桩土共同作用机理与设计探讨

桩土共同作用机理与设计探讨

张敏　　上海联创建筑设计有限公司　　２００１２０

摘　要：本文阐述基础设计中桩土之间的共同作用机理，介绍了以沉降控制为主的控沉疏桩方法和同时考虑桩与浅基土强度的经验设计方法。并对某

高层建筑基础采用几种方法进行计算比较，分析其中蕴涵的显著经济效益，提出需要注意的问题。关键词：共同作用　　控沉疏桩　　沉降漏斗　　协力疏桩随着经济建设的发展，高层建筑越来越多，桩筏、桩箱基础由于其在控制沉降和满足承载力要求方面的可靠性而应用越来越广泛。但目前传统的桩基设计方法已显得不能适应现在工程设计的需要。为此，不少学者、专家及工程设计人员进行了一系列比较深入的探讨和研究。将桩基与天然地基有机组合在一起，充分发挥两者的优势，共同承担上部荷载，形成复合桩基，自然成为人们的一种选择。随着桩基应用的广泛，经验的不断积累以及对桩土相互作用机理认识的不断加深，产生了很多有价值的新理论新设计方法。如上海、温州等地区应用控沉疏桩方法设计了一批多高层建筑，取得了很好经济效益，并积累了许多宝贵的经验。目前桩筏基础设计中研究的方向不少，归纳起来有二类：一类是沉降控制为主的控沉疏桩方法，另一类是同时考虑桩与浅基土强度的经验设计方法。

分上部结构荷载，而按常规桩设计不考虑浅基础的承载力，并且桩采用特征值，这显然不合理，必然造成极大浪费，有些时候由于布桩过密甚至打不下去。从强度储备来说，基础具有ｆＡ＋ＱｕＮ承载力（ｆ地基土承载力特征值，Ｑｕ桩极限承载力，Ａ基础面积，Ｎ桩数），而采用的仅仅是ＱｕＮ／２这部分，储备比使用部分大甚至大得多，这显然也是不合理的。再从变形要求来说，上部结构对于基础的唯一要求就是沉降量及沉降差，而不是强度，也就是说只要基础不超过一定的沉降量及沉降差，是完全可以的，所以采用以沉降控制为主，强度控制为辅的双控设计方法应是一种先进合理的设计方法。目前常用的桩基设计方法有以下几种：

２．１，沉降漏斗法

它主要是利用单桩的静载荷试验成果来进行计算的。这种方法概念清楚，计算简单，适合手算，并较好反应了极限荷载下桩的沉降特征。它基于两个假定：桩距大于等于６倍桩径时，群桩中单桩的承载力与变形特征和单桩静载荷试验相近；桩间土的特性假定与天然地基相同，不考虑加桩后的土性改变（一般情况下由于桩挤密作用，对承载与沉降是有利的）。其设计方法为：

２．１．１，使基础产生一定预设沉降量，按天然地基沉降计算即采用分层总和法反算出基底处最大附加应力σ，这样可充分发挥土的承载能力。预设沉降量按Ｓ－１０ｍｍ计算，其中１０ｍｍ是留给桩荷载沉降的。基底总荷载减去天然地基承担荷载，剩下的就是桩承担的荷载。

