JCCAD计算桩筏底板实例探讨

苏州地区某超高层建筑的三层或四层外扩地下室（无上部建筑物）桩筏基础的计算沉降居然为60～90mm。

同一幢高层建筑桩筏基础按分层总和法（国家地基基础规范）、JCCAD程序（国家地基基础规范）、JCCAD程序（上海地基规范）计算桩基最终沉降量，居然得出相差甚远的结果；而且似乎没有找到问题之所在。

因此，苏州地区某超高层建筑的桩筏JCCAD计算，可以作为一个相当有趣的案例来进行探讨。

前言

PKPM系列的JCCAD程序计算桩筏基础的底板内力与桩基沉降，从编制软件者的角度看，可能已经算是完成任务了。但从我们工程师的角度来说，那顶多只能算是半成品。因为至少对于软土地区而言，计算结果实在难以直接应用到工程实践中去。

2011年2月的《建筑结构》文“苏州地区某超高层建筑基础优化设计”（以下简称“文献（一）”），给出一个应用JCCAD计算桩筏基础的底板内力的工程实例，现在根据该文给出的结果进行一些探讨。

一、苏州地区某超高层建筑资料

苏州地区某超高层建筑由三栋塔楼与裙房组成。塔楼为一座地上34层（147.15m高）办公楼与两座地上29层（99.80m高）公寓；裙房4层（总高22.40m）；地下4层，地下室埋深17.50m。总建筑面积267548平方米。地下室平面185m×182m。

立面简图见图一：

图一 立面简图

地面绝对标高3.02～3.59 m。地面以下110m深度内为第四纪早更新世Q1及其后期的沉积土层，属第四纪湖沼相、河口～滨海相松散沉积物。

±0.00相当于绝对标高3.60m，抗浮水位绝对标高2.63m，历史常年最低水位绝对标高—0.21m。

地基承载力特征值及压缩模量见表一。

表一 地基承载力特征值及压缩模量 土层名称 fak ES /MPa 5.4 8.2 6.8 6.4 桩基沉降计算ES建议值/MPa е-p曲线确定 静力触探确定 标贯试验确定 建议值 6粉质黏土 7黏土 8粉质黏土 9粉质黏土 /kPa 130 200 180 150 10粉质黏土夹粉土 170 11粉质黏土 150 12粉质黏土夹粉砂 170 13-1粉质黏土 160 13-2粉质黏土夹粉土 170 14黏土 220 15粉砂 260 16粉细砂 280 17粉质黏土 200 18粉砂 280 19粉质黏土 200 20粉砂 280 7.3 7.0 7.3 6.6 7.3 9.5 14.6 13.2 10.1 13.5 8.9 13.7 16.7 20.0 24.0 18.2 25.6 25.9 48 55 29 62 27.0 13.9 22.0 12.5 20.0 92 100 94.4 20 16 22 18 24 20 50 60 22 75 塔楼选用0.8m×50.6m钻孔灌注桩，以15层粉砂为桩端持力层；塔楼以外地下室与裙房选用0.6m×21m钻孔灌注桩，以10层粉质黏土为桩端持力层。 塔楼核心筒区域桩长比外围框架处加长4米。

采用PKPM系列JCCAD程序建立有限元模型进行沉降计算分析。 1、S1为分层总和法桩基最终估算沉降量：办公楼S1=52.01mm，南北公寓S1=45.40mm；

2、S2为JCCAD复合桩基算法平均沉降计算值：办公楼S2=188.1mm，南北公寓S2=114.4mm；

3、S3为JCCAD沉降控制复合桩基算法（上海地基规范）平均沉降计算值：办公楼S3=114.71mm，南北公寓S3=21.81mm。

与JCCAD计算值相比，办公楼、南北公寓复合桩基沉降计算值各为其分层总和法桩基最终估算沉降值的3.6倍和2.5倍；

分层总和法桩基最终估算沉降值又接近于已有实际工程的经验。 JCCAD算法的计算结果简图见图二：

图二 JCCAD算法的计算结果简图

主楼区域采用桩筏基础，办公楼与南北公寓区域底板厚度分别为2.8m与2.3m；塔楼以外和裙房区域采用柱下设置承台+筏板+抗压兼抗拔桩基础，底板厚度0.9 m，承台厚度1.7 m。

为了缓解不同区域、不同部位之间的不均匀沉降，避免筏板产生过大的应力差，在主楼与裙房之间设置沉降后浇带，须待主楼结构封顶且沉降稳定后方可封堵。

二、对外扩地下室JCCAD算法计算结果的探讨 文献（一）提供资料：±0.00相当于绝对标高3.60m，抗浮水位绝对标高2.63m，历史常年最低水位绝对标高—0.21m。

由此可得外扩地下室（指无上部建筑物的地下室）底板底面地下水浮力为1kPa（按抗浮水位绝对标高2.63m计）。即使按历史常年最低水位绝对标高—0.21m计，外扩地下室底板底面地下水浮力为136kPa。

