一：前述
如果樁的承載力足夠高，就可以一柱一樁，承臺(tái)取消，柱筋直接錨入樁體（地基規(guī)范8.5.3第10條）。大部分單樁承載力不滿足設(shè)計(jì)要求，需要做多樁承臺(tái)，承臺(tái)如扁擔(dān)那樣轉(zhuǎn)換產(chǎn)生彎矩和剪力。樁距集中荷載越近，承臺(tái)彎矩、剪力等越小，需要的斷面越小。所以樁布置的原則是在滿足規(guī)范最小間距要求下間距越小越好。
樁筏基礎(chǔ)也是這個(gè)道理，如果上部荷載直接通過柱下局部承臺(tái)的一組樁（特例時(shí)一柱一樁）或墻下條狀承臺(tái)一~幾排樁滿足設(shè)計(jì)要求時(shí)，這樣連接承臺(tái)之間的所謂的筏板（不受樁基的反力）就可以很薄，以構(gòu)造控制，對(duì)于有地下水浮力來說，成為純粹防水板了。 當(dāng)樁的承載力比較小，總樁數(shù)比較多，按最小樁基要求即使盡量布置在結(jié)構(gòu)豎向構(gòu)件的周圍也占了整個(gè)筏板基礎(chǔ)的一多半時(shí)，這時(shí)候再執(zhí)著的要求樁集中布置意義就不大了，不若按整個(gè)筏板均勻布樁，設(shè)計(jì)和施工都簡(jiǎn)單。但遺憾的是實(shí)際工程中，很多工程師把它當(dāng)成了樁筏基礎(chǔ)應(yīng)該的布置方法而忘了布樁的基本原則。
二：樁筏基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的故事
朋友是一家大設(shè)計(jì)院的某民建設(shè)計(jì)所所長(zhǎng)（結(jié)構(gòu)出身），給我講了一個(gè)關(guān)于樁筏基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的故事，為了描述形象，以“我”來講述：
我部門招聘了一個(gè)985土木系研究生，小伙子基本概念清楚，也很勤奮。工作2年后，部門安排他做一個(gè)帶地下室的20層的混凝土剪力墻住宅項(xiàng)目，基礎(chǔ)為鋼筋混凝土灌注樁筏基礎(chǔ)，他布樁方案采用均勻布方案，因樁承載力較高，樁間距很大。經(jīng)計(jì)算，底板厚度約1.3米。
我給他講應(yīng)該優(yōu)先考慮單排布置的墻下布樁，對(duì)個(gè)別墻體荷載較大時(shí)，可2排甚至三排、個(gè)別的電梯交通部位豎向很大時(shí)可成組布樁，筏板局部可加厚，這樣大部分的筏板基礎(chǔ)就可以薄一些了。
他貌似謙虛的說：“我經(jīng)驗(yàn)不多，但我了解的樁筏基礎(chǔ)應(yīng)該都是均勻布樁的呀，沒有你這樣布置的”。言外之意是你雖然是一注，在管理崗位多年了都不會(huì)做設(shè)計(jì)了。還說已經(jīng)咨詢了院總工，總工也認(rèn)為他的方案是沒問題的。
總工是一位四十多歲工作多年的中年婦女（一注結(jié)構(gòu)）。我客氣的向她請(qǐng)教，她說當(dāng)然樁筏都是均勻布置的呀！并鄙夷的看著我，好像是說這事還用問，你的一注咋過關(guān)的？
我無語了，也不方便進(jìn)行理論。我把小伙子單獨(dú)叫到辦公室，給他搬規(guī)范（筏基規(guī)范6.4.2第4條；地基規(guī)范3.3.3第3條）找資料，講解布樁的基本受力原則，找參考圖紙對(duì)小伙子進(jìn)行概念培訓(xùn)。
不愧是985的高材生，他接受能力極快，馬上理解了我的意思，回去改好了圖紙。采用了墻下條形承臺(tái)（洞口處不布樁、電梯井筒處樓梯間垂直荷載較大的地方成組布樁），承臺(tái)高800，非承臺(tái)處厚300。
