控制沉降为设计目标的减少沉降桩基础之研究

QimStar同济启明星软件·SCPFv3.0用户使用指南2000年1月137附录一控制沉降为设计目标的减少沉降桩基础之研究98’上海科技论坛活动之一:桩基设计新思路“以沉降量为控制指标的复合桩基设计学术研讨会”大会特邀报告杨敏（同济大学地下建筑与工程系，上海200092）提要减少沉降桩基础是现代桩土相互作用理论研究的重要成果之一，是建立在桩土相互作用理论基础上以控制沉降变形为设计原则的一种新型基础形式，本文简要介绍了减少沉降桩基础的发展和设计方法，提出了设计建议，并指出了有待进一步研究的问题。关键词减少沉降桩桩土相互作用沉降一.引言减少沉降桩基础是指按控制地基沉降的原则设计的桩基础，也即在设计时由基础的沉降控制值来确定桩数和桩长。减少沉降桩基础目前在工程界也往往被称为沉降控制复合桩基、以沉降量为控制指标的复合桩基或疏桩基础，在国外称为Creeppilefoundation，有时也称为Frictionpilefoundation，Piledraftfoundation，等等。减少沉降桩基础是现代桩土相互作用理论研究的重要成果之一。众所周知，在实际工程中设计采用桩基础的原因不外乎有二个：或是因为地基承载力不够，需要国家教委跨世纪优秀人才基金、国家教委优秀青年教师基金和上海市科技启明星计划资助QimStar同济启明星软件·SCPFv3.0用户使用指南2000年1月138采用桩将上部结构荷载传到深层土或支撑于坚硬持力层，或是因为地基土将会发生较大的沉降变形，需要采用桩来减少沉降。因此，合理和恰当的桩基础设计应根据采用桩基的目的不同而分三种不同的情况处理：1)所有荷载由桩承担;2)桩和筏板基础分担上部结构荷载，桩既要承担荷载同时也起到减少沉降变形的作用;3)桩用于减少或控制沉降，基础的承载力主要由基础板承担。然而，目前的桩基础设计理论都是建立在满足承载力的基础上的，也即在桩基础设计时均按上述第一种情况处理，完全由上部结构荷载来确定桩数和桩长。显然，对于由于沉降过大而设计采用桩基础的情况来说，采用这种传统的桩基础设计方法是过于保守的，造成了过高的基础工程费用，并且在设计概念上也不甚明确。减少沉降桩基础就是以沉降控制为基础并在设计方法上也有别于上述常规桩基础的一项新型技术和基础型式，可用于天然地基强度能满足设计荷载要求但沉降却过大的情况下的地基基础设计，即在桩基础设计时按上述的第三种情况处理。二.减少沉降桩基础的研究及发展1977年英国Burland教授等学者根据桩土相互作用理论的研究指出，对于天然地基的强度能满足设计荷载要求但沉降却过大的情况，可以采用少量的桩用于减少基础沉降变形。1979年Hooper教授根据有限元的模拟分析，指出为了建立竖向刚度较大的桩土混合地基而需要的桩数并不多，桩数的进一步增加对减少最大沉降和差异沉降的作用非常小。七、八十年代英国建筑研究所（BRE)对桩筏基础进行了一系列现场实测试验、室内模型试验和理论研究，1986年R.W.Cooke总结了他对伦敦硬土地区高层建筑桩基础研究的几十年成果，认为按照目前强度控制的桩基常规设计方法设计的桩基础的实际的安全系数要远大于设计中所取的2或3，并且指出，“在桩基础纯粹用来减少基础沉降的地方，均质土中模型桩的试验表明，在桩间距为4倍桩径时再加入更多的桩并不能显著地减少沉降。试验结果和简单的分析方法均表明，6倍桩径或8倍桩径的桩间距几乎与小桩径时一样有效”。进入八十年代后各国学者加强了对桩土相互作用课题的研究，并进行了QimStar同济启明星软件·SCPFv3.0用户使用指南2000年1月139大量的工程实践探索，取得了大量的研究成果。上述采用少量的桩以减少基础沉降的理论观点至今已被发展成减少沉降桩技术。八十年代初在瑞典进行了大量有关减少沉降桩基础的理论和现场试验的系统研究，并由J&W设计顾问所提出了CreepPile（屈服桩、或称蠕变形桩）的设计概念和方法，在瑞典得到了应用。