外扩地下室为三层或四层地下室，按每层地下室平均重25 kPa，900mm厚底板加面层重25 kPa，则外扩地下室的重量125 kPa小于地下水浮力136kPa，因此基底附加压力小于零。

即使按地下水位于地下室底板底面以下计算，地下室底板底面处的土自重压力为8×17=136 kPa（此处仍按土的浮容重计算），大于地下室总重量125 kPa，因此基底附加压力小于零。

因此，外扩地下室（按箱型基础天然地基）的理论计算沉降应该等于零。 现在的外扩地下室至少是每一柱下布置一根21m长钻孔灌注桩。而图二提供的外扩地下室JCCAD计算沉降却为60～90mm。

文献（一）没有提供外扩地下室沉降计算的详细模式，因此难以判断其问题之所在。但在同等条件下，有桩的地下室计算沉降比无桩地下室要大得多，这一点违反土力学基本常识应该是确定无疑的，除非设计者有当地实践数据的支持，其计算结果方有说服力。

三、对34层办公楼JCCAD算法计算结果的探讨 由图二可知，JCCAD算法计算34层办公楼桩筏基础，中心部位计算沉降值170 mm，边缘部位计算沉降值120 mm，计算沉降差最大为50 mm。难怪底板厚度要取2800 mm。

这与上海计算桩筏底板沉降、内力的“弹簧常数法”有所不同。“弹簧常数法”根据上海地区对高层建筑的长期沉降量与沉降差的观测，得出结论： 当荷载及布桩以及地基土均较均匀，各桩位置的沉降也较均匀时，各桩的计算沉降仅与桩顶荷载有关，而与桩的位置无关。

而在JCCAD算法中，各桩的计算沉降与桩顶荷载、桩的位置都有关系。因为JCCAD算法的依据就是可以采用明德林应力公式法计算桩群中各点的沉降。这与上海地区的经验有着明显的不同。

文献（一）没有介绍设计者为何不采用上海 “弹簧常数法”作为计算前提的依据。

还有文献（一）提供的JCCAD算法计算结果简图似乎不是最终结果，因为以往多次工程桩筏设计中从未见到这样完美的椭圆形计算沉降曲线。这应该是纯粹根据明德林应力公式法计算桩群中各点沉降的结果。

而且如果存在这样大的计算沉降差，若在上海的话，设计审查人员就会告诉设计人员，这个桩基础设计有相当大的优化余地。因为对于34层的高层建筑，上海地区的一般经验是采用1800～2000 mm厚的筏板就能满足设计要求。 四、讨论

总之，出现这样奇特的桩筏底板计算结果，是由于整个工程的沉降计算出现三个结果，而且是难以协调的结果：

1、采用分层总和法（国家地基基础规范）计算桩基最终沉降量：办公楼S1=52.01mm，南北公寓S1=45.40mm；

2、采用PKPM系列JCCAD设计程序计算桩基最终沉降量（国家地基基础规范）：办公楼S2=188.1mm，南北公寓S2=114.4mm；

3、采用PKPM系列JCCAD设计程序计算桩基最终沉降量（上海地基规范）：办公楼S3=114.71mm，南北公寓S3=21.81mm。

文献（一）指出，采用分层总和法（国家地基基础规范）计算桩基最终沉降量，接近于当地已有实际工程的经验。但分层总和法不能计算桩基础每一点的沉降量。

同样根据国家地基基础规范采用JCCAD计算所得桩基最终沉降量，居然是分层总和法计算结果的3.6倍。

而根据上海地基基础规范采用JCCAD计算所得桩基最终沉降量，办公楼计算沉降量居然是南北公寓计算沉降量的5.3倍。

文献（一）没有介绍对这种巨大差异的解释，也没有介绍从单位总工到设计审查的处理意见。足见他们似乎没有得出一个确定的看法。

根据图二所示，34层办公楼桩筏基础边缘的JCCAD计算沉降为120 mm，若外扩地下室计算沉降值按土力学基本常识取为零，则主楼与外扩地下室之间的沉降差高达120mm，显然无法单靠后浇带来消减由此产生的附加弯矩。

由此可见，或许是设计者按当地已有实际工程实际沉降的经验，采取将外扩地下室计算沉降调大的技术处理手段，来降低底板内力。只是没有在文献（一）中交代清楚来龙去脉。

其实此工程桩基计算沉降与沉降差如此之大，关键在于文献（一）所指出，采用分层总和法计算办公楼的最终沉降量为52.01mm，接近于已有实际工程的经验。但可能由于缺少真正符合规定的当地长期沉降观测数据，因此设计者还是选择了偏于保守的JCCAD算法来计算桩筏基础的底板内力。

总而言之，文献（一）介绍的工程实践，由于缺少很多中间过程以及详细的数据，因此不宜直接作为成功的设计参考案例，反倒可以作为不成功的范例。