GUANGDONG ARCHITECTURE CIVIL ENGINEERING 2009年10月
第10期OCT 2009
No．101前言
桩基础设计包括按承载力控制设计和按变形控
制设计，必须在确保建筑物整体稳定的前提下，满足其对桩基承载力和变形的要求。建筑物的变形控制包括绝对沉降和差异沉降，建筑物对后者更为敏感，差异沉降过大则可能导致上部结构开裂甚至危及建筑物的安全，是高层和超高层建筑基础设计的控制要点，因此如何采取措施控制建筑物的差异沉降，成为桩基础设计中需要解决的重要问题之一。
2上部结构与基础和地基的共同作用
上部结构与基础和地基共同作用的基本方程用下式表示［1］：
［K B +K +K S ′］｛U ｝=｛Q ｝+｛S B ｝+［K S ′］｛W ′｝⑴式中：［K B ］为上部结构边界刚度矩阵；［K ］为基础结构刚度矩阵；［K S ′］为地基刚度矩阵的扩充式；｛U ｝为位移向量；｛Q ｝为基础结构的荷载向量；｛S B ｝为上部结构的边界荷载向量；｛W ′｝为附加变形的扩充式。
上部结构、基础、地基三者在同时满足静力平衡条件和变形协调条件的情况下相互作用和相互制约，
其中任何一项刚度的变化都将对其他两项以及整体
的工作形态产生影响。在上部荷载一定的情况下，此三者的刚度分布形态将直接影响基础沉降的分布情况，据此可通过调整上部结构、基础和地基的刚度来达到减小基础差异沉降的目的。
通过共同作用分析，控制差异沉降的途径即为对上部结构、基础、地基的刚度进行调整。考虑到上部结构刚度的调整会增加自身的次生应力且受到使用功能的约束，故主要对地基土和基础的刚度进行调整。调整基础的刚度可通过增厚筏板或改变布桩方式来实现，受到工程造价因素的影响，主要通过改变布桩方式调整桩基支承刚度的方法来控制差异沉降。
3
桩基础差异沉降变形控制设计方法
目前各种现有的桩基础差异沉降变形控制设计
方法都是在上部结构与基础和地基共同作用的基础上发展起来的，并在工程实践中取得了良好的效果。
3.1桩土明确分担荷载的复合桩基设计方法文献［2］提出了桩土荷载明确分担的整体承载
力与沉降量双重控制下的复合桩基非线性设计方法，并对复合桩基的沉降计算进行了研究。
设计时在总体安全度K ≥2和总沉降小于容许
桩基础差异沉降变形控制方法研究
逯建栋1，2
（1、同济大学岩土及地下工程教育部重点实验室上海200092；2、同济大学地下建筑与工程系上海200092）
摘
要：差异沉降变形是高层和超高层建筑基础设计的控制要点，本文在分析上部结构与基础和地基共同作用的基础上，
通过调整刚度分布的方法来控制差异沉降，并阐述以差异沉降控制的桩基础设计理论的研究及其意义。
关键词：桩基础；差异沉降；共同作用；控制
Research of Deformation-Controlled Method of Piles Foundation due to Differential Settlement
Lu Jiandong 1，2
（1、Key Laboratory of Geotechnical and Underground Engineering of Ministry of Education Shanghai 200092，China ；
2、Department of Geotechnical Engineering,Tongji University Shanghai 200092，China ）
Abstract ：Deformation of differential settlement is a key control point in foundation design of high-rise or extra-high buildings.Based on the analysis of interaction among superstructure ，foundation and subgrade foundation ，differential settlement is controlled by stiffness distribution adjustment.The research and significance of differential settlement controlled pile foundation design theory is elaborated.