其设计基本原则是：最大限度地充分发挥桩的承载能力，使桩的安全系数等于1。提出的设计方法为：Ｑb＝ｑruＡb＋Ｐi(i=1…m)式中，Ｑb为建筑物总重量，Ａb为建筑物基底面积，m为桩数，Ｐi为第i桩的屈服荷载，按土长期抗剪强度计算的桩破坏荷载计算（设计时取折减系数0.8)，ｑru为在不产生大沉降的情况下允许施加的最大基底荷载值。1980年澳大利亚著名学者H.G.Poulos教授根据筏-桩-土相互作用的分析提出了仅用于减少沉降桩基础的沉降计算公式：g=RGPA1+0.946(Pw-PA)(1-2)/BE式中，g为基础沉降，1为单桩在单位荷载下的沉降，PA是各桩的极限承载力之和，RG是群桩沉降与承担相同总荷载的单桩沉降之比，Pw是工作荷载。在上式中，当PAPw时，PA换成Pw，Pw换成PA，由于减少沉降桩基础所具有的巨大经济效益，减少沉降桩在我国比在国外得到了更大的重视，进行了更多的工程实践。早在1979年我国著名岩土工程前辈童翊湘先生基于群桩基础工作机理的分析，提出了分不同情况按沉降设计桩基的初步想法，例如，“当容许建筑物产生较多下沉，仅由天然地基不足而采用桩基时，可令土与桩共同承担外荷载，土的许可压力可用2-3T/m2,余下的荷载由桩承受，每支桩可发挥其极限承载力Pu，同时应验算整个桩基的整体强度；在估算桩基下沉量时，要考虑土与桩两者共同传来的应力”。八十年代中后期上海民用建筑设计院黄绍铭等人在所提出的以Geddes应力解为基础的桩基沉降计算方法的基础上，提出减少沉降量桩基的设计思想和方法，并开始进行了工程实践尝试。1991年在“减少沉降量桩基的设计与初步实践”（第六届全国土力学及基础工程学术会议论文集）一文中将其研究进行了总结，认为减少沉降量桩基实质上是以变形控制为原则、考虑桩与承台共同作用、介于天然地基上浅基础与桩基之间的一种基础形式，基础的极限荷载Pu和基础沉降Sg分别可按下列公式计算：QimStar同济启明星软件·SCPFv3.0用户使用指南2000年1月140Pu=n(Psu+Ppu)+RdFSg=zg,iHi/Es,i(i=1,m)式中，为修正系数，在软土中可近似取1.0；Psu、Ppu分别为单桩桩侧极限阻力和桩端极限阻力；Rd、F分别为承台底埋深处地基土极限承载力和承台底面积；m为从桩端算起的压缩层深度范围内土体分层数；zg,i为第ｉ层土的竖向应力平均值，由桩基中的群桩所承担的荷载在土中产生的应力和承台所承担的荷载在土中产生的应力所累加；Hi和Es,i为第ｉ层土的厚度及其相应的压缩模量。从八十年代初开始同济大学展开了桩土相互作用课题的研究。1988年杨敏等在“上海地区桩箱基础的沉降与整体倾斜分析”（工程勘察，1988年第4期）一文中讨论了在目前的桩基础设计中减少桩数节约工程造价的问题，指出“对于由沉降控制而确定用桩数量的桩箱基础来说，如果建筑物对沉降并不特别敏感，则在地基强度能够满足的情况下，减少用桩数量，基础的沉降虽有增加，也不会引起建筑物发生使用上的困难”，并于1989年开始在上海的多层和小高层建筑物的基础设计中应用减少沉降桩的概念进行了实际工程的应用实践，为交流和推动减少沉降桩基础的发展，1996年9月又在同济大学召开了我国首次“软土地基变形控制设计理论和工程实践学术讨论会”，较明确提出了在岩土工程中按变形控制设计桩基础和基坑支护结构的问题。1992年南京建筑工程学院宰金珉教授提出了复合桩基的设计方法，并将“复合桩基”定义为系按大桩距（5-6桩径及其以上）布置的低承台摩擦群桩或端承作用较小的端承摩擦桩与承台底土体共同承载的桩基础。在总体安全度K2和总沉降小于容许沉降的双重控制下，单桩近似取用极限承载力，对于给定的基底面积A和总荷载Q，当地基承载力设计值为f的天然地基的承载力满足率=fA/Q0.5时，桩数ｎ确定如下：ｎ＝（Ｑ－ｆＡ）／（Ｐｕ）式中,为基底土承载力利用系数，一般取小于0.5;为桩承载力利用系数，一般取小于0.8-0.9。