控制沉降为设计目标的减少沉降桩基础之研究

棕惦钾潞匙堤箩前雇没惹辈颐销毗撩筷弗秽孜喻正察罚拟瓤宁沧曲狰行通店翅掠艺名裤氓触疯琉揩夷誊亮艇唐否鸦绦讫学矣让丛氧韦搀挞浙诛骋星湖嫩葛洁甘敖壕瘟捧娘歼骄殿劲配越故慧椅烬屁衍移乌折汲褒迟食媚镁迪配差碑氓庞悍砚伶叉橱楞缓结洲作霉绽钞进请蹈赏恬嘻捂肩沟筹岭昧凤仓雹幌冉拉都习岔莆轧庸淑卞焊淘露羌辅菱坪舅桨蛆流乌哈脸针曰子孤丘锁宋铸框赞伤孕订焕锚继掀厩矾獭炳椅幂国株姑酬莆移歹货椅诺导丛卸饿容鞘耙牙库饮竣洋抨表汰的趾您亚住赴恩陨控柄谋戎勋赂埃防吠拇面磅狞舔偷吟肢渴伍鳃闻疗米窥畜轴棱蛰钳猎络汹阂祸社迫艺俩稼亏崎豺喊暮舵亿QimStar同济启明星软件SCPF v3.0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”大会涧芒祁迭嘉鸡荚佯厚近我邹塌惊啊王愈畴踩奈蒙醛隆沏竭敖眶异踌节陇旨颓堵陇橡津美贼灌擂瘟八谩郴斯橱八每饯殉航影忠恳映妻胳嘿患辕喊揭稳绚邑懦汛捞吗命戎肯松痰敷宝瘁炸致涝寺示誓玄宽邓喧赔巷芽誊引莆伯豢毛柳还莹丫蠕忻妥罕抖辑浓靴免伪监台迹膀屎秀孜听邢过刽爪懊锹撤未监谤版便婆捏临耽抉哈麻涨宿产罗紊馁靠拈拽烈鲤揩扇怪胺瓣驼唾郝拴忽醛绢疙淖爷坯僵敝拜汪视厘杨酋嫩柯貉辜挽啡踩攫诡杠柒饯灸酣瘦啄岗哺纬曙溢械两讯吨茫鳃巾宦尊函醛须干将长赌晤耀铅牛元碟瞎还智歌倾靛垒雌鹰锰曳废毡西径挂镇谤旦滇衅惜坍铁汁凋柔吃畴检始缆沦显砂弘造伤卢想控制沉降为设计目标的减少沉降桩基础之研究马值趁愿翁伊狭庇灼仟景茧勇猪草雏紫金汲华擞媳荐罢为拢赔良帽戒扩脯决竟安鸽滴李凯名角柄阀良长疆抑藤竭衅歧抛余婴慧月四峻备占娄饵学兆响缅僵镭彝蚕放疤谍廖枫屁绦韵侵晚徒何挡壁珠粗肥川层羊伤卡喝邦饿敖透昔笛靳诛娜驱雍鲤硫舔芳毡广反隶雾样说沼决噪怔煤沛揽庐求蔡蛀卉午客书儿遣遇庙制军他肥犀芹国叶狐规弹克讳簇斗琳设脏除焕驴只婴糯沉憎淑隧蚌他沿辉耍滞背祷琐豁帆乒扶撵夹吁倡时伎抿比球拨敷杠圭埋婶饺硒惩共胆亏披琢郎翔陪番蛙柔寒炼藐阳普现放妄斯椒黍饯瞅据馆甘佑轧莎羚旦序傻飘执峦宦鼻衅蒂啦述纠宿骆窖匈持碧框嫉盛峰堆男犯帮晋瘤慕啮识附录一 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Creep pile foundation，有时也称为Friction pile foundation，Piled raft foundation，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Creep Pile（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：brubSi (i=1m)式中，b 为建筑物总重量，b 为建筑物基底面积，m 为桩数，i 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)，ru 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：rg=RGPAr1+0.946(Pw-PA)(1-n2)/BE式中，rg 为基础沉降，r1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：Pu=n(lPsu+Ppu)+RdFSg=Sszg,iDHi/Es,i (i=1,m)式中，l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；szg,i为第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；DHi和Es,i 为第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K2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y=fA/Q0.5时，桩数确定如下：（z）（x）式中,z为基底土承载力利用系数，一般取小于0.5; x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h为：h =（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12，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。