地基基础设计常见问题分析与探讨
摘要：由于地质条件差异性以及影响因素多样性，地基基础设计相比上部结构设计要复杂很多，不管是地基基础方案选型还是计算分析方案确定，许多问题是没有明确答案的。本文将一些常见问题，如上部结构刚度与荷载、地质资料使用、基础方案选型及概念设计及基础分析计算等方面进行分析与探讨，供大家参考。
1 引言
从发展趋势来看，建筑结构设计将使地基基础与上部结构以大结构的形式进行充分融合，同时突显各专业的特色。地基基础设计包含两部分内容，一是地基设计，二是基础设计。地基设计属于岩土工程学科，好比“中医”是经验学科，依据规范但又不可教条。基础设计不仅是结构问题，由于与地基相连并与其相互影响，必须对地基有深入、专业的了解后进行的结构分析是解决问题的方法。
许多地基基础设计人员对地基基础设计不是太了解，往往按照上部结构的概念理解地基基础，在工作中会遇到一些“问题”无法解决。太沙基曾说过“无论天然土体结构怎样复杂，也无论我们的知识与土的实际条件有多么大的差距，我们必须利用处理问题的艺术，在合理的造价前提下，为土工结构和地基基础问题寻求满意的答案”。
本文将一些大家关心的问题提出与大家进行探讨。
2 上部结构刚度与荷载
地基基础设计的目的是为上部结构提供可靠的平台，上部结构的刚度与荷载是地基基础设计的重要依据。
问题1：荷载选择时上部结构活荷载折减系数是否考虑？
《建筑结构荷载规范》[3]5.1.2条活荷载按楼层的折减系数，明确提到设计墙、桩、基础时对表5.1.1中规定的活荷载标准值进行折减，即活荷载标准值适当降低，而表5.1.1规定的其他系数如准永久值、组合值、频遇值仍然正常执行。
本文观点：地基与基础采用的荷载都来自上部结构，应按同样规则进行处理。在基础软件中用户在交互输入的“荷载参数”菜单中可以选择楼层活荷载标准值是否折减。
问题2：水浮力计算及抗浮校核时，基本组合计算配筋时水浮力的组合系数如何选择？
根据《建筑结构荷载规范》第3.1.1条的条文说明，水位不变的水压力按永久荷载考虑，水位变化的水压力按可变荷载考虑。由于水浮力的特殊性，设计人员很难区分是永久荷载还是可变荷载，即使将它视为永久荷载，分项系数也不一定取1.2。在抗浮计算时采用的是抗浮水位，如果还取大于1的系数将会使造价大大提高，有无必要？
本文观点：针对水浮力要有独立的组合系数，如果不能明确系数，为了使结构更加安全，可以对不同系数的计算结果进行比较进行包络设计。如果水浮力乘以组合系数后大于最高水位的水浮力，可以取后者计算。
问题3:对于独基或桩承台荷载的是否按照共同作用概念进行调整？
上部结构传下的荷载是基于底层柱和墙是固定支座的假设，对于整体式基础可以通过考虑上下部结构共同作用来进行二次内力调整。从理论上说承台的沉降也会引起上部结构的荷载重新分布。
本文观点：规范对于独基或桩承台已经有明确的计算依据，表明只要沉降或沉降差满足规范要求，采用不变荷载进行设计是安全的。
3地质资料
地质资料是地基基础设计的依据，勘察报告对结构人员来说如同天书，主要原因是内容多又不知如何应用。以任务为导向是处理复杂未知问题的方法，地基基础设计关心的是承载力、沉降及稳定性，水头标高、土层分布、物理力学参数是分析的主要依据。按图索骥逆向查找相关参数，在软件的帮助下进行设计。
问题1：土承载力的取值依据规范要进行深度修正及宽度修正。在修正时遇到复杂情况，如裙房采用部分抗水板，抗水板对土不能约束时如何修正承载力？
主楼采用筏基或桩筏，裙房采用独基或桩承台加抗水板可以节省造价，但是抗水板对土体不能构成约束，无法深度修正，主体结构下承载力的取值问题是大家关注的问题。
本文观点：各地抗水板有不同的做法，如果板与土采取隔离措施，按规范不进行深度修正。如果抗水板刚度大，与土直接接触，可以进行深度修正。
问题2：桩承载力计算的依据是采用勘察资料数据还是采用桩基规范？
摩擦桩广泛应用于沿海地区，设计人员发现勘察资料提供的摩擦力比桩基规范提供的摩擦力要低，计算的桩长、桩基造价相差很大。通过工程桩承载力测试，发现桩基规范提供的承载力更加接近实测，造价更低。