２．１．２，求桩数

ｎｐ＝［Ｎ－Ａ（σ＋γｈ）］／Ｑｕ

Ａ——基础面积；Ｎ——基底竖向总荷载；γｈ——基底处土自重应力；Ｑｕ——单桩极限承载力

２．１．３，求桩间距ｔ＝（Ａ／ｎｐ）１／２

２．１．４，算沉降

Ｓ＝Ｓｓ＋ＳｐＳｓ——基底附加应力产生的沉降量；Ｓｐ——桩产生的沉降量；Ｓｐ＝ｎｐν／Ａ；ν是单桩产生最大沉降Ｓ０时的沉降漏斗体积

沉降漏斗实际上是个反映桩身及桩尖、桩周土各项指标的沉降综合量，由于桩数较少，所以一般Ｓｐ都小于１０ｍｍ，在桩间距等于６Ｄ时桩截面占地基土面积的比例为：

（Ｄ／２）２π／（６Ｄ）２＝２．１８％

可见在疏桩情况下，桩截面占地基土面积的比例是很小的，对天然地基性质的影响也很小。

２．１．５，地基承载力安全系数校核ｋ＝（２ｆＡ＋Ｑｕｎｐ）／Ｎ≥２

此方法计算有两条件应满足：基础沉降量Ｓ要大于Ｓ０（单桩极限承载力所对应的沉降）使单桩承受极限力；桩间距最小要大于５Ｄ，已满足假定。

２．２，Ｍｉｎｄｌｉｎ应力法

它是上海市地基基础设计规范采用的方法。基于弹性理论的Ｍｉｎｄｌｉｎ公式计算的，即当半空间体内部有一集中荷载时求土中应力的解。当桩上作用一竖向荷载Ｑ时，可将其分成桩尖荷载Ｑ１，均匀分布的摩擦力Ｑ２，三角形分布的摩擦力Ｑ３。利用Ｇｅｄｄｅｓ已求出的桩尖荷载Ｑ１，均匀分布的摩擦力Ｑ２，三角形分布的摩擦力Ｑ３在半空间体内应力的表达式求出土中任意点产生的竖向应力。这里区分两种情况：

２．２．１，当承台底面总荷载小于各单桩极限承载力之和时，认为全部荷载由桩承担

２．２．２，当承台底面总荷载大于各单桩极限承载力之和时，承台承担的荷载为Ｐｃ＝Ｎ－ｎＰｕ

Ｎ——承台底面处总竖向荷载；ｎ——桩数；Ｐｕ——单桩极限荷载

桩基沉降的计算：在第一种情况下，按桩端以下土中的总竖向应力用分层总和法求出土的压缩（桩的沉降）。在第二种情况下，将承台底面附加应力和桩身产生的土中应力相叠加，然后用分层总和法求出沉降。

上述两种方法都是以控制沉降为目的的设计方法，而下边的则是考虑桩与浅基土强度的经验设计方法。

２．３，协力疏桩法设计原则：２．３．１，首先利用天然地基承载力，不足部分由桩来补充。

２．３．２，桩承载力用特征值设计。

２．３．３，桩长度宜大于天然地基压缩层深度，以免两部分土压力叠加。

２．３．４，桩距宜大于５Ｄ以达到疏桩的要求，浅基础应充分利用上层硬土的承载力。

２．３．５，承载力与沉降均应满足要求。验算土承载力时，将桩周３￣４倍桩径范围内承台板扣除，有效承台面积：Ａｙ＝Ａ－Ｓ＊ｎ

Ａ——承台总面积；Ｓ——桩承载所需的承台面积

沉降验算：Ｓ＝Ｓ１＋Ｓ２

Ｓ１——天然地基沉降；Ｓ２——桩基产生的沉降

１，桩土作用机理

我们知道，桩首先是通过桩周的摩擦阻力

将桩顶的力传递到桩周的土层中，当作用在桩顶的力Ｐ较小时，仅桩顶附近的桩段压缩变形，使该桩段与周围土产生相对位移，此相对位移在桩顶处最大，并随深度的增加而逐渐减少，相应的摩擦阻力也随之逐渐减少，当作用在桩顶的力Ｐ逐渐增大时，桩顶附近桩段与桩周土的相对位移超过极限值，其摩擦阻力也达到极限值而不再增大，于是桩的压缩区向下延伸，桩与土的摩擦阻力也随着向下发展，如果桩侧总摩阻力ＰＳ不足以平衡桩顶力Ｐ，则剩余部分由桩底持力层的端阻力Ｐｂ来承担。由上可知，桩侧摩阻力和桩端阻力传递荷载是有条件和先后顺序的。同样，桩身内力也是上大下小逐渐变化。对于端承桩，因为桩侧摩阻力很小，桩顶力Ｐ基本上由桩端阻力承担，同样内力也是上下一致的。