Keywords ：piles foundation ；differential settlement ；interaction ；control
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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 Q时，桩
数n确定如下：
n=（Q-x f A）
z
u ＝（1-
x y）Q
z
u
⑵
式中：n为桩数；Q为上部结构竖向力设计值F，基础自重设计值和基础上土重标准值G之和；x为天然地基承载力设计值的利用系数；f为修正后的天然地基承载力设计值；A为基底面积；P u为单桩极限承载力；z为单桩极限承载力的利用系数。通过上式认为群桩极限承载力Q p=z nP u为常数，其余承载部分Q s=Q-Q p由承台底土直接承担，承台分担比为：
h＝Q
s
Q＝x y⑶
式中：Q u为群桩极限承载力；Q s为承台底土分担的荷载；h为承台分担比。
以此为理论依据，文献［3］分析了桩长、桩径变化对差异沉降的影响，得出了中心布桩是均匀受荷桩筏基础的合理布桩方式，且比增加板厚更加经济有效地减小了差异沉降；文献［4］对桩筏基础差异沉降产生的机理和控制措施进行了分析，运用调整桩长的单桩变刚度法来控制桩筏基础的差异沉降，并结合某油罐桩筏基础工程实例，通过实测资料和有限元分析表明了该法控制差异沉降的有效性，如果进一步调整桩长，甚至可以实现零沉降。
3.2外疏内密布桩法
文献［5］结合共同作用的分析提出外疏内密的布桩方法，来达到使基础沉降均匀、减少上部结构次内力的目的。上部结构的刚度对改善基础受力性状的能力是有限的，当建筑物逐层增加且层数超过一定值时，基础的内力将随建筑物层数的增加呈线性增长。基础及上部结构具有较大刚度导致上部结构荷载在传至地基时向周边集中，产生了桥梁状的跨越作用，使反力呈周边大、中间小的状态，但当地基出现塑性变形时跨越作用将表现得不再明显。工程中增强边角桩或增厚筏板的保守设计和均匀布桩方式使地基刚度很大，承载力也很大，但此法常常使上部结构次内力和基础内力明显增大。
在疏桩基础中缩小桩径和桩长成为降低基础刚度的主要方法。外疏内密的布桩方法中，“疏”包括减少桩数以及缩小桩径和桩长；“密”并非简单的加密，而是内部桩的数量相对外围桩较多；通过相对的外疏内密布桩并依次调整各桩的刚度，可使筏板各点的沉降值均匀一致，尽量减少上部结构的次内力。3.3变刚度调平设计法
文献［6］提出了变刚度调平设计方法，其理论依据是基于共同作用分析，上部结构、基础和桩土的刚度对基础沉降等值线的影响很大，通过调节这些刚度分布可使得差异沉降值或其变化梯度减至很小。
考虑到改变上部结构刚度的经济性，此法主要对基础和桩土的变刚度进行调整。地基和桩基的变刚度调平简要步骤如下：①选定基础方案后布桩并确定基础板厚；②进行共同作用分析并绘制沉降等值线；
③分析沉降等值线，调整桩身尺寸或布桩方式，重新形成桩土刚度矩阵；④进行共同作用迭代计算，直至差异沉降减至很小。
3.4桩筏基础的布桩分析
文献［7］提出了以筏基无单元方法对筏板进行模拟群桩与土相互作用的解析模式，建立桩-土体系柔度矩阵的桩筏基础分析方法。该法不需要划分单元便可方便模拟形状不规则筏板，可随意进行布桩优化分析或抽桩分析。
基于此法，在桩承载力和桩本身强度足够的前提下，文献［8］对层状地基上承受均布荷载、布桩不同的桩筏基础进行了分析，给出了无量纲化的计算结果，并对布桩方式对差异沉降等的的影响特征进行了探讨，提出了基于差异沉降最小的桩筏基础的布桩分析，得出了布桩方式对差异沉降影响显著的结论。
3.5空间变刚度等沉降桩法
文献［9］认为在高层和超高层建筑的地基基础设计中应考虑地基综合刚度影响。根据应力分布规律和地基应力、应变分析，认为地基的综合刚度对基础的沉降起决定性作用，由此提出空间变刚度等沉降群桩设计新方法。此理论即为从群桩应力-应变关系出发，考虑桩土综合刚度，把群桩基础视为一个整体地基，形成空间变刚度群桩的综合刚度基础，充分利用群桩的性质，使群桩基础达到能承载、少沉降或等沉降、投资省、工期短的综合效果，这就是空间变刚度群桩等沉降的设计原则。其应用条件是桩基为摩擦桩且群桩承载力满足设计要求，基础刚度较大，上部结构较高，上部结构对基础沉降的刚度影响很小，桩土共同承担上部传下来的荷载。