本文观点：以上两种只能作为参考，以实测为准，为了使方案经济安全，在方案设计前试打桩并进行试桩校核。
问题3：Ｅs值不同压力段值是不一样的，e-P曲线一般是针对某一土样的，如何取综合值？
《建筑地基基础规范》4.2.2：“地基土工特性指标的代表值应分别是标准值、平均值及特征值。压缩性指标应取平均值。”如果对于同一土层的若干条曲线，可加以平均后提供土层的代表性的综合压缩曲线。
4 基础方案选型及概念设计
许多设计人员往往认为基础设计比上部结构难，无从下手。原因在于心中无物，无参照的经验。如果有人帮你完成基础方案，你只要完成软件操作计算，你就会觉得与上部结构一样简单。基础方案选择时考虑因素多，是概念设计范畴。基础方案选择更是一门如太沙基所说的“艺术”。
问题1：当有多塔楼或带裙房时，筏基重心校核时如何选择荷载及区域？
《建筑地基基础规范》8.4.2：“对单幢建筑物，在地质土比较均匀的条件，基础平面形心宜与结构竖向永久荷载重心重合。当不能重合时，在作用的准永久组合下，偏心距e宜符合下式规定：
e≤0.1W/A
对于多塔楼或带裙房工程，为了防止各个塔楼的基础产生倾斜，对于各个塔楼及裙房要分开校核。
当设置后浇带时，筏基重心校核还应根据后浇带所围成的区域进行校核，以保证施工阶段基础不发生倾斜。
问题2：对于一个建筑物如同时可否天然地基、复合地基、桩基等多种基础形式混用，如何保证基础的调平？
建筑群分布区域大，建筑荷载、结构刚度及地基都可能不同，这种情况下通过有区别的加固地基土，就自然成了变刚度调平。
为了保障基础调平，要重点把握以下3要点：
（1）控制总沉降量。对于桩基础务必选择较好持力层。总沉降量小，差异沉降就小，这对调平基础有着重要指导意义。当土层较差时，则应用长桩，不能用短桩+多桩数的方案。
（2）对于建筑群下的不同基础形式进行分区沉降估算。对于天然地基、复合地基、桩基，各个规范都给出各自的沉降计算经验式。这些经验式也是统计回归的结果，具有一定准确度。
（3）对于没有把握的项目，设置沉降后浇带，先期释放一部分沉降差，从而减小封闭后的沉降差，使得后期沉降调平。
问题3：后浇带设置是调节差异沉降，在后浇带设计时所要考虑的因素是否还包括对于沉降计算不确定性的安全保障？
当上部结构荷载、刚度差异性大，地质条件、基础形式不同时，建筑物会发生差异沉降，设计人员处理不均匀沉降有多种选择。第一类是“放”，设置沉降缝是早期做法，后来大多采用后浇带方法。第二类是“抗”，采用刚度大的梁、板来进行内力调整。第三类是“调”，采用各种方法，如“减沉”、“增沉”，使各个部位差异沉降最少化。
本文观点：沉降精确计算与观测，是各种方法实施的关键，“先调、多放、后抗”是保证基础工程经济安全的有效方法。
5 基础分析计算
5.1独基及桩承台分析计算
独基设计从过去的单一设计向复杂设计转变，带来的问题是过去没有过的，如：
问题1：独基、桩承台与抗水板混用时如何计算及配筋？
独基、桩承台与抗水板混合使用，可以节省造价，但是计算方法规范没有规定，设计方法不统一。
本文观点：独基、桩承台应完成独立承担及共同受力的双重功能。抗水板的设计只需完成独立承担防水功能与共同受力的其中单个功能设计。
问题2：独基的剪切计算有无必要？
《建筑地基基础设计规范》在2011年增加了独基的剪切计算，许多设计单位认为没有必要。
基础设计规范在8.2.9条提出的抗剪验算是有条件的，并非所有独基都要抗剪验算。即只有长方形独基，且短边宽度小于一倍柱宽加两倍基础有效高度，此时长条形独基近似于梁来验算其抗剪。
本文观点：有些特殊情况会发生剪切破坏，规范计算内容有必要。如果土反力不是线性分布时，计算结果偏于保守。
问题3：桩竖向承载力及水平载力校核如何进行？
《建筑桩基技术规范》规定了轴心竖向力与偏心竖向力下桩承载力的计算与校核，对于什么是轴心竖向力、什么是偏心竖向力下，设计人员也很困惑。
本文观点：轴心竖向力是忽略偏心与弯矩，计算桩反力的平均值。偏心竖向力是考虑偏心与弯矩，计算桩反力的最大值。校核承载力要同时满足。
问题4：两桩承台没有采用梁式配筋会不安全吗？
两桩承台在2008年以前一直采用板式配筋，安全性是有保证的。现在采用梁式配筋，与原来相比安全度提高，受力机理更加明确，计算简化，更能反映实际情况。