２，桩的承载能力极限状态

就竖向受荷单桩而言，其荷载－沉降曲线（Ｑ－ｓ）大体表现为陡降型和缓变型两类。陡降型属于“急进破坏”，缓变型属于“渐进破坏”。前者破坏特征点明显，一旦荷载超过极限承载力，沉降便急剧增大，只有减小荷载才能恢复继续承载的能力。缓变型破坏特征点不明显，常常是通过多种分析方法判定其极限承载力。该极限承载力并非真正的最大承载力，因为继续增加荷载，沉降仍能趋于稳定，不过是塑性区开展范围扩大，塑性沉降量增加而已。由此可见，桩在达到极限承载力的两种破坏型式下，桩基均可继续承受Ｑｕ或更大的荷载。

对于桩筏、桩箱基础及桩条形柔基础，由于它相对于建筑平面有很大的基础面积，甚至大于一层平面的面积，所以完全可以承担一部

３，工程实例计算比较

本工程为一钢筋混凝土框筒结构，２９

层，基础面积３９．２×３９．２ｍ２．基础上部荷载标准值６２９１７８ＫＮ，准永久值５８２１８０ＫＮ，基础底板加混凝土外墙８６２４０ＫＮ。埋深７ｍ。采用７００ｍｍ径钻孔灌注桩，长４０ｍ，经计算单桩承载力特征值２６３０ＫＮ，极限值５２６０ＫＮ。浅基持力层土修正后承载力特征值２６５Ｋｐａ。各土层的物理力学性能略。

（下转第１０６页）

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经　济　管　理　论　坛

中国科技信息２００５年第７期　　　　ＣＨＩＮＡ　ＳＣＩＥＮＣＥ　ＡＮＤ　ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ　ＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ　Ａｐｒ．２００５