我說很好，方案很合理，但300的筏板太薄了，干脆統(tǒng)一做成800得了。
他說，筏板不受力，我們的水位才1.5米高，不存在整體抗浮，只存在構(gòu)件抗浮（概念很清楚，心里暗贊），已經(jīng)算過了，構(gòu)造300厚和構(gòu)造配筋滿足1.0噸的抗浮要求，干嘛做800厚呢？太浪費(fèi)了。
我氣的都無語了，苦笑道：“你原來做1300厚振振有詞，現(xiàn)在300厚理由也很充分，兩頭有理呀”。
他臉紅了，笑著說：“鐘總，我原來的概念不對(duì)，現(xiàn)在明白了，我覺的這樣設(shè)計(jì)一點(diǎn)問題也沒有，樁和承臺(tái)承擔(dān)上部荷載，筏板不受力只受浮力。
我說：“從受力平衡上是這樣，但你考慮過樁基壓縮沉降變形后是筏板的受力狀態(tài)嗎？”
他一愣，陷入思考中。過了一會(huì)兒他說：“鐘總，我似乎有點(diǎn)明白了。單純從受力來說，我的設(shè)計(jì)和理解沒有問題。但是任何基礎(chǔ)都有壓縮變形，當(dāng)壓縮變形時(shí)，承臺(tái)會(huì)帶著筏板一塊下沉，這樣筏板除了承受水浮力，還要分擔(dān)上部荷載。分擔(dān)多少很難說清楚，但一定在零~均布荷載之間，對(duì)樁基來說因變形很小，分擔(dān)的就少，對(duì)天然地基來說，變形就大，分擔(dān)的就多，最極端的情況就是均布荷載。
即使天然地基，硬土相對(duì)與軟土來說因變形很小，所以反力較集中在柱附近，反之就擴(kuò)散成小波浪的形態(tài)。荷載越集中，筏板內(nèi)力越小，反之就越大。
北京院的獨(dú)立基礎(chǔ)加防水板的做法加泡沫架空層也是這樣的道理，如果是巖石的地基，不加泡沫也沒問題，但如果地基比較軟，不加泡沫但按防水板設(shè)計(jì)的就可能存在問題了”。
他接著說：“ 設(shè)計(jì)不能只考慮受力平衡，也要考慮變形協(xié)調(diào)。假如果我們能夠算出地基的變形也就可以得出內(nèi)力分布了，這樣在設(shè)計(jì)樁和筏板豈不是更準(zhǔn)確嗎？”
我暗暗佩服，不愧是985的高材生，悟性真高。
我順勢(shì)引導(dǎo)著他說：“可惜呀，地基的變數(shù)太多了。我們總是希望能考慮上部、基礎(chǔ)和地基的剛度共同作用，算出精確的地基變形和內(nèi)力分布進(jìn)行基礎(chǔ)的配筋設(shè)計(jì)。上部結(jié)構(gòu)相對(duì)好算準(zhǔn)，但地基咋算的準(zhǔn)呢。再精確的計(jì)算手段在模糊的地勘數(shù)據(jù)面前也是白搭，所以這時(shí)候概念就很重要。
比如你設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)理念是樁基根據(jù)力的平衡，樁受上部荷載、筏板抗浮。
這種理念單純從安全角度可能沒問題，但是從使用角度可能存在問題，比如樁基沉降時(shí)，防水板也分擔(dān)了地基的反力，在樁基還遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)到承載特征值的情況下，防水板已經(jīng)開裂破壞了，漏水了。雖然結(jié)構(gòu)安全沒有問題，大不了我們把防水板重新做一下，但這不符合正常使用也不行。
可考慮一部分樁基的荷載分給筏板（樁荷載不減）來計(jì)算筏板，比如我按均做800的板厚就是這樣考慮的，雖然算不清，但我用實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和概念來保證我的方案是安全與經(jīng)濟(jì)的”。
他說：“嗯，鐘總你說的對(duì)，我聽你的”。
