專家詳解樁基變剛度調(diào)平優(yōu)化設(shè)計(jì)
一、概述
高層建筑有相當(dāng)比例的上部結(jié)構(gòu)為剛度相對(duì)較弱、荷載不均的框剪、框筒結(jié)構(gòu)，其基礎(chǔ)采用樁筏、樁箱基礎(chǔ)，建成后其沉降呈蝶形分布，樁頂反力呈馬鞍形分布。這些工程的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)多數(shù)沿用傳統(tǒng)理念，采用均勻布樁與厚筏（或箱形承臺(tái)）。
這種傳統(tǒng)理念可以概括為四點(diǎn)：
1、基樁的總承載力不小于總荷載，樁群形心與荷載重心重合或接近；即滿足力和力矩的平衡。
2、樁的布置大體均勻，有的還主張?jiān)诮遣亢瓦叢窟m當(dāng)加密；因?yàn)閷?shí)測(cè)樁頂反力角部最大，邊部次之，中部最小；
3、沉降量和整體傾斜滿足規(guī)范要求；
4、筏板厚度在滿足抗沖切的前提下隨建筑物層數(shù)和高度成正比增大，厚度達(dá)3-4m者鮮見，或?yàn)樵黾觿偠榷捎孟湫纬信_(tái)；
常規(guī)設(shè)計(jì)計(jì)算方法只考慮靜力平衡條件，而沒有考慮上部結(jié)構(gòu)、筏板、樁土的共同作用。而實(shí)際情況中，群樁效應(yīng)將導(dǎo)致樁的支承剛度由外向內(nèi)遞減；對(duì)于框剪、框筒結(jié)構(gòu)，荷載集度是內(nèi)大外小，而其上部結(jié)構(gòu)的剛度對(duì)變形的制約能力相對(duì)較弱。若采用傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，則碟形差異沉降較明顯，易引起開裂，影響正常使用的要求。
而采用變剛度調(diào)平設(shè)計(jì)理論調(diào)整樁基布置，使得基底反力分布模式與上部結(jié)構(gòu)的荷載分布一致，可減小筏板內(nèi)力，實(shí)現(xiàn)差異沉降、承臺(tái)(基礎(chǔ))內(nèi)力和資源消耗的最小化。
二、傳統(tǒng)設(shè)計(jì)理念的盲區(qū)
傳統(tǒng)設(shè)計(jì)理念的盲區(qū)歸納起來有以下四個(gè)方面：
1、設(shè)計(jì)中過分追求高層建筑基礎(chǔ)利用天然地基
將箱基或厚筏應(yīng)用于荷載與結(jié)構(gòu)剛度極度不均的超高層框筒結(jié)構(gòu)天然地基，由此導(dǎo)致基礎(chǔ)的整體彎矩和撓曲變形過大，差異變形超標(biāo)，甚至出現(xiàn)基礎(chǔ)開裂。
2、樁筏基礎(chǔ)中，忽視樁的選型應(yīng)與結(jié)構(gòu)形式、荷載大小相匹配的原則
將小承載力擠土樁用于大荷載高層建筑的情況，由此導(dǎo)致超規(guī)范密布大面積擠土樁，既不能有效減小差異沉降和承臺(tái)內(nèi)力，又極易引發(fā)成樁質(zhì)量事故。
3、樁筏基礎(chǔ)中，忽視合理利用復(fù)合樁基調(diào)整剛度分布、減小差異沉降的作用
由于荷載分布不均，布樁必然稀密不一，承臺(tái)分擔(dān)荷載作用在疏樁區(qū)不予利用，必然導(dǎo)致該部分支承剛度偏高，既不利于調(diào)平，又不利于節(jié)材。
4、樁筏設(shè)計(jì)中，對(duì)利用筏板剛度“調(diào)整荷載、樁反力分布及減小差異沉降”的期望值過高
筏板對(duì)調(diào)整荷載和樁反力、減小差異沉降可起到一定作用，但這是以高投入為代價(jià)，且效果不理想。
三、基本概念
住宅建筑多采用剪力墻結(jié)構(gòu)；辦公樓等公共高層建筑主要采用框架-核心筒結(jié)構(gòu)，部分采用框架-剪力墻、筒中筒結(jié)構(gòu)、框支剪力墻結(jié)構(gòu)。這兩大類結(jié)構(gòu)體系的力學(xué)特性有很大差別。