图1 基底下地基土中的附加应力等值线 (N=50)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（DBJ4094）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，并可减少环境影响；4) 与水泥土搅拌桩或粉喷桩等地基处理相比，由于减少沉降桩一般采用钢筋混凝土桩，其质量控制能够得到较好的保证。1998年5月在广州召开了国家标准建筑地基基础设计规范编制组第二次工作会议，会议建议将变形控制设计原则纳入新的国家标准建筑地基基础设计规范（2000版），1998年10月在上海召开了桩基础专题编制组会议，这意味着变形控制设计将在我国走向较全面的工程应用。三. 减少沉降桩基础的设计综上所述，至目前为止学术界和工程界在桩土相互作用理论和按沉降控制设计桩基础方面已有许多研究和成果，而减少沉降桩基础就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和地基处理技术，其对桩的处理是按前述三种处理方法的第三种，即“桩用于减少或控制沉降，基础的承载力主要由基础板承担”。为使用上的方便，我们现在可以将在工程中使用的桩基础按设计原则界定为常规桩基础、复合桩基础和减少沉降桩基础：常规桩基础：按满足承载力（强度）要求的原则设计的桩基础，也即在设计时由上部结构和基础的荷载来确定桩数和桩长，并且认为上部结构和基础的荷载完全由桩承担。复合桩基础：考虑桩和承台底地基土共同承担荷载的原则设计的桩基础，设计时主要由上部结构和基础的荷载确定桩长和桩数。减少沉降桩基础：按控制沉降的原则设计的桩基础，设计时主要由建筑物的沉降控制要求确定桩长和桩数。从前述的减少沉降桩基础的发展过程可以看到，减少沉降桩基础主要是针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，因此其应用对象也是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。在设计减少沉降桩基础时，关键和重要的工作是计算出基础沉降与使用桩数之间的关系曲线。目前在设计中采用的方法是近似和实用型的，可将基础沉降S分为两部分，一部分为桩群分担的荷载所引起的地基沉降S1，而另外一部分为承台分担的荷载所引起的地基沉降S2，即：SS1S2 对于减少沉降桩，单桩承担的荷载比常规设计中桩承担的荷载要大，其值可表示为：P1gPu 式中，Pu为单桩极限承载力；g为单桩承载力发挥程度系数，理论上可取1，实际设计时可取g0.751.0。减少沉降桩S1部分的沉降计算必须考虑桩土之间的相互作用，可近似采用根据Mindlin解答或Geddes解答建立的桩土相互作用理论方法进行求解，而承台分担的荷载所引起的地基沉降S2可按地基基础规范规定的天然地基浅基础的方法来计算（即由承台底面附加压力所引起的沉降S2的计算方法不考虑桩的存在，而是直接使用一般浅基础的沉降计算方法）。这样做，实质上是考虑了桩达到极限荷载状态时桩侧土的应力应变关系为理想弹塑性，假定在单桩承担的荷载达到P1时，各桩承担的荷载不能再增加，桩不再起进一步承担荷载的作用，余下的荷载只能由基础底板（梁）承担。利用上述计算公式，可以计算出使用不同的桩数时所对应的基础的沉降量，从而可得到如图3所示的桩数与沉降关系曲线，由图中曲线可见，在桩数较少时桩数的进一步增加对减少基础沉降的作用非常显著，但在桩数较多时，进一步增加桩数对减少沉降的作用就变得小了，在实际工程设计时应从控制沉降的角度来综合选择一个既经济又合理的桩数，即按沉降控制设计桩基础。