摘 要：当建筑高低层荷载差异较大且位于同一基础底板上时，尤其当基底持力层土质为深厚或不均匀软粘土层时，差异沉降问题就显得尤为突出。本文基于变形控制，在北京海淀区某工程地基基础方案优化设计中采用PSFIA分析软件进行地基与基础协同作用分析，最终实现了部分钻孔灌注桩桩基方案到CFG桩地基处理方案的优化，部分钻孔灌注桩方案布桩方式的优化以及基础底板厚度变薄的优化等，在保障工程安全的基础上大幅节约工程造价，创造了较大的经济效益。
关键词：差异沉降；优化；地基基础方案
1 引言
　　随着近年来中国经济的腾飞，城市迎来大规模的土地开发，高层、超高层建筑或建筑群亦随着城市建设的潮流如雨后春笋般，遍地崛起。这些建筑或建筑群普遍具有体型复杂多变、高低层错落、埋深较大、荷载不均匀等特点[1]。当高低层位于同一基础底板上，而受压层为深厚或不均匀的软粘土层时，差异沉降问题会非常突出，此时地基基础方案的合理选择就至关重要，直接影响到工程安全。而在保证工程安全的前提下，尽可能节约工程造价是建设单位及设计单位共同关注的问题。
　　本文基于变形控制的原则，应用“PSFIA”专业分析软件，在对北京海淀某工程地基基础设计方案充分分析的基础上，从多方面优化了初始地基基础方案，较大程度的节约了工程造价，创造了较大的经济效益。
2 建筑概况
　　本文分析的项目位于北京市海淀区中关村永丰高新技术产业基地内。由A区、B区两个建筑群的7栋主楼及与其相连的裙房、纯地下部分组成，总建筑面积为204281m2。基础形式拟采用平板式筏基，各建筑部分均位于同一基础底板上。建筑设计条件详见表1。 　　分析该项目的初始地基基础方案，B区的B2、B3楼均可调整桩基方案为CFG桩复合地基方案，而A区A3楼及B区的B1楼也有可能实现CFG桩复合地基。
　　因此，优化分析的目标为以下几个方面： 1、进行CFG桩地基处理设计，调整桩长、桩间距，优化CFG桩设计方案；2、调整钻孔灌注桩方案，从桩长、桩间距等方面进行优化；3、优化基础筏板方案，调整厚板的范围及板厚；4、进行后浇带的优化，调整后浇带位置。
　　最终通过地基与基础协同计算分析，计算各种地基基础方案的沉降量，比选地基基础方案，为基础设计提供依据。
　　4.3 地基基础方案优化的控制依据
　　如前所述，差异沉降问题是本工程的核心问题，因此，本工程地基基础方案优化应该在满足承载力要求的前提下，以变形控制为依据[3]。
　　本文将采用“PSFIA”分析软件，通过地基与基础协同计算分析，对该地块采用地基形式、地基处理方式、基础形式、基础优化方案等有深入分析和论证，提供有利于节约成本，缩减工期的最终地基基础方案。
5 地基基础设计方案优化工具
　　PSFIA方法是以大量实测资料为背景，采用桩—土—基础共同作用原理，引入桩端刺入变形概念，并提供定量计算刺入变形的参数经验公式，是一种既有先进理论为基础，又融进了地区经验的实用分析方法。该方法不仅可用于天然地基工程沉降分析、桩基工程沉降分析，还可用来分析部分采用桩基、部分采用天然地基的高低层建筑的沉降和差异沉降分布情况[4]。
　　5.1 PSFIA方法的简单原理
　　PSFIA方法是根据建筑物基础形式，采用梁板有限元法建立反映基础作用荷载和位移关系的基础刚度矩阵，根据各计算节点的地层情况。按照布辛奈斯克(Boussinesq)和明德林(Mindlin)应力假设，采用分层总和法建立起地基柔度矩阵，从而列出地基沉降与基底反力的关系式。按照地基与基础共同作用的原理，假设在各节点处基础与地基的变形协调一致，由此获得以节点位移为未知数的协同方程，采用非耦合逐次逼近法求解节点位移，然后计算出各单元节点内力及基底反力。
　　5.2 PSFIA方法的特点
　　PSFIA方法在现场足尺试验与测试的基础上，进行了分析模型的研究、数值方法的应用和大量工程实测检验，提出了一种实用简便的分析桩基工程的变形方法。该方法采用共同作用的分析原理，考虑桩—土—基础(承台)的变形协调以及桩的非线性刺入变形，可以充分地反映荷载分布、地基土层变化、基础刚度调整、桩间土荷载分担、桩端刺入变形、群桩效应等诸多因素的影响。采用增量法分多个荷载阶段计算，可拟合施工过程，反映在不同荷载阶段时地基土的变形差异；还能模拟高层主楼与周围裙房之间所设置的施工后浇缝浇灌前后基础刚度的变化，反映后浇缝对高低层建筑变形与整体内力的影响，从而可判断设置施工后浇缝的必要性以及浇灌时间；采用基底总压力计算建筑物总沉降，可用于补偿或超补偿的低层或纯地下建筑的沉降估算。由于用大量工程实测沉降资料进行“反演”，获取相关的经验参数，估算的沉降分布情况与实际较为接近，具有较高的可靠性。