空间变刚度群桩等沉降的设计步骤如下：①选择桩型和成桩工艺，初步确定平面布桩方案；②研究空间变刚度方案，确定空间长短桩方案；③进行承载力计算，使桩总反力满足承载要求；④根据桩顶反力和
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桩的沉降量，重新修改平面布桩方案和空间变刚度群桩，反复多次以使各桩桩顶沉降差控制在一定范围内（等沉降），并使桩基总沉降控制在允许范围内。
3.6塑性支承桩
文献［10］认为复合桩基设计理论的核心概念就是人为地令单桩工作荷载P接近或等于单桩极限荷载P u。特大桩距的复合桩基类似于超静定结构中的塑性铰，始终可承担极限荷载且不参与任何新荷载增量的分配，此时沉降状态仅由桩间土的抗变形能力控制，但任何一点外力的支持，比如承台底板承担新的荷载增量，阻止桩的下沉，它就可以停留在某一沉降量位置，这种特大桩距的复合桩基被称为塑性支承桩-卸荷减沉桩。
塑性支承桩的特点决定了刚性筏基筏底桩与筏底土各司其责，筏底桩顶的沉降s op由桩顶荷载Q p n 产生，而筏底与土的接触点的沉降s os仅由基底土承担的荷载P s＝（Q-Q p）A=Q s A来产生，且有s op=s os。
据此，在引入桩土的非线性共同工作模式和采用塑性支承桩的情况下，通过共同作用优化，桩数和桩的布置，使地基、基础和上部结构都充分地发挥作用，减小差异沉降。
4结语
桩基础差异沉降变形控制研究是在控制地基总体沉降的基础上发展起来的，不均匀沉降是高层和超高层建筑地基基础设计中的主要控制因素。在考虑上部结构与基础和地基共同作用的基础上，通过调整共同作用中刚度的分布形态来减小或消除差异沉降，已成为桩基础设计中的一种重要指导思想，基于共同作用机理研究的桩基础差异沉降变形控制研究将在实践中有效地指导基础设计和施工。
参考文献
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南京工业大学，2006
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［3］凌华.考虑筏板刚度的桩筏非线性共同作用分析［D］.
南京工业大学，2002
［4］余闯.复合桩基沉降计算和差异沉降控制研究［D］.南京工业大学，2003
［5］周正茂.桩筏基础设计方法的改进及其经济价值［J］.
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［6］刘金砺，迟铃泉.桩土变形计算模型和变刚度调平设计［J］.岩土工程学报，2000（2）
［7］张建辉，邓安福.无单元法在筏板基础计算中的应用［J］.
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［8］张建辉，邓安福等.基于差异沉降最小的桩筏基础分布桩分析［J］.天津大学学报，2001（5）
［9］陈祥福.超高层建筑深基础沉降理论和工程应用研究［D］.同济大学
［10］宰金珉.塑性支承桩－卸荷减沉桩的概念及其工程应用［J］.岩土工程学报，2001（3）
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4结语
在广州市电视台新址工程地下连续墙围护结构施工中，结合现场实际情况，在施工前期编制合理的施工组织设计方案；施工阶段对施工技术进行改进和加强施工管理；在整个施工过程中，对各个施工环节均进行严格的把关。从连续墙施工完成效果来看，能较好地满足设计要求和进度要求。从基坑土方开挖效果来看，基坑的止水效果和整体稳定性非常好。
地下连续墙支护形式的施工技术及方法已日趋成熟，在基坑支护工程中，它能起到挡土、挡水、止水作用，具有刚度大、整体性好，比平常使用的水泥搅拌桩支护形式更能有效地解决施工过程中出现渗水或塌方所带来的问题，因而更方便施工。
参考文献
［1］DBJ15－31－2002（广东省标准）建筑地基基础设计规范［S］
［2］GB50007－2002建筑地基基础设计规范［S］
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