工程桩受力均匀，沉降均匀稳定；④上部竖向构件不会因为沉降差过大，导致上部结构产生比较大的内力；⑤可减少筏板厚度及减少筏板配筋。

1.2 项目实例比较

据文献[2-3]中所述，以桩筏基础总造价最低作为目标,其目标函数表述为：

Z=min(a1Z1+a2Z2)

(1)

式中Z表示桩筏基础的总造价;a1、a2:分别为筏板和桩基的价格系数;Z1、Z2:分别为筏板和桩基的材料用量;由式(1)可知，在筏板范围及厚度不变的情况下，可考虑优化筏板配筋及优化桩用量达到优化桩筏基础造价。

某安置房工程，地上32层，地下2层，采用剪力墙结构体系，抗震设防烈度为6°，风荷载标准值为0.6 kN/m2,为Ⅲ类场地土，桩筏基础,采用采用计算软件PKPM2010-V4.1进行比较。地质情况如下：

①杂填土，全场分布，厚度为 0.70 m～1.80 m；②粘土，分布广泛，厚度为 0.80 m～1.80 m，该层属中等偏高压缩性；③淤泥1，全场分布，厚度为16.00 m～20.8 m，属高压缩性土；④淤泥2，全场分布，厚度为 7.00 m～17.5 m，属高压缩性土；⑤粘土1，全场分布，厚度为 1.50 m～8.9 m，属中等压缩性土；⑥粘土2，全场分布，厚度为 18.50 m～28.0 m，属中等压缩性土；⑦含粘性土角砾，局部缺失，厚度为 1.20 m～5.40 m，属中等压缩性土；⑧粉质粘土，全场分布，厚度为 2.20 m～11.60 m，属中等压缩性土；⑨粉质粘土，全场分布，厚度为 8.10 m～19.50 m，属中等压缩性土；⑩含粘性土角砾，全场分布，厚度为 2.9 m～10.60 m，属中等压缩性土。典型地质剖面图如图4所示。

图4 典型地质剖面

根据地质报告建议，本单体采用钻孔灌注桩基础,选用含粘性土角砾作为持力层，桩径为800 mm,桩长为77 m，据报告参数计算后，单桩竖向承载力特征值为3400 kN。初始布桩方式为均匀桩间距布置方式，如图5所示，工程桩总数为109根，筏板最大弯矩为6489 kN·m。根据竖向构件及竖向构件轴力分布情况，调整工程桩桩间距采用不同桩距布置方式，优先布置于竖向构件下，如图6所示，工程桩总数为94根，筏板最大弯矩为5742 kN·m。通过式(1)进行经济性比较，相同筏板板厚情况下，图6工程桩距竖向构件较图5近，筏板弯矩较图5小，筏板钢筋用量不大于图5；相同桩径、桩长、桩配筋的情况下，图6工程桩桩数小于图5；后一种工程桩布置方式明显具有减少筏板内力、工程量更经济等优势。

图5 均布桩间距桩位布置

图6 非均布桩间距桩位布置

2 剪力墙结构桩筏基础中应注意角桩冲切计算

桩筏基础中角桩冲切计算是设计中往往容易忽略的问题。在设计过程中通常采用软件建模及计算，通过软件提供计算书，往往忽略对计算书进行复核，未对角桩冲切进行复核，为设计留下隐患。

案例为某安置房住宅小区，住宅最高层数为28层，筏板厚为1400 mm，单桩竖向承载力特征值为3000 kN。经市场上某通用软件冲切计算后，结果如图7所示，均能满足设计要求，左下角角桩冲切安全系数大于右侧工程桩冲切安全系数，明显异常，通常右侧工程桩的冲切锥体比左侧工程桩的冲切锥体要大，应该左侧工程桩冲切安全系数小于右侧工程桩冲切安全系数，软件冲切计算结果正好相反。通过软件调出计算书，左侧角部工程桩冲切锥体顶面线已进入竖向构件，存在问题；据《建筑地基基础设计规范》(GB 50007-2011)[4]中的图8.5.19-2，冲切线与水平夹角应是大于等于45°。《建筑桩基技术规范》(JGJ 94-2008)[5]中5.9.8.1条对a1x、a1y解释中可知，“当柱(墙)边或承台变阶处位于45。线以内时，则取由柱(墙)边或承台变阶处与桩内侧边缘边线为冲切锥体的锥线(规范中的5.9.8-1)”，如图9所示。