（上接第７４页）上突破家族式管理的束缚，切实加强制度建设，改变原有的家族式管理模式，建立健全科学的人力资源管理制度。３．２．１，设计科学有效的用人制度。企业应在观念上冲破宗族观念的束缚，举贤任能，大胆启用具有管理特长和专业技能的人才进入企业中高层，家族成员不适应管理的应放弃管理位置。同时吸收各种层次、各种背景的人才，在企业中形成多种文化交融的局面，增强企业竞争力。３．２．２，建立公平的业绩评估体系。企业设定切实可行的组织目标，并努力取得与这个目标最大限度地和谐一致。这样既可以在行动过程中产生动机．引导和调节员工的行为方式，也可以为行为结果的评价提供依据。只有合理公正地对员工的工作业绩进行评估，才能营造出公平的竞争环境。３．２．３，创立有效的激励机制。激励在人力资源管理中具有极其重要的功能。激励方式可分为物质激励和精神激励两种。我国的民营企业要以薪酬和福利等物质激励手段为基础，在精神激励方面进行不断创新。参考文献：１、周三多．管理学——原理与方法［ＭＩ．复旦大学出版社，１９９７．２、李亚．民营企业人力资源管理［Ｍ］．北京：中国方正出版社，２００３．３、赵曙明．人力资源管理研究［Ｍ］．中国人民大学出版社，２００１．４、王晓明．私营企业管理如何坚持以人为本［Ｎ］．北京科技报２０００，１１、５．５、姜宪利．论变革时代的管理创新［Ｊ］．经济论坛，２００１，（２１）．（上接第７６页）　素质提高会计从业人员的整体素质，是实现会计制度规范化的基本前提。提高会计从业人员的素质需要做好两个方面的工作，一方面要提高会计人员的素质，具体措施是把好会计人员的入口关，严格执行从业人员管理办法的规定，加强会计人员的继续教育，使之不断提高业务水平和职业技能；另一方面要提高企业领导者的素质，通过定期举办高级人才业务培训班，广泛宣传新出台的会计法规、会计政策等方面的内容，使企业的领导者了解会计知识，能够看懂会计资料，进行财务分析并做出科学的财务决策，同时让他们深刻认识到自己在会计工作中的职责，判断自己和会计人员的行为哪些是合法的，哪些是非法的，真正担当起会计责任主体的重任。３．４，加快会计电算化进程，为会计规范化提供有力保障随着经济条件的改善和管理水平的提高，会计电算化取代手工记帐是时代发展的必然，对于中小企业来说只不过是早晚的事情。会计电算化可以提高会计人员的工作效率，实现某些信息的资源共享，提高会计工作的规范化程度。因此，必须加快中小企业的会计电算化进程。一是加快中小企业对计算机硬件和软件的投入；二是加强中小企业会计人员的电算化培训，提高操作技能。参考文献１、刘国光、施晓红，中小企业经营管理［Ｍ］，民主与建设出版社，２００１２、李明辉，浅谈中小企业内部控制［Ｊ］，上海会计，２００２（７）３、陈疏圭、应唯，中小企业国际会计指南［Ｊ］，会计研究，２００１（１２）４、陈少华，论我国小气业会计核算与财务报告的改进［Ｊ］，财务与会计，２００２（５）５、何玉，关于会计制度的思考，立信会计高等专科学校学报［Ｊ］，２００２（９）与前景》，国家信息化办公室委托研究报告，２０００年２月。２．Ａｎｄｅｒｓｅｎ，Ｄ．Ｆ．　ａｎｄ　Ｓ．Ｄ．Ｄａｗｅｓ．１９９１．ＧｏｖｅｒｎｍｅｎｔＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ　ＮＪ　：Ｐｒｅｎｔｉｃｅ　Ｈａｌｌ．３．Ｃｌｅｖｅｌａｎｄ，　Ｈ．１９８５．　Ｔｈｅ　Ｔｗｉｌｉｇｈｔ　ｏｆ　Ｈｉｅｒａｒｃｈｙ　：Ｓｐｅｃｕｌａｔｉｏｎ　ｏｎ　Ｇｌｏｂａｌ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｓｏｃｉｅｔｙ．　Ｉｎ　ＰｕｂｌｉｃＡｄｍｉｎｉｓｔｒａｔｉｏｎ　Ｒｅｖｉｅｗ　４５（２）１８５－９５．４．Ｃｏｈｅｎ　，Ｓ．１９８８．　Ｔｈｅ　Ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ　Ｐｕｂｌｉｃ　Ｍａｎａｇｅｒ　．ＣＡ：Ｊｏｓｓｅｙ－Ｂａｓｓ．５．ＣＩＴＵ　，１９９６　，Ｔｈｅ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｄｅｌｉｖｅｒｙ　ｏｆＧｏｖｅｒｎｍｅｎｔ　Ｓｅｒｖｉｃｅ６．Ｄｒｕｃｋｅｒ，Ｐ．　１９８８　．Ｔｈｅ　Ｃｏｍｉｎｇ　ｏｆ　ｔｈｅ　ＮｅｗＯｒｇａｎｉｚａｔｉｏｎ　，Ｉｎ　Ｈａｒｖａｒｄ　Ｂｕｓｉｎｅｓｓ　Ｒｅｖｉｅｗ　，Ｊａｎ／Ｆｅｂ，ｐｐ．