此外，九十年代初浙江温州市建筑设计院管自立工程师基于充分利用温州地区浅埋硬土层良好承载力的考虑，提出了疏桩基础的设计思想，提出对由传统桩基设计所确定的桩的数量和间距进行精减与疏布。相对于传统的桩基设计法，管自立定义疏桩率为：QimStar同济启明星软件·SCPFv3.0用户使用指南2000年1月141=（n桩-n疏)/n桩管自立认为，在饱和软土地基中，地基土对桩的容量存在一个“最佳桩容量”，对应于这个“最佳桩容量”时的建筑物沉降为最小，但就目前由于还处于推广疏桩基础的阶段，他建议疏桩率以控制在30%-45%为宜。但应该指出，管自立提出的疏桩与前面所述的减少沉降桩并不完全一样，疏桩的设计目的主要是着眼于利用浅层硬土层的承载力，而后者是指完全按照沉降控制的原则确定桩数，从理论上来说不存在可以预先确定的“疏桩率”。显然，减少沉降桩基础所具有的控制沉降性态是桩土相互作用体系内各桩及土相互作用的结果，因此按沉降控制设计桩基础的理论和方法必须充分考虑桩—筏—土系统内的相互作用问题，使桩数、桩长和基础板的设计与实际土的性态与分布及基础的沉降和稳定等要素直接联系起来。1997年杨敏根据近似的桩土相互作用弹塑性分析从机理上讨论了桩数变化对基底下地基土中应力场的影响问题，如图1～2，从中发现，桩数的多少直接影响基础板以下的地基土中的应力场，从而将导致不同桩数时有不同的沉降结果，这与我们传统的实体深基础模型中所采用的基本假定是完全不同的。-69.00-60.38-51.75-43.13-34.50-25.88-17.25-8.630.00-69.00-60.38-51.75-43.13-34.50-25.88-17.25-8.630.001.206.8012.4018.0023.6029.2034.8040.4046.0051.601.206.8012.4018.0023.6029.2034.8040.4046.0051.60303636424248485454606066666672727272787878788484849090909096图1基底下地基土中的附加应力等值线(N=50)QimStar同济启明星软件·SCPFv3.0用户使用指南2000年1月142-69.00-60.38-51.75-43.13-34.50-25.88-17.25-8.630.00-69.00-60.38-51.75-43.13-34.50-25.88-17.25-8.630.001.206.8012.4018.0023.6029.2034.8040.4046.0051.601.206.8012.4018.0023.6029.2034.8040.4046.0051.6042423636363642424242484848485454545460606060666666667272727278787884图2基底下地基土中的附加应力等值线(N=276)减少沉降桩这项新型基础形式和地基处理技术在我国的上海和温州等地区已得到较广泛的工程应用，至目前设计建造的多层建筑物已超过数百万平方米，1994年上海市地方标准《地基处理技术规范》（DBJ－40－94）也已将减少沉降桩基础列入其中，取名为“沉降控制复合桩基”，并根据至今所取得的科研成果和工程应用情况，对使用减少沉降桩基础的范围等进行了必要的规定和建议如下：“第12.1.1条沉降控制复合桩基是指桩与承台共同承担外荷载、按沉降要求确定用桩数量的低承台摩擦桩基，目前上海地区沉降控制复合桩基中的桩，宜采用桩身截面边长250mm、长细比在80左右的预制混凝土小桩。第12.1.2沉降控制复合桩基主要适用于较深厚软弱地基上、以沉降控制为主的八层以下多层建筑物。”减少沉降桩基础的优点主要有：1)充分利用和发挥了桩对控制基础沉降的能力；2)桩可按单桩极限承载力设计，使桩的承载能力得到充分的发挥；3)减少了用桩数量，与常规桩设计方法相比，一般可减少用桩数量30％以上，大大降低了基础的工程造价，并