图7 软件中角桩冲切计算冲切线

图8 按规范角桩冲切计算冲切线

图9 规范中冲切锥体示意线(引自 JGJ 94-2008 图 5.9.8-1)

该两处均表示角桩冲切线应是大于等于45°。经手工复核，在冲切锥体顶面线按45°角位于竖向构件下时，应按规范调整为大于45°，顶面线应位于竖向构件边缘，如图8所示。图10为软件计算中存在的另一典型问题，图中顶面及底面冲切线在北侧是90°转弯，按图11冲切线明显要比图10短，因此，在实际冲切计算中，应按图11直接至筏板自由边。采用软件计算时，应对软件计算结构进行必要的复核才能保证结构安全。对桩冲切计算时，设计人员往往对规范理解不透彻，产生认为竖向构件位于冲切线内已安全，无须计算冲切的错误认识，盲目相信软件计算结果更是可能存在安全隐患。通过复核，上述角部工程桩与边桩冲切计算结果均未达到规范要求。通过调整桩位及局部加厚筏板厚达到规范要求。

图10 软件中角桩冲切计算冲切线

图11 按规范角桩冲切计算冲切线

3 剪力墙结构下桩筏基础筏板外挑距离应适宜

高层建筑往往受水平荷载比较大，在基础底部产生较大的整体弯矩，导致建筑对边墙(柱)所受竖向荷载比较大，相应边桩反力比较大，建筑短向边桩尤其明显。由《建筑桩基技术规范》(JGJ 94-2008)[5]5.1.1-2公式：

(2)

可知，边桩距桩群形心距离越大，边桩所受反力越小。采用筏板外挑适当距离方式，工程桩布置于边墙(柱)外侧一定距离，达到加大边桩至桩群形心距离，往往能产生比较好的经济效益，既能减少工程桩，又可充分使筏板受力，充分利用筏板的材料强度。在满足工程桩桩数的情况下，一般边桩与边墙(柱)的距离宜为一倍筏板厚。在合适的边桩与边墙(柱)距离情况下，使筏板底弯矩充分发挥筏板材料强度，利于配筋，减少工程桩反力。桩筏基础中边桩与边墙(柱)距离过大，未能将上部荷载以最短路径传递给地球，达不到荷载传递快捷高效目的，同时往往会在筏板底部产生较大的板底弯矩，不利筏板受力。

案例同样为上述所提安置房工程，采用PKPM2010-V4.1进行试算比较，不同外挑距离进行的计算结果，如图12～图13北侧Y向弯矩值所示。在加大外挑尺寸的情况下，Y向筏板底弯矩明显变大。因此，剪力墙结构下桩筏基础筏板外挑适当距离，可减少工程桩反力，优化筏板内力。外挑距离不宜过大，应以一倍筏板厚为宜，以充分发挥筏板混凝土冲切强度。

图12 筏板底Y向最大弯矩等值线图

图13 筏板底Y向最大弯矩等值线图

4 结语

(1)在进行剪力墙结构桩筏基础设计时，优先考虑工程桩布置于竖向构件下部或靠近竖向构件布置，达到以最小的路径将上部荷载传递给地球，高效便捷，提高工程桩利用效率，对工程桩受力，筏板内力及基础沉降均有较好的效果，同时可减少因基础沉降导致的结构次内力。

(2)对于剪力墙结构桩筏基础角桩、边桩冲切计算，应根据概念及规范要求进行必要的手工复核，以防出现安全隐患。

(3)对剪力墙结构桩筏基础边桩应考虑外挑一定距离，一般不大于筏板厚度，利于减少工程桩反力，优化工程桩布置，同时不应距离过大，否则导致筏板产生过大弯矩，影响筏板经济性。