我說：“我考你個(gè)問題，你回去思考一下。同樣材料同樣斷面的的鋼拉索長(zhǎng)度不一樣時(shí)，那個(gè)受拉承載力高呢？”
他不加思索的說：“你是想考我腦際急轉(zhuǎn)彎吧，當(dāng)然是一樣的了”。
我說：“這可不是腦筋急轉(zhuǎn)彎，別著急回答，回去思考一下”。
第二天，他又來到我辦公室，說：
“鐘總，假如我們都按上部荷載來布樁，從理論上筏板就可以不受力了，那點(diǎn)壓縮變形帶來的應(yīng)力分布，總比平均布置的反力小多了，這樣就可以大大減少基礎(chǔ)筏板的內(nèi)力了。那么框筒結(jié)構(gòu)，筒的荷載比周邊框架大的多，樁應(yīng)該在內(nèi)筒多布置。我覺的這是個(gè)很好的設(shè)計(jì)理念”。
我問他：“你知道什么是樁變剛度調(diào)平設(shè)計(jì)嗎？”
“不知道！”
“你這就是變剛度調(diào)平設(shè)計(jì)，規(guī)范有明確規(guī)定。”
“這還需要專門規(guī)定嗎？本身就應(yīng)該這樣設(shè)計(jì)呀。”
我苦笑了一下：心里想：你真行，見點(diǎn)陽關(guān)就燦爛！
他接著說：
“你說的那個(gè)鋼拉索的問題.......,”我：“......”。
這個(gè)住宅項(xiàng)目規(guī)模很大，甲方委托了三家設(shè)計(jì)院，另外兩家的都是采用的均勻布樁的厚筏板基礎(chǔ)，配筋也很大，而我們做的比他們的省多了，后來甲方的老總（也是結(jié)構(gòu)出身）請(qǐng)我吃飯說，你設(shè)計(jì)的我一看概念就是對(duì)的，你們?cè)涸O(shè)計(jì)的十幾棟房子能給我們節(jié)約上千萬，不過我們就是要快，一平米賣好幾萬也不在乎這點(diǎn)鋼筋水泥。
想一想這都是十幾年前的事了，那時(shí)候的設(shè)計(jì)真幸福呀！
三：變剛度調(diào)平設(shè)計(jì)
上部結(jié)構(gòu)的荷載在地基土中的分布與豎向受壓構(gòu)件的布置有關(guān)，如果豎向構(gòu)件直接放在地基土上，結(jié)構(gòu)無法承受地基土的巨大的沉降。故需通過基礎(chǔ)承載面積（獨(dú)基、筏板）的擴(kuò)大分散上部豎向構(gòu)件的荷載均勻的地基土中，從而減少地基的沉降，這樣卻增加了基礎(chǔ)的造價(jià)。如果地基足夠硬，比如巖石時(shí)，結(jié)構(gòu)的柱子直接錨如巖石，無需做基礎(chǔ)了，但大部分情況不是這樣幸運(yùn)。
天然地基我們無法控制地基土的分布，但如果人工地基像樁基、復(fù)合地基、地基處理等，按上部荷載來確定人工地基的剛度的分布，這樣就可以減少基礎(chǔ)的內(nèi)力甚至可以不用做基礎(chǔ)，比如大直徑的一柱一樁，對(duì)樁基來說這個(gè)理念就是樁基的變剛度調(diào)平設(shè)計(jì)。
概念并不復(fù)雜，故事里的小伙子自己就可以悟出來。
獨(dú)立承臺(tái)的設(shè)計(jì)必然如此（按上部構(gòu)件的荷載分別布置樁），普通的框架和剪力墻的高層的筏基也應(yīng)該這種理念。
作為高層的框筒結(jié)構(gòu)是非常有必要單獨(dú)列出來強(qiáng)調(diào)要變剛度調(diào)平設(shè)計(jì)的，因?yàn)檫@種結(jié)構(gòu)形式其交通核心的部位主要是密集厚重的鋼筋混凝土抗剪筒體，其自重是周邊框剪的1.5~2.0倍，上部荷載嚴(yán)重不均勻（分布不均勻，但建筑重心與形心是重合的，重心與形心或剛心不重合時(shí)是上部結(jié)構(gòu)抗震扭轉(zhuǎn)問題，而地基關(guān)注的是豎向荷載分布），所以規(guī)范在講到變剛度調(diào)平設(shè)計(jì)時(shí)主要指的是框筒結(jié)構(gòu)。