第二類結(jié)構(gòu)的整體剛度差，剛度與荷載分布不均，上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)、基礎(chǔ)相互作用特性更復(fù)雜。就設(shè)計(jì)而言，第二類更復(fù)雜，工程實(shí)際中由于設(shè)計(jì)不當(dāng)而引發(fā)的問題更多。
《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》jgj94-2008提出變剛度調(diào)平設(shè)計(jì)理念，其基本思路是：
考慮地基、基礎(chǔ)與上部結(jié)構(gòu)的共同作用，對(duì)影響沉降變形場(chǎng)的主導(dǎo)因素——樁土支承剛度分布實(shí)施調(diào)整，“抑強(qiáng)補(bǔ)弱”，促使沉降趨向均勻。具體包括：
1、高層建筑內(nèi)部的變剛度調(diào)平；
2、主裙房間的變剛度調(diào)平。
對(duì)于前者，主導(dǎo)原則是強(qiáng)化中央，弱化外圍。對(duì)于荷載集中、相互影響大的核心區(qū)，實(shí)施增大樁長(zhǎng)（當(dāng)有兩個(gè)以上相對(duì)堅(jiān)硬持力層時(shí)）或調(diào)整樁徑、樁距；對(duì)于外圍區(qū)，實(shí)施少布樁、布較短樁，發(fā)揮承臺(tái)承載作用。
對(duì)于主裙房間的變剛度調(diào)平，主導(dǎo)原則是強(qiáng)化主體，弱化裙房。裙房采用天然地基時(shí)首選方案，必要時(shí)采取增沉措施。當(dāng)主裙房差異沉降小于規(guī)范容許值，不必設(shè)沉降縫，連后澆帶也可取消。
最終達(dá)到筏板上部結(jié)構(gòu)傳來的荷載與樁土反力不僅整體平衡，而且實(shí)現(xiàn)局部平衡。由此，最大限度地減小筏板內(nèi)力，使其厚度減薄變?yōu)槿嵝员“濉?br>
調(diào)平設(shè)計(jì)過程就是調(diào)整布樁，進(jìn)行共同作用迭代計(jì)算的過程。變剛度調(diào)平設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)定義是：通過調(diào)整基樁的豎向支承剛度分布，使樁基沉降趨于均勻，基礎(chǔ)或承臺(tái)內(nèi)力和上部結(jié)構(gòu)次應(yīng)力顯著降低的設(shè)計(jì)方法。
四、變剛度調(diào)平的基本原理
高層建筑地基(樁土)作為上部結(jié)構(gòu)-基礎(chǔ)-地基(樁土)體系中的組成部分，其沉降受三者共同的制約。共同作用的總體平衡方程為：
要使沉降趨于均勻，唯有依靠調(diào)整樁土支承剛度[k]s(p,s)，使之與荷載分布和相互作用效應(yīng)相匹配。這也是優(yōu)化高層建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)、減少乃至消除差異沉降的有效、可行而又經(jīng)濟(jì)的途徑。
五、影響差異沉降的因素
1、荷載大小及分布
（1）對(duì)相同地質(zhì)、基礎(chǔ)尺寸和埋深條件，沉降量隨荷載增大而增加，差異沉降隨之增大。對(duì)高層建筑而言，其差異沉降問題較多層建筑更為突出。
（2）荷載分布的不均，導(dǎo)致沉降分布不均；而且往往成為差異沉降的主因。
（3）荷載分布特征，與高層建筑主體的結(jié)構(gòu)形式及建筑體型有關(guān)，而且這兩者是決定荷載分布的主要因素。體型變化包含：建筑主體的體型，主體與裙房相連形成主裙連體體型；而主裙連體是荷載差異最大的建筑體型。
2、上部結(jié)構(gòu)剛度
上部結(jié)構(gòu)剛度主要指結(jié)構(gòu)的整體剛度，最制約差異沉降起到一定的作用，也就是所謂對(duì)基礎(chǔ)剛度的貢獻(xiàn)。