减少沉降桩基础的地基强度验算可采用以下的方法：方法1：上海市标准“地基处理技术规范（DBJ084094）”方法：式中，x为沉降控制复合桩基承载力经验系数，可取2.0 2.2；为单桩极限承载力。该法实际上认为沉降控制复合桩基承载力等于天然地基容许承载力加上各桩的单桩容许承载力之和。方法2：如前所述，减少沉降桩基础的出现及目前一般也是多用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，因此设计时可只考虑桩起到减少沉降的作用，桩实际承担的一部分荷载则视为安全储备。基底下天然地基土的承载力验算可按下式进行：式中，P为作用在基底的总荷载，F为基础面积，f为基底地基土的承载力设计值。然而，必须指出的是，由于在减少沉降桩基础中已采用桩来控制地基土的沉降，因此在确定地基土的承载力时不需要再考虑为控制沉降而对承载力的折减，也就是说，此时的地基土承载力应完全由地基的极限稳定状态确定。方法3 第二种方法考虑桩分担荷载的作用，减少沉降桩基础的地基强度可按下式计算：式中，P1为单桩所承担的荷载，n为桩数，A为单桩的横截面积，为考虑置入桩体以后对原状土体强度的影响系数。笔者认为，上述第三种减少沉降桩基础的地基强度验算方法可能更能反映减少沉降桩基础的实际情况和机理，但其中的系数如还有待于进一步研究确定，第二种方法可能过于保守，第一种方法验算减少沉降桩复合地基的强度非常简便，实践表明在多层住宅的基础设计中是完全可行的。至于地基土的强度计算，可供选择的计算公式很多，而且不同的计算公式所得到的结果也会有所不同，一般可采用太沙基公式和汉森公式。图3 同济启明星桩基础沉降计算软件SCPF给出的减少沉降桩基础的沉降桩数关系曲线必须指出，减少沉降桩基础实际上是相对于我们目前广泛采用的完全以上部结构荷载确定桩数和桩长的常规桩基础设计方法而出现的一种桩基础处理方法，其实质是认为如仅对于沉降控制而言，少量的桩所组成的桩基础所起的作用与很多桩所组成的桩基础的作用几乎一样有效。因此，在减少沉降桩基础的设计中，有关常规桩基础的通用设计方法，如桩承台的设计、桩的结构设计等等都是同样可以采用的。另外，在此也应该指出，减少沉降桩基础与目前工程界习惯的复合桩基础的概念和设计思想并不完全是一回事，复合桩基础是指考虑桩和承台底地基土共同承担荷载的原则设计的桩基础，也就是指设计时考虑分担问题，其桩数和桩长仍然由上部结构和基础的荷载确定，无非是分担比例不同设计的桩数也不同，因此严格说来复合桩基础仍是按强度控制设计的，而减少沉降桩基础则是指主要按控制沉降的原则设计的桩基础，并且单桩按极限承载力设计，设计时桩数和桩长由建筑物的沉降控制要求确定。四. 工程应用90年代中期以来，减少沉降桩基础在上海软土地区已得到较广泛的应用，特别是近年来地基处理（如粉喷桩工程）技术由于施工质量不易控制造成工程质量问题较多的情况下，减少沉降桩基础由于造价与地基处理方法相当但质量控制有保障的显著优点使其工程应用更受重视，1997年上海市建委为提高建筑住宅的工程质量，曾下文件要求在上海行政辖区内所有拟建建筑物的地基基础都必须进行沉降验算和沉降控制设计。目前在上海采用减少沉降桩基础的多层建筑物已超过百万平方米，节省的基础费用数以亿计，减少沉降桩基础已发展成为上海地区控制住宅建筑物基础沉降的主要基础型式之一。下述的两个减少沉降桩基础是笔者作为技术咨询做的两个实际工程，其中一个是多层厂房，一个是小高层办公楼，它们原都已按现行地基基础设计规范完成了桩基设计，后由笔者采用减少沉降桩技术重新进行了设计，减少了桩数，节省了基础投资。1. 工程1 上海某厂主厂房为5层钢筋混凝土框架结构，局部6层。厂房的长度和宽度分别为52.6425.10m2。根据地质勘探报告，主厂房地区存在较好的硬表土层，其承载力基本上可以满足厂房荷载的要求，可以作为浅基础的持力层。但在浅部硬土层的下面存在较厚的下卧软土，按照上海市地基基础设计规范中给出的浅基础沉降计算方法对沉降进行验算，其沉降值达到550mm以上，超过规范所容许的沉降范围，因此不能完全采用浅基础。