问题5：锥形承台角桩冲切计算，规范公式是按阶梯承台给出的公式，没有考虑坡面砼的抗剪作用，是否按砼规范冲切公式重新确定？
本文观点：规范方法是简化方法，便于手工校核，规范角桩冲切公式8.5.19-5[1]适用于锥形承台和阶梯承台。地基规范中关于承台、梁、板等砼冲、剪、弯都是依据《混凝土结构设计规范》相关规范，如果对于规范中没有提到的复杂情况应根据受力机理重新推导公式。
问题6：桩与承台的连接是刚接还是铰接？如何构造才能保证刚接？刚接计算的桩顶弯矩如何在承台计算中进行考虑？
桩与承台连接节点刚度与桩身进入承台深度、桩纵筋分布形式和锚固长度有关。按照JGJ94-2008规范施工的灌注桩，节点刚度多为半刚接（即介于刚接和铰接之间）。对于管桩，如果采用填芯法锚入承台，则为铰接；如果在桩端头板焊接纵筋锚入承台，则为半刚接。
在计算群桩基础的竖向承载力时，将节点刚度简化为铰接，是一种可行的简化方式。
在计算群桩基础水平承载力时，或者计算水平荷载作用下群桩中基桩弯矩时，可将节点刚度简化为刚接，得到弯矩后进行塑性调幅。
理论上，桩顶弯矩要反作用于承台底部。但在工程实践中验算承台时，这一项非常小，常忽略这一项。
问题7：单桩承台及两桩承台的计算时，单桩承台两个方向及两桩承台弱轴方向没有考虑的弯矩如何合理解析？
本文观点：《建筑桩基技术规范》4.2.5条规定单桩承台两主轴方向应设联系梁，两桩承台应在弱轴方向设置联系梁。从力学分析角度看，没有考虑的弯矩将发生转移，转移给联系梁。当然实际受力时，由于桩与承台不是理想铰接，桩会也承担部分弯矩。桩身除受压力外还承受一定的剪力与弯矩。
问题8：如果水平承载力不足，能否整体考虑，如局部不足如何进行处理？
对于软土地区或液化土要特别关注水平承载力校核，如果局部不足，可以整体考虑，通过梁、板等构件增加整体性来实现。对于承台底部及侧向土体比较好时，承台底土摩擦力及承台侧土反力是抵抗水平力的重要组成部分。
本文观点：为了计算方便，如桩水平承载力足够承担水平力，其它因素不罗列。如不足，整体校核。如整体不足够，考虑台底土摩擦力及承台侧土反力。如还足够，考虑对基础方案进行修改补充。
5.2梁式基础、筏板基础分析计算
梁式基础、筏板基础是整体式基础，由梁下土和筏板下土承受上面的荷载，承载力计算、沉降计算、内力配筋计算时，设计人员也会面对各种问题及选择。
问题1：梁式基础承载力校核是以平面反力假设的结果为依据还是以弹性地基梁计算为依据？
目前箱筏规范对筏板基础承载力校核是有明确规定的（与独基相同）[5]，但对梁式整体基础没有提及，弹性地基梁程序对于整体性梁式基础是模拟开洞筏板方式验算承载力。用弹性地基梁最大反力验算承载力过于保守。
问题2：梁式基础加抗水板如何计算？
在实际工程中梁式基础常常与抗水板混用，在计算中可以不将抗水板考虑进来，也可以用一般筏板基础进行考虑，抗水板与普通筏板不同在于板与土不进行力的传递。
问题3：基床系数的合理选取，如何理解各种方法数值的差异性？是否考虑上部结构刚度？
基床系数是WINKLER模型重要参数，将土对基础的约束假设成相互独立的面弹簧。
目前有多种确定基床系数的方法，有基于基础底土性的经验查表法，有基于实测沉降或计算沉降反推的刚度法。前者由于历史原因与后者相差很大，前者可能是后者的10倍。查表法适用于单一建筑仅计算内力的情况。由于目前软件能相对准确考虑上部结构刚度，因此对于复杂大型基础调平设计，特别是存在较大沉降差情况下，基于实测沉降或计算沉降反推的刚度法是理论上严密，计算值合理的一种方法。
问题4：筏板厚度取值如何做到安全经济？
筏板厚度直接影响基础造价，许多设计人员及软件开发商在筏板厚度上动脑筋。筏板厚度往往与冲切计算相关，冲切计算影响最大的是冲切力计算时的桩土反力，不同软件采用桩土反力不一样，筏板厚度会相差很大。冲切破坏是脆性破坏，应按照规范计算桩土反力，在桩土反力不确定时是要取偏于安全的计算值。
筏板作为上部结构的平台，除了满足强度要求外，刚度要求也是必需的。
问题5：筏板中梁的作用及如何与板协同承担内力？