（1）落地剪力墻體系（簡(jiǎn)稱剪力墻結(jié)構(gòu)）由于其剛度大且分布均勻連續(xù)，對(duì)基礎(chǔ)剛度的貢獻(xiàn)最大；
（2）框架-核心筒（簡(jiǎn)稱框筒）體系，雖然核心筒的剛度很大，但外圍框架的剛度相對(duì)較小，因而對(duì)制約基礎(chǔ)內(nèi)外差異變形的剛度貢獻(xiàn)不大。
（3）筒中筒結(jié)構(gòu)體系，其外筒為密集框架（間距不大于4m）構(gòu)成，主要目的在于增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力性能，對(duì)基礎(chǔ)的剛度貢獻(xiàn)略大于框筒結(jié)構(gòu)。
3、地基、樁基條件
對(duì)于天然地基上筏板基礎(chǔ)，地基的均勻性是制約差異沉降的關(guān)鍵因素，地基土的壓縮性是影響沉降量和差異沉降的主要因素。天然地基承載力滿足建筑物荷載要求，但沉降變形不見得滿足，因而在這種情況下，變形控制分析十分重要。
樁基是高層建筑的主要基礎(chǔ)形式，然而不是樁基就能圓滿解決差異沉降問題?！镜珮妒钦{(diào)整支承剛度分布的、靈活有效的豎向支承體，因此變剛度調(diào)平設(shè)計(jì)是樁基礎(chǔ)優(yōu)化設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容】
4、相互作用效應(yīng)
承臺(tái)-樁-土的相互作用效應(yīng)導(dǎo)致：
（1）均布荷載下樁、土反力分布呈內(nèi)小外大的馬鞍形分布；
（2）基礎(chǔ)應(yīng)力場(chǎng)隨面積增大而加深；
（3）群樁沉降隨樁距減小和樁數(shù)增加而增大；
（4）基礎(chǔ)或承臺(tái)的沉降呈中部大外圍小的蝶形分布；
（5）相鄰基礎(chǔ)因相互影響而傾斜；
（6）核心筒不僅因荷載集度高而且受外圍框架區(qū)應(yīng)力場(chǎng)的相互影響而導(dǎo)致沉降加大； 等等。
六、變剛度調(diào)平設(shè)計(jì)原則
總體思路：
以調(diào)整“樁土支承剛度分布”為主線，根據(jù)荷載、地質(zhì)特征和上部結(jié)構(gòu)布局，考慮相互作用影響，采取增強(qiáng)與弱化結(jié)合，減沉與增沉結(jié)合，剛?cè)岵?jì)，局部平衡，整體協(xié)調(diào)，實(shí)現(xiàn)差異沉降、承臺(tái)（基礎(chǔ)）內(nèi)力和資源消耗的最小化。
1、調(diào)整樁土支承剛度，使之與荷載匹配
根據(jù)建筑物體型、結(jié)構(gòu)、荷載及地質(zhì)條件，選擇樁基、復(fù)合樁基、剛性樁復(fù)合地基，合理布局，調(diào)整樁土支承剛度，使之與荷載匹配。
對(duì)于荷載分布極度不均的框筒結(jié)構(gòu)，核心筒區(qū)宜采用常規(guī)樁基，外框架區(qū)宜采用復(fù)合樁基；
對(duì)于中低壓縮性地基，高度不超過60m的框筒結(jié)構(gòu)，高度不超過100m的剪力墻結(jié)構(gòu)，可采用剛性樁復(fù)合地基或核心筒區(qū)局部剛性樁復(fù)合地基；
通過變化樁長(zhǎng)、樁距調(diào)整剛度分布。
2、減小各區(qū)位應(yīng)力場(chǎng)影響
為減小各區(qū)位應(yīng)力場(chǎng)的相互重疊對(duì)核心區(qū)有效剛度的削弱，樁土支承體布局宜做到豎向錯(cuò)位或水平向拉開。采取長(zhǎng)短樁結(jié)合、樁基與復(fù)合樁基結(jié)合、復(fù)合地基與天然地基結(jié)合以減小相互影響，優(yōu)化剛度分布。
3、考慮樁土相互作用影響，采取強(qiáng)化指數(shù)
考慮樁土的相互作用效應(yīng)，支承剛度的調(diào)整宜采用強(qiáng)化指數(shù)進(jìn)行控制。