1：調(diào)平設(shè)計(jì)的原理不用多說了，上面的故事已經(jīng)說的很清楚了。舉一個(gè)例子。
我審圖的一個(gè)150米高層的的框筒結(jié)構(gòu)，地質(zhì)還不錯(cuò)，采用的是cfg樁復(fù)合地基。原設(shè)計(jì)單位均勻布樁，基礎(chǔ)底板后2.5米。核心筒巨大的荷載壓向筏板并下沉，周邊的筏板沉降很小，所以筏板像扁擔(dān)一樣挑著中間的筒體，我似乎聽到扁擔(dān)被折斷時(shí)的咔嚓的聲音。
我后來提出來應(yīng)該變剛度調(diào)平設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)單位不愿意改圖，后來甲方專門組織專家會(huì)議才解決這個(gè)問題。
設(shè)計(jì)修改采用了框筒做加密加長(zhǎng)樁的復(fù)合地基方案，基礎(chǔ)厚度減少到1500，配筋構(gòu)造就基本夠了。我又仿佛感覺到大力士承扛著大麻袋，小家伙輕輕松松的扛著小口袋。
2：樁基規(guī)范關(guān)于變剛度調(diào)平的條文說明非常詳盡，為了避免讀者再翻閱規(guī)范，故摘抄出來，并根據(jù)自己的理解增加備注。
筆者注：上部結(jié)構(gòu)的剛度會(huì)使本來荷載均勻（地基假設(shè)也均勻）的高層結(jié)構(gòu)的地基反力成馬鞍型分布，減小了地基的沉降，但局部彎矩端部大于中部彎矩和馬鞍型的反力分布相對(duì)應(yīng)。見下圖
這是以上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生次應(yīng)力做代價(jià)的。
為什么均勻的荷載和地基會(huì)產(chǎn)生不均勻的地基反力呢？這是因?yàn)榈鼗潦軌簳r(shí)的互相影響（布氏解應(yīng)力分布可以揭示這一點(diǎn)），中部受到四周的影響沉降最大，而邊緣尤其角部影響相對(duì)很小，沉降也會(huì)小，但剛性的上部結(jié)構(gòu)強(qiáng)迫（用自身的剛度迫使）地基沉降趨同，所以必須給予邊緣的壓力大于中部。
核心筒結(jié)構(gòu)的布樁應(yīng)為下面的（b）（c）圖。
筆者注：均布荷載作用在均勻的天然地基上，其沉降分布一定是內(nèi)大外小的碟形。但對(duì)于樁基應(yīng)該和天然地基區(qū)分開來，不能混在一塊說，容易產(chǎn)生誤解。系列（九）說過，樁的受力和地基土的受力原理不同，雖然群樁效應(yīng)下的樁土共同作用，但隨著樁間距的加大，這種影響逐漸變小，尤其對(duì)于端承樁，這種相互作用甚至不存在。換句話說，樁更像是獨(dú)立作用的彈簧，和溫克爾的基床系數(shù)的概念接近。樁土之間的相互作用比天然地基土相對(duì)小多了，即使發(fā)生蝶形的變形，其碟子的深度也淺的多。
個(gè)人理解：對(duì)于在對(duì)于上部荷載比較均勻的建筑，無需按規(guī)范條文說明的下圖布置樁。在布置樁時(shí)，可以簡(jiǎn)單的按上部荷載的大小來布置，無需考慮上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)的共同作用。
外形規(guī)矩但荷載分布明顯不均勻的是框筒結(jié)構(gòu)，內(nèi)部筒體的重力荷載往往是邊緣框架的1.5~2.0倍，所以有必要按該荷載進(jìn)行布樁。理論上按上部重力荷載來布置樁可以完全避免上部結(jié)構(gòu)的次應(yīng)力,甚至基礎(chǔ)的內(nèi)力為零。