6 地基基础设计方案优化过程
　　6.1 计算模型及计算工况
　　建筑物范围内按主要的平面轴网布置计算网格，共设置节点406个；采用4节点矩形和3节点的三角形板单元模拟基础底板，设置板单元 376个，梁单元226个；在拟建建筑物范围内地层划分为84个区，每个区根据土质随深度变化的情况，将基底以下的土层分为35层，每层土质参数除按勘察报告提供的土试与现场测试指标确定外，经CFG桩处理的土层按复合模量计算，其它所缺的非线性参数根据经验确定。
　　分两个阶段加荷：第一加荷阶段为沉降后浇带尚未浇灌，沉降后浇带两侧的结构相互脱离，各主楼及裙房、纯地下部分取总荷载的70％作为计算荷载计算沉降；第二加荷阶段为沉降后浇带已浇灌，沉降后浇带两侧的结构连在一起，各主楼及裙房、纯地下部分
取总荷载的70％作为计算荷载计算沉降。将第一和第二加荷阶段计算所得的沉降累加，获得最后结果。
　　6.2 地基基础方案调整
　　本工程地基基础方案优化设计分为三次进行。
　　首次分析是在初步优化原地基基础方案（A1~A3楼、B1~B3楼均采用抗压桩方案、A4楼及地下车库部分采用抗拔桩方案）的基础上进行协同计算，计算结果表明，A1楼采用钻孔灌注桩抗压桩方案、A2、A3、B1~B3楼均采用CFG桩复合地基方案、A4楼及地下车库部分采用抗拔桩方案基本可行；建议对A1楼钻孔灌注桩抗压桩方案进行优化设计（桩长、桩间距）并对CFG桩方案进行深化设计，调整后浇带位置。
　　根据优化后的地基基础方案进行了第二次计算，计算结果表明：A2、A3楼采用CFG桩复合地基方案，虽然承载力可以满足设计要求，局部高低层差异沉降不能满足相关规范的规定。
　　进一步调整设计方案，A2、A3楼采用钻孔灌注桩抗压桩方案，同时对基础底板尺寸进行优化，板厚由2.0m调整为1.8m且厚板范围相应减小，设计方案优化完成之后，进行第三次计算分析并进行了经济分析，结果表明，最终优化的设计方案是合理且经济的。最终优化的地基基础方案见“图2 最终桩位及筏板分界示意”，协同分析成果见“图3 总沉降分布示意”。 7 地基基础设计方案优化的经济成果
　　拟建工程主楼与裙房、纯地下车库置于同一基础底板之上，虽然荷载相差较大，且地下水位较高，但由于采用了天然地基+抗压桩+CFG桩+抗拔桩+筏板基础，不仅减少了拟建建筑物自身的沉降量，而且使主楼与裙房、地下车库之间的差异沉降得到有效控制。 　　表3、表4分别给出了拟建工程基础方案及地基方案优化前后的经济对比。通过对比数据可以看出，最终优化的桩基及CFG桩地基方案较初始桩基方案节约混凝土方量11846.65m3，为初始地基方案混凝土量的34.6%；最终优化的基础筏板方案较初始基础筏板方案节约混凝土量8326.11m3，为初始基础方案所耗混凝土量的20.1%。节约工程总造价约3000万余元。
　　截止本文发稿，该工程已施工至结构到顶。施工过程中沉降观测资料表明，沉降分布趋势与沉降量与本文预测基本吻合，同时表明本文优化设计的地基基础方案是安全可靠的。 　　注：1、表中钻孔灌注桩及CFG桩方量计算均未考虑保护桩长；
　　　　2、优化的地基方案将CFG桩方量和混凝土方量合并统计。

参考文献
　　[1] 于玮，张乃瑞．北京丰联广场大厦高低层差异沉降分析[A]．第五届全国岩土工程实录交流会岩土工程实录集[C]，北京：兵器工业出版社，1999年．123-126
　　[2] 顾国荣，张剑锋，桂业琨等. 桩基优化设计与施工新技术[M]. 北京: 人民交通出版社, 2011.2.
　　[3] 建筑地基基础设计规范(GB50007—2002) [M]．北京：中国建筑工业出版社，2002年． 26-30
　　[4] 唐建华，沈滨等．桩、土与基础共同作用分析方法的研究与应用[A] ．第二届全国岩土与工程学术大会论文集[C]．科学出版社：北京，2006．573-578