（1）核心區(qū)強(qiáng)化指數(shù)宜為1.05～1.30；外框?yàn)槎胖邞?yīng)大于一排柱，滿堂布樁者應(yīng)大于柱下和筒下布樁，內(nèi)外樁長(zhǎng)相同者應(yīng)大于樁長(zhǎng)不同、樁底豎向錯(cuò)位、水平間距較大的布局。
（2）外框區(qū)的弱化指數(shù)宜為0.95～0.85；外框區(qū)的弱化指數(shù)根據(jù)核心區(qū)強(qiáng)化指數(shù)越大，相應(yīng)的弱化指數(shù)越小的關(guān)系確定。在全筏總承載力特征值與總荷載標(biāo)準(zhǔn)值平衡的條件下，控制核心區(qū)強(qiáng)化指數(shù)，外框區(qū)的弱化指數(shù)隨之實(shí)現(xiàn)。
核心區(qū)強(qiáng)化指數(shù) ：為核心區(qū)【抗力比 】與【荷載比 】之比：
λr核心區(qū)抗力比
rak-c
核心區(qū)的承載力特征值；
核心區(qū)指：核心筒及核心筒邊至相鄰框架柱跨距的1/2范圍
rak
全筏基的承載力特征值；
λf荷載比
fk-c
核心區(qū)荷載標(biāo)準(zhǔn)值；
fk
全筏荷載標(biāo)準(zhǔn)值；
4、主裙連體設(shè)計(jì)原則
對(duì)主裙連體建筑，應(yīng)按增強(qiáng)主體、弱化裙房的原則設(shè)計(jì)，裙房宜優(yōu)先采用天然地基、疏短樁基；對(duì)于較堅(jiān)硬地基，可采用改變基礎(chǔ)形式加大基底壓力、設(shè)置軟墊等增沉措施。
5、基樁選型和樁端持力層的確定
樁基的基樁選型和樁端持力層確定，應(yīng)有利于應(yīng)用后注漿增強(qiáng)技術(shù)，應(yīng)確保單樁承載力具有較大的調(diào)整空間。
基樁宜集中布置于柱、墻下，以降低承臺(tái)內(nèi)力，最大限度發(fā)揮承臺(tái)底地基土分擔(dān)荷載作用，減小柱下樁基與核心筒樁基的相互作用。
6、共同作用分析
宜在概念設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行上部結(jié)構(gòu)-基礎(chǔ)（承臺(tái)）-樁土的共同作用分析，優(yōu)化細(xì)化設(shè)計(jì)；差異沉降控制宜嚴(yán)于規(guī)范值，以提高耐久性可靠度，延長(zhǎng)建筑物正常使用壽命。
七、樁基變剛度設(shè)計(jì)細(xì)則
1、框筒結(jié)構(gòu)
（1）核心筒和外框柱的基樁宜按集團(tuán)式布置于核心筒和柱下，以減小承臺(tái)內(nèi)力和減小各部分的相互影響。
荷載高集度區(qū)得核心筒，樁數(shù)多，樁距小，不考慮承臺(tái)分擔(dān)荷載效應(yīng)。
對(duì)于非軟土地基，外框區(qū)應(yīng)按復(fù)合樁基設(shè)計(jì)，既充分發(fā)揮承臺(tái)分擔(dān)荷載效應(yīng)，減少用樁量，又可降低內(nèi)外差異沉降。
當(dāng)存在2個(gè)以上樁端持力層時(shí)，宜加大核心筒樁長(zhǎng)，減小外框區(qū)樁長(zhǎng)，形成內(nèi)外樁基應(yīng)力場(chǎng)豎向錯(cuò)位，以減小相互影響，降低差異沉降。
（2）以樁筏總承載力特征值與總荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合值平衡為前提，強(qiáng)化核心區(qū)，弱化外框區(qū)。
核心區(qū)強(qiáng)化指數(shù)：
對(duì)于核心區(qū)與外框區(qū)樁端平面豎向錯(cuò)位或外框區(qū)柱下樁數(shù)不超過5根時(shí)，宜取1.05～1.15，外框架為一排柱取低值，二排柱取高值；
對(duì)于樁端平面處在同一標(biāo)高且柱下樁數(shù)超過5根時(shí)，核心區(qū)強(qiáng)化指數(shù)宜取1.2～1.3，一排柱取低值。