按照有限元计算原理，筏板中梁与板在受力时在变形协调条件下按其相对刚度进行内力分配。无论筏板厚薄，梁的相对刚度是否可以以作为筏板的支座，在筏板分析时梁与板都是作为整体化进行考虑的。
5.3桩筏基础分析计算
桩筏基础是高层建筑最常见的基础形式，是整体式基础。桩长、桩径、施工方法选择与地质条件有关，桩的排布与上部结构荷载分布相关，合理的选择使桩筏造价更低。为了减少桩数或桩长，设计人员会利用桩间土承载力，如复合桩基、沉降控制复合桩基。为了节省造价，利用桩承台与抗水板混用。方法千变万化，目的是在安全与经济之间找到平衡点。
问题1：桩间土反力如何考虑？以多少比例考虑？
当荷载作用于桩筏基础引起下沉时，桩、土会同时受力，桩的刚度大小、土的刚度大小、桩间距大小、荷载水平、作用时间都会影响桩、土反力分布。在设计时为了简化可以忽略土反力，也可以考虑一定比例的土反力，这种随意性会引起设计人员的困惑。
本文观点：地基基础设计实际是安全度设计，在整体承载力满足规范前提下，忽略土反力和考虑土反力只是安全度不同而已。此时，地基基础沉降计算显得更加必要。
问题2：沉降计算方法如何选择？
现行地基基础规范关于桩基础沉降计算方法分三类，第一类是实体深基础法，第二类是明德林应力公式法，第三类是沉降控制复合桩基法。不同的规范即使方法一样但是修正系数及计算深度不同，计算值也各不相同。不同的方法它都有自己的适用范围及条件，如何正确选用也是设计人员面临的难题。
本文观点：任何规范任何方法是对过去已知工程的经验总结，有各自的适用范围与应用条件，是作为工程设计的参考依据。对于复杂的地基基础工程往往不是用规范已有方法能准确计算的，需要当地的经验及工程师的判断力。
问题3：桩反力计算及内力分析的模型选择
从理论合理性来判断，内力计算应与沉降计算统一，但是由于岩土工程师与结构工程师关注重点不一致，前者关注地基的沉降，后者关注内力配筋，所以目前有许多矛盾点。桩反力计算及内力分析的模型选择不同，计算结果的差异性也会不同，设计人员要清楚了解计算模型基本假设。对于复杂工程多模型的比较及包络是解决复杂问题的方法。
问题4：对于桩筏筏板有限元计算结果中的应力集中如何进行处理后进行配筋更加合理？
只要存在集中荷载及刚度突变，就可能出现应力集中。应力集中现象在桩筏、筏板有限元计算中比较突出，在计算分析中将柱、桩作为一个节点来假设使应力集中现象更加明显，在程序中去掉柱、桩范围内的计算值，与刚域处理方法类同。有限元的计算是基于弹性假设，砼构件的配筋是基于平截面假设、砼受压不受拉的极限状态计算值。从有限元计算值到构件配筋值是一种工程化的处理方法，混凝土配筋的极限设计可以有效地解决弯矩集中问题，故常用方法有按指定相同配筋区域，将计算的峰值在一定方向上与周边平均，保证区域内总弯矩与总钢筋量匹配。在配筋方式上也可对峰值区域补加短筋。
有些软件为了解决峰值问题，将力的扩散错误地用于有限元计算，将内力与外力混淆，使计算值失真。
6 其它问题
地基基础设计中还会遇到许多暂时难以解答的问题，在此只罗列几个：
问题1：土的参数在水位发生变化时也会发会发生变化，如何取参数更加合理？
问题2：山坡地建筑基础设计考虑的因素。
问题3：多种基础形式混合使用时地震条件下会发生什么不利状况？
7结论
地基基础设计涉及结构工程和岩土工程两个学科，存在较大难度，所以本文针对地基基础设计中常见问题进行探讨。希望引起大家的思考，对地基基础设计中的“疑点、难点、新技术”进行深入的研究，更加深入地理解规范条文原理及适用范围，设计出经济合理、安全、符合规范的地基基础方案。
参考文献
[1] GB50007-2011, 建筑地基基础设计规范[S]. 中国建筑工业出版,2011.
[2] JGJ94-2008, 建筑桩基技术规范[S]. 中国建筑工业出版,2008.
[3] GB50009-2012,建筑结构荷载规范[S]. 中国建筑工业出版,2011.
[4] 陈岱林.PKPM基础设计软件功能详解.北京：中国建筑工业出版,2009,240-245.
[5] JGJ6-2011，高层建筑筏形与箱形基础技术规范[S]. 中国建筑工业出版,2012.