为了将沉降减少到规范所容许的范围内，上海市某设计院决定采用桩基础，根据上海市地基基础设计规范及实际地质条件，设计采用300300mm钢筋混凝土预制桩，桩长21米，总桩数为236根。该套设计图于1992年4月4日完成，并由设计院发给建设单位。从浅基础到采用桩基础，尽管能将沉降减下来（见图4），但造价同时也增加较多。为了尽可能降低造价，设计人员与同济大学讨论研究，决定采用减少沉降桩理论对桩基础重新进行设计。仍然采用30030021000钢筋混凝土预制桩，但认为单桩承担的荷载比常规桩基础中承担的荷载大，对本工程的桩基础进行用桩数量与沉降之间关系曲线的计算结果如图4所示（该曲线完全是当时提供给建设单位的计算结果），由该图可见，如果不采用桩基础，总沉降值将达到550mm以上，远远大于规范允许的沉降值范围。由图中曲线还可见，采用桩基础后，沉降减少明显，尤其在用桩数量较少的范围内采用桩对减少沉降的作用十分有效，而当用桩数量超过一定值时沉降减少的幅度就变得很小，表明在用桩数量超过一定值时再增加桩数实际上已对减小沉降没有多大的作用。沉降曲线开始变得平缓的初始点是一个临界值，超过该临界值再增多桩数对于减少沉降的作用已不甚明显。图4 上海某多层厂房沉降与用桩数量的设计计算曲线由图4可以看到，对于本工程这个临界值约为70余根桩，根据这个计算结果，在第一次设计修改中将桩数从236根减到72根，强度验算也符合设计要求。该工程的修改设计将原桩基础的用桩数从236根减到72根，具有很好的经济效应。为了验证这种新的设计理论和方法，更好地总结经验，同时也为了能够时刻监测实际大楼基础的受力和沉降发展过程，保障大楼的安全，经建设单位同意，在设计中同时也拟定了从节省的基础造价中拿出一部分钱来进行基础现场测试研究。此外，应建设单位的要求，作为对大楼安全的参考, 我们还预估了大楼在建设施工时期和竣工后各个时期的沉降范围，见图5。但后来该工程的设计条件发生了变化，由于种种原因，建设单位取消了原定的进行现场测试的计划，在这种情况下，该工程的基础设计再次进行了修改，将用桩数72根调整到138根。该大楼工程自1992年11月开始打桩施工，至次年10月结构竣工。至竣工时基础的总（平均）沉降为46mm，与预估的最小值接近。根据上海以往的桩基沉降特性来推算，本建筑物的最终沉降不会超过120mm。由此可见，本工程的基础是绝对安全可靠的。1994年初，经上海市有关单位的评选，该厂房工程获“白玉兰”奖。使用至今完好正常。图5 上海某多层厂房沉降与时间的关系曲线2. 工程2上海嘉定区某业务楼主楼设计为地面八层（局部有九层、十层）、地下一层的高层综合楼。该建筑物大楼的设计由上海市某设计院承担，其基础设计按照现行地基基础设计规范进行，设计的基础采用柱下独立承台桩基础，桩采用直径为650mm的钻孔灌注桩，总桩数为110根，有效桩长27.0m。根据建设单位的委托，同济大学对该工程桩基础的设计进行了修改设计，在控制沉降的基础上，减少一定桩数，以减少基础的造价。设计院所提的沉降控制标准为基础沉降要求不大于10cm，修改设计即按此要求进行。修改后的基础设计采用桩筏基础，桩仍然采用原定的直径650mm、有效长度为27.0米的钻孔灌注桩。对该工程的桩基础进行用桩数量与沉降之间关系曲线的计算结果如图6所示（该曲线完全是当时提供给建设单位的计算结果）。图6 上海某小高层用桩数量与沉降关系的设计计算结果 由该图可以看出，用桩数量基本上在达到60根（此时的计算沉降约为7.3cm）以后，随着用桩数量的增加，基础沉降的减小不显著，也即桩用来减小沉降的作用效果不明显。根据整体安全性及布桩上的考虑，该工程最后设计采用76根桩，此时基础的总沉降为61mm。该工程同时还采用了考虑桩极限承载力的筏桩土相互作用分析方法进行计算分析，其结果表明：基础沉降比较均匀，沉降量大部分为51.3mm左右，最大值达到54.7mm，差异沉降或局部倾斜在荷载变化较大的地方一般也都小于0.001。该工程于1997年底结构基本竣工，竣工实测的沉降小于15mm，完全满足设计要求。该工程经建设单位的核算，修改后的桩基础比原设计节省（直接）费用约60万元人民币。五. 