有些人按天然地基馬鞍型（外側(cè)地基反力大，內(nèi)部反力?。┑牡鼗戳θミM(jìn)行布樁，會(huì)出大問題，本來邊柱上部荷載比內(nèi)柱小約一倍，反而布樁外面多，弄巧成拙。為什么地基反力大，而不能多布樁呢？（不是上部荷載大）
地基反力大，并非地基內(nèi)部土的應(yīng)力大，是因?yàn)樗挥诮ㄖ倪吘墸艿降挠绊懶?。而中部的地基上部結(jié)構(gòu)給于地基土的外部荷載并不大，但他受到的周邊的地基的影響大（布式解），因而地基土的應(yīng)力疊加后比周邊的大，所以變形就大。這和上部結(jié)構(gòu)的受力是不一樣的，心里要清楚。
筏板受力是邊緣大，內(nèi)部小，基礎(chǔ)底板配筋要按這個(gè)地基反力分布計(jì)算。所以筏板基礎(chǔ)的配筋和樁基的布置正相反。
我最近審圖的一個(gè)南方某省一個(gè)20多層框剪辦公項(xiàng)目，上部荷載很規(guī)矩均勻，采用的是cfg均勻布樁復(fù)合地基，甲方請(qǐng)的優(yōu)化專家要求cfg復(fù)合地基布樁周邊多，內(nèi)部少，還說我們不懂地基反力的馬鞍形分布原理。這些專家就是犯了這個(gè)錯(cuò)誤。
一遇到復(fù)雜的地基基礎(chǔ)，規(guī)范就給出三者的共同作用就萬事大吉了，但地勘給出地基和樁的本構(gòu)關(guān)系是模糊不清的時(shí)候，再精確的計(jì)算手段都沒有意義（參考可以），所以地基基礎(chǔ)（樁基）變形與力的關(guān)系的概念設(shè)計(jì)就是非常重要的了。
3、變剛度調(diào)平中的規(guī)范條文說明中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如下：
筆者注：該實(shí)驗(yàn)邊樁比中間樁的受力大1.8倍，同樣我們不必?fù)?dān)心邊樁的沉降，擔(dān)心的恰恰是中間樁的沉降反而更大，同天然地基類似，這就是中間加長(zhǎng)樁的原因
上文說過，樁的互相影響不如天然地基的影響比較大，但該實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)看，樁之間的互相影響并不小，我認(rèn)為是摩擦樁且間距比較密的的原因，也可能是實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和實(shí)際的誤差造成的。理論上說，樁之間的互相影響一定小于天然地基，尤其是大間距的端承樁。
在無法弄清樁之間的互相影響的關(guān)系時(shí)，樁的布置（樁數(shù)、樁長(zhǎng)）建議以對(duì)應(yīng)上部垂直荷載來決定。所以對(duì)于上部均勻的建筑，個(gè)人不建議中間布樁大于周邊樁數(shù)，那種因結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的剛度造成的馬鞍形地基反力較大而邊緣增加布樁的做法根本是錯(cuò)誤的。
4、規(guī)范條文說明給出了很多的變剛度調(diào)平的案例如下：
參考文獻(xiàn)：
1：土力學(xué) 清華大學(xué) 李廣信等
2：基礎(chǔ)工程 清華大學(xué) 李廣信等
3：建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范.
4：建筑樁基技術(shù)規(guī)范
5：地基與基礎(chǔ) 建工出版社
6：高層建筑箱基與筏基基礎(chǔ)技術(shù)規(guī)范