外框區(qū)弱化指數(shù)根據(jù)核心區(qū)強(qiáng)化指數(shù)越高、弱化指數(shù)越低的關(guān)系確定；或按總承載力特征值與總荷載標(biāo)準(zhǔn)值平衡，由單獨(dú)控制核心區(qū)強(qiáng)化指數(shù)，使外框區(qū)相應(yīng)弱化。
（3）對(duì)于框剪、框支剪力墻、筒中筒結(jié)構(gòu)形式，可參照框筒結(jié)構(gòu)變剛度調(diào)平原則布樁。對(duì)荷載集度高的電梯井、樓梯間予以強(qiáng)化，其強(qiáng)化指數(shù)按其荷載分布特征確定。
2、剪力墻結(jié)構(gòu)
剪力墻結(jié)構(gòu)不僅整體剛度好，且荷載由墻體傳遞于基礎(chǔ)，分布較均勻。對(duì)于荷載集度較高的電梯井和樓梯間應(yīng)強(qiáng)化布樁?；鶚兑瞬贾迷趬ο?，對(duì)于墻體交叉、轉(zhuǎn)角處應(yīng)予以布樁。當(dāng)單樁承載力較小，按滿堂布樁時(shí)，應(yīng)適當(dāng)強(qiáng)化內(nèi)部、弱化外圍。
3、樁基承臺(tái)設(shè)計(jì)
由于按前述變剛度調(diào)平原則優(yōu)化布樁，各分區(qū)自身實(shí)現(xiàn)抗力與荷載平衡，促使承臺(tái)所受沖切力、剪切力和整體彎矩降至最小，因而承臺(tái)厚度可相應(yīng)減小。【按傳統(tǒng)設(shè)計(jì)理念，樁筏基礎(chǔ)的筏式承臺(tái)往往采用與天然地基相同要求確定其最小板厚、梁高等】
對(duì)變剛度調(diào)平設(shè)計(jì)的承臺(tái)，應(yīng)按計(jì)算結(jié)果確定截面和配筋。
最小板厚和梁高：
（1）對(duì)于柱下梁板式承臺(tái)，梁的高跨比和平板式承臺(tái)板的厚跨比，宜取1/8（相當(dāng)于天然地基最小板厚1/6的3/4）；
（2）梁板式筏式承臺(tái)的板厚與最大雙向板格短邊凈跨之比，不宜小于1/16，且不小于400mm；
（3）對(duì)于墻下平板式承臺(tái)，厚跨比不宜小于1/20，且厚度不小于400mm。
（4）筏板最小配筋率應(yīng)符合規(guī)范要求。
筏形承臺(tái)的選型：
（1）對(duì)于框筒結(jié)構(gòu)，核心筒和柱下集團(tuán)式布樁時(shí)，核心筒宜采用平板，外框區(qū)宜采用梁板式；
（2）對(duì)于剪力墻結(jié)構(gòu)，宜采用平板式。
承臺(tái)配筋：
在實(shí)施變剛度調(diào)平布樁時(shí)，可按局部彎矩計(jì)算確定。
4、共同作用分析與沉降計(jì)算
對(duì)于框筒結(jié)構(gòu)宜進(jìn)行上部結(jié)構(gòu)—承臺(tái)—樁土共同作用計(jì)算分析，據(jù)此確定沉降分布、樁土反力分布和承臺(tái)內(nèi)力。當(dāng)計(jì)算差異沉降未達(dá)到最佳目標(biāo)時(shí)，應(yīng)重新調(diào)整布樁直至滿意為止。
當(dāng)不進(jìn)行共同作用分析時(shí)，更應(yīng)按規(guī)范規(guī)定計(jì)算沉降，據(jù)此分析檢驗(yàn)差異沉降等指標(biāo)。
變剛度調(diào)平設(shè)計(jì)可取得明顯的經(jīng)濟(jì)效益：變剛度調(diào)平布樁，實(shí)現(xiàn)墻柱荷載與樁土抗力局部平衡，消除馬鞍形反力分布，促使承臺(tái)沖剪彎內(nèi)力大幅減小，承臺(tái)材耗相應(yīng)降低20%～40%；剛度弱化區(qū)采用復(fù)合樁基或天然地基，發(fā)揮承臺(tái)分擔(dān)作用，從而減少用樁量20%～30%；對(duì)于符合前述主裙連體建筑可不設(shè)置沉降后澆帶的情況，不設(shè)沉降后澆帶可節(jié)約材耗人工，縮短工期。