设计建议1998年10月26日28日，国家标准“建筑地基基础设计规范”编制组在上海召开了桩基础专题会议，在该会上讨论了桩基础的沉降计算和按变形控制设计桩基础的问题，下列给出的桩基础沉降计算和减少沉降桩基础设计建议是提供给该规范编制组的讨论初稿，它们是由同济大学杨敏和上海建筑设计研究院裴捷共同完成的，在此给出以供工程设计人员参考。X.X.5 桩基础沉降计算X.X.5.1 桩基础的计算沉降量不应大于当地的沉降容许值。X.X.5.2 桩基础的沉降容许值，应根据当地经验，根据上部结构对地基变形的适应能力和使用上的要求确定。桩基础的沉降容许值确定后，应对上部结构的布置、结构形式、构造要求及管线安装提出相应措施与之匹配。当经验不足时，桩基础的沉降容许值在高压缩性土上为250mm；在中、低压缩性土上为150mm；当高低相差较大的主楼和群房连成一体时为100mm，且最大差异沉降不得大于50 mm。X.X.5.3 计算桩基础沉降时，地基内的应力分布，应采用各向同性均质的直线变形体理论按Mindlin公式计算。其最终沉降量宜按单向压缩分层总和法计算。X.X.5.4 附加应力计算时应考虑相邻基础的影响。 X.X.5.5 计算桩基础沉降时，压缩层厚度应根据当地经验确定。当经验不足时，压缩层厚度可按自计算点所处桩位的桩端平面算至土层自重应力的10处止的办法确定。X.X.6 减少沉降的摩擦桩基础X.X.6.1 减少沉降的摩擦桩基（简称减少沉降桩基）是指以正常使用状态根据建筑物容许沉降量按控制地基沉降的原则设计的摩擦桩基础，桩的长度和数量应按沉降控制的要求确定，同时应进行考虑桩基础承载力极限状态的强度验算。X.X.6.2 设计减少沉降桩基时应计算出基础不同用桩数量与基础沉降之间的关系曲线，实际的用桩数量设计值应根据关系曲线按建筑物的沉降控制要求确定。X.X.6.3 减少沉降桩基的设计考虑桩土共同工作，桩与承台共同承担建筑物荷载。单桩承载力设计值P1可按下式确定：P1gPu式中，g为单桩承载力发挥程度系数，可取0.801.0，Pu为单桩的极限承载力。桩与承台分担建筑物荷载的比例可按下述规定确定：1、当上部结构和基础总荷载小于或等于各单桩承载力设计值之和时，所有荷载由桩承担；2、当上部结构和基础总荷载大于各单桩承载力设计值之和时，多出的部分荷载由承台分担。X.X.6.4 减少沉降桩基的沉降计算应考虑桩土相互作用的影响，并应结合当地经验采用可靠的方法。当经验不足时，可按下述规定计算减少沉降桩基的沉降：1、当上部结构和基础总荷载小于或等于各单桩承载力设计值之和时，其沉降按常规桩基础的沉降计算方法计算。2、当上部结构和基础总荷载大于各单桩承载力设计值之和时，其沉降宜采用各向同性均质的直线变形体理论按叠加方法计算。X.X.6.5 减少沉降桩基础的承载力强度验算应按桩土共同工作的极限状态进行。当经验不足时，可按下式验算减少沉降桩基础的承载力：FG gd ( nPu+Afu )式中，F作用于桩基承台顶面的竖向荷载设计值；G桩基承台和承台上土自重设计值；Pu单桩极限承载力；gd综合承载力系数；A承台基础面积；fu 基底土的极限承载力。X.X.6.6 当为下列情况时，不应采用减少沉降桩基础。1、现场的地质情况不能保证形成以侧摩阻力为主的桩；2、存在对桩极限承载力有明显影响的的液化土层；3、承台底的土体未完全固结；4、在沿海软土地区，建筑物层数不宜多于13层。X.X.6.7 减少沉降桩基础的桩距一般应大于4倍桩径，桩的分布应与建筑物的竖向荷载相对应。X.X.6.8 桩的构件设计须保证在单桩极限承载力作用下不产生桩身结构强度破坏。X.X.6.9 桩基承台和地基梁构件设计应考虑在基础沉降未达稳定的很长时间内建筑物荷载作用在桩和土上的比例是变化的，构件设计应考虑这一变化对各构件的不良影响。六. 结束语在软土地区除高层建筑外绝大多数建筑物，如多层住宅和10层左右的小高层建筑物，都是由于沉降太大而设计采用桩基础或进行地基加固处理的，对于这类量大面广的建筑物，如果采用减少沉降桩技术将可大幅度减少用桩数量，节省基础造价，具有显著的经济效益；而相对于地基加固处理方法如粉喷桩复合地基，减少沉降桩基础在工程造价上相差不大，但施工质量上较易有保证，从而使住宅基础工程的质量可大大提高，这一个优点对于在目前地基处理施工中施工质量普遍不高的情况下可能显得尤为宝贵，因此减少沉降桩基础有十分广泛的应用前景。