４５－５０．７　．ＧＩＴＳ．１９９４．　Ａ　Ｖｉｓｉｏｎ　ｆｏｒ　Ｇｏｖｅｒｎｍｅｎｔ　ＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｓｅｒｖｉｃｅ　ａｎｄ　ｔｈｅ　Ｎａｔｉｏｎａｌ　ＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＩｎｆｒａｓｔｒｕｃｔｕｒｅ．８．Ｏｆｆｉｃｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｖｉｃｅ　ｐｒｅｓｉｄｅｎｔ，１９９４．ＲｅｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＴｈｒｏｕｇｈ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　．９．Ｓｔａｒｌｉｎｇ　，Ｇ．　１９９３．Ｍａｎａｇｉｎｇ　ｔｈｅ　Ｐｕｂｌｉｃ　Ｓｅｃｔｏｒ　．４ｔｈ　ｅｄ．　ＣＡ　：　Ｗａｄｓｗｏｒｔｈ　Ｃｏ．（上接第１０７页）３．１，采用沉降漏斗法３．１．１，预设沉降量Ｓ＝１２０ｍｍ，则桩间土在此沉降产生的附加应力，按分层总和法计算：Ｓ－１０＝ψ４σ／ＥｓｉΣ（αｉＺｉ－αｉ－１Ｚｉ－１）　　　　计算过程从略，σ＝７４．５Ｋｐａ３．１．２，计算桩承担的荷载并求桩数：ｎｐ＝［Ｎ－Ａ（σ＋γｈ）］／ＱｕＮ＝５８２１８０＋８６２４０＝６６８４２０ＫＮ　　Ａ＝３９．２×３９．２＝１５３６．６Ｍ０５２　　Ｑｕ＝５２６０ＫＮｎｐ＝［６６８４２０－１５３６．６（７４．５＋８．５×７）］／５２６０＝８７．９　　需桩约８８根，取１００根３．１．３，求桩间距ｔ＝（Ａ／ｎｐ）１／２　　ｔ＝（１５３６．６／１００）１／２＝３．９１ｍ取间距３．９ｍ３．９／０．７＝５．５７＞５Ｄ　　满足疏桩的要求３．１．４，算沉降Ｓ＝Ｓｓ＋Ｓｐ　Ｓｓ＝１１０ｍｍ　Ｓｐ＝ｎｐν／Ａ　取Ｓ０＝６０ｍｍν＝３Ｄ２πＳ０　　ν＝３×７００２×３．１４×６０＝２７６９４８０００ｍｍ３Ｓｐ＝１００×２７６９４８０００／１３５６．６×１０００２＝２０ｍｍ则有Ｓ＝１１０＋２０≈１３０ｍｍ３．１．５，地基承载力安全系数校核ｋ＝（２ｆＡ＋Ｑｕｎｐ）／Ｎ≥２ｋ＝（２×２６５×１５３６．６＋５２６０×１００）／６６８４２０＝２　满足要求３．２，采用协力疏桩法假定采用１００根桩　　　　Ｓ＝（１．５×０．７）２×３．１４＝３．４６２ｍ２计算桩间土承载力时采用的面积Ａｙ＝Ａ－Ｓ＊ｎ＝１５３６．６－６－３．４６２×１００＝１４３３ｍ２桩承担的荷载Ｎ－ｆＡｙ＝６６８４２０－２６５×１４３３＝２８８６７５ＫＮ２８８６７５／２６３０＝１０９．７　　取１１０根桩平均间距ｔ＝（１５３６／１１０）１／２＝３．７４ｍ３．７４／０．７＝５．３４＞５Ｄ　　满足疏桩的要求（上接第１０５页）四、我国政府信息化与电子政务的应用及实施策略在推动政府信息化的过程中，必须创造电子政务的体制条件，不断推进行政体制改革。第一，按照市场经济的要求，定位政府的角色，减少政府不必要的干预。实现政企分开；在处理政府与社会的关系时，主要是大力培育和发展社会中介组织，加快事业单位改革的步伐，将政府的一些职能交给中介机构，并实现政事分开和政社分开。第二，对现有的行政流程进行改造，使政府管理和服务更加“简便、透明和高效”。行政流程的科学、合理，是政府提供有效管理与服务的程序保证。一是要建立统一的政府部门工作规范。二是对现行的行政审批制度进行必要的改革。三是制定有关政务公开的具体实施办法，提高政府管理的透明度。四是要认真清理收费项目，改革收费管理制度。参考文献：１、张成福，《中国政府信息化：发展、问题４，结论由上可知，虽然采用的理论不同但两种计算方法结果很相近，一个为１００根，另一个为１１０根，误差１０％。而采用常规桩基础经过ＪＣＣＡＤ计算需要２３４根同样的桩。则采用上述两方法比常规桩基减桩５７．４％。但值得注意的是，在采用协力疏桩法基础和其它复合桩基础时，桩承载力均采用特征值，而经过计算和实测建筑物沉降又往往在６￣１０ｃｍ以上，根据变形协调原理桩沉降也达到相应值，此时桩承载力已远远超过特征值，而达到极限值。虽然应力可以在桩和桩间土之间互相转换而总的安全度并没减少，但在计算板内力和板冲切等时应采用极限值，而不是特征值或特征值的１．２５倍，否则是很不安全的。－１０６－