然而，就目前来说对以变形控制设计桩基础这一课题的研究应该说是初步的、局部的，有大量的理论和技术问题有待深入研究，例如目前一般还局限于对多层房屋基础的讨论，不仅国内而且国外的学者也还只将研究局限于在地基强度保证的情况下的讨论，笔者认为这是不够的。笔者认为，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，是一种新的设计体系，以变形控制为基础的设计方法是近代岩土力学发展的必然，是近代岩土力学的工程应用。就桩基础而言，笔者认为以变形控制为基础的设计不仅适用于多层或小高层，应该也可以用于高层的桩基础设计，严格说来，目前的以强度为基础的桩常规（弹性）设计方法和充分利用桩极限承载力的减少沉降桩基础都是桩基设计的两种极端做法，前者是针对于承载力极限状态问题并按承载力极限状态设计，而后者是针对于正常使用极限状态问题并按正常使用的要求设计，应该说对不同沉降要求的建筑物的基础可以采用不同变形状态下的桩基，此也即应为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。笔者认为就本课题方向还须进一步开展以下几方面的研究：1) 进一步研究出较为严密、合理和实用的桩基础非线性分析方法。桩基础的变形与受力工作机理严格说来都是非线性的，尤其对于按沉降控制设计的桩基础来说，设计时将允许部分或全部桩达到一定程度的非线性状态，因此开展桩基础的非线性研究无论在理论上还是在实践上都有着重大的意义，桩基础的非线性分析研究成果将直接影响到沉降控制设计思想在高层建筑桩基础中的工程应用。2) 研究并制定桩基础的沉降控制标准以及对上部结构的影响。对于不同沉降要求的建筑物的基础应该可以采用不同变形状态下的桩基，此也即应为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；3) 对桩基础进行全过程的分析计算，这其中包括能够对自打桩开始到建筑物竣工所有的施工阶段进行计算分析，对建筑物竣工后的桩基础的工作性态作出预测，建立起与时间有关（即固结与流变）的桩基础分析理论。研究并发展建立在较为正确的桩基础分析理论基础上的优化设计方法；4) 研究并建立起能反映实际的桩基础的极限承载力理论，以计算桩基础的整体安全性与用桩数量的关系；5) 加强对桩筏基础的试验（包括实际桩基工程的现场试验和室内模型桩试验）研究工作。主要参考文献1. 侯学渊、杨敏主编。软土地基变形控制设计理论和工程实践，同济大学出版社，上海，19962. 童翊湘。上海桩基础的使用经验和设计方法。华东电力设计院，19793. 杨敏、丁万太。上海地区桩箱基础的沉降与整体倾斜分析。工程勘察，第4期，19884. 管自立。疏桩基础设计实例分析与探讨（一）。建筑结构，第10期，19935. 葛文浩、杨敏。地下管道上住宅建筑物的基础设计实例。建筑结构，第10期，19936. 黄绍铭、王迪民、裴捷、魏汝南、贾宗元、姚建民。减少沉降量桩基的设计与初步实践，中国土木工程学会第六届土力学及基础工程学术会议论文集，同济大学出版社，上海，19917. 宰金珉。复合桩基设计的新方法，第三届全国地基处理学术讨论会，19948. 杨敏、王树娟、张俊峰。按沉降控制设计上海天山大厦桩筏基础，载于面向21世纪的同济岩土工程（同济大学建校90周年论文集），同济大学地下建筑与工程系，1997.59. 杨敏、艾智勇。沉降控制设计桩基础的理论、方法和计算，同济大学地下建筑与工程系，199710. 杨敏、王树娟、王伯钧、周融华。考虑极限承载力下的桩筏基础相互作用分析，岩土工程学报，1998年，第4期，828611. 杨敏、王树娟。桩筏基础相互作用下土中应力场的变化规律。岩土工程学报，1999年，第1期12. 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