3.1 一般规定

3.1.1 本条说明桩基设计的两类极限状态的相关内容。
    1. 承载能力极限状态
    原《建筑桩基技术规范》JGJ 94-94采用桩基承载能力概率极限状态分项系数的设计法，相应的荷载效应采用基本组合。本规范改为以综合安全系数K代替荷载分项系数和抗力分项系数，以单桩极限承载力和综合安全系数K为桩基抗力的基本参数。这意味着承载能力极限状态的荷载效应基本组合的荷载分项系数为1.0，亦即为荷载效应标准组合。本规范作这种调整的原因如下：
        1) 与现行国家标准《建筑地基基础设计规范》(GB 50007)的设计原则一致，以方便使用。
        2) 关于不同桩型和成桩工艺对极限承载力的影响，实际上已反映于单桩极限承载力静载试验值或极限侧阻力与极限端阻力经验参数中，因此承载力随桩型和成桩工艺的变异特征已在单桩极限承载力取值中得到较大程度反映，采用不同的承载力分项系数意义不大。
        3) 鉴于地基土性的不确定性对基桩承载力可靠性影响目前仍处于研究探索阶段，原《建筑桩基技术规范》JGJ 94-94的承载力概率极限状态设计模式尚属不完全的可靠性分析设计。
        关于桩身、承台结构承载力极限状态的抗力仍采用现行国家标准《混凝土结构设计规范》GB 50010、《钢结构设计规范》GB 50017(钢桩)规定的材料强度设计值，作用力采用现行国家标准《建筑结构荷载规范》GB 50009规定的荷载效应基本组合设计值计算确定。
    2. 正常使用极限状态
        由于问题的复杂性，以桩基的变形，抗裂、裂缝宽度为控制内涵的正常使用极限状态计算，如同上部结构一样从未实现基于可靠性分析的概率极限状态设计。因此桩基正常使用极限状态设计计算维持原《建筑桩基技术规范》JGJ 94-94规范的规定。
3.1.2 划分建筑桩基设计等级，旨在界定桩基设计的复杂程度、计算内容和应采取的相应技术措施。桩基设计等级是根据建筑物规模、体型与功能特征、场地地质与环境的复杂程度，以及由于桩基问题可能造成建筑物破坏或影响正常使用的程度划分为三个等级。
    甲级建筑桩基，第一类是(1)重要的建筑；(2)30层以上或高度超过100m的高层建筑。这类建筑物的特点是荷载大、重心高、风载和地震作用水平剪力大，设计时应选择基桩承载力变幅大、布桩具有较大灵活性的桩型，基础埋置深度足够大，严格控制桩基的整体倾斜和稳定。第二类是(3)体型复杂且层数相差超过10层的高低层(含纯地下室)连体建筑物；(4)20层以上框架-核心筒结构及其他对于差异沉降有特殊要求的建筑物。
    这类建筑物由于荷载与刚度分布极为不均，抵抗和适应差异变形的性能较差，或使用功能上对变形有特殊要求(如冷藏库、精密生产工艺的多层厂房、液面控制严格的贮液罐体、精密机床和透平设备基础等)的建(构)筑物桩基，须严格控制差异变形乃至沉降量。桩基设计中，首先，概念设计要遵循变刚度调平设计原则；其二，在概念设计的基础上要进行上部结构—承台—桩土的共同作用分析，计算沉降等值线、承台内力和配筋。第三类是(5)场地和地基条件复杂的7层以上的一般建筑物及坡地、岸边建筑；(6)对相邻既有工程影响较大的建筑物。这类建筑物自身无特殊性，但由于场地条件、环境条件的特殊性，应按桩基设计等级甲级设计。如场地处于岸边高坡、地基为半填半挖、基底同置于岩石和土质地层、岩溶极为发育且岩面起伏很大、桩身范围有较厚自重湿陷性黄土或可液化土等等，这种情况下首先应把握好桩基的概念设计，控制差异变形和整体稳定、考虑负摩阻力等至关重要；又如在相邻既有工程的场地上建造新建筑物，包括基础跨越地铁、基础埋深大于紧邻的重要或高层建筑物等，此时如何确定桩基传递荷载和施工不致影响既有建筑物的安全成为设计施工应予控制的关键因素。
    丙级建筑桩基的要素同时包含两方面，一是场地和地基条件简单，二是荷载分布较均匀、体型简单的7层及7层以下一般建筑；桩基设计较简单，计算内容可视具体情况简略。
    乙级建筑桩基，为甲级、丙级以外的建筑桩基，设计较甲级简单，计算内容应根据场地与地基条件、建筑物类型酌定。
3.1.3 关于桩基承载力计算和稳定性验算，是承载能力极限状态设计的具体内容，应结合工程具体条件有针对性地进行计算或验算，条文所列6项内容中有的为必算项，有的为可算项。
3.1.4、3.1.5 桩基变形涵盖沉降和水平位移两大方面，后者包括长期水平荷载、高烈度区水平地震作用以及风荷载等引起的水平位移；桩基沉降是计算绝对沉降、差异沉降、整体倾斜和局部倾斜的基本参数。
3.1.6 根据基桩所处环境类别，参照现行《混凝土结构设计规范》GB 50010关于结构构件正截面的裂缝控制等级分为三级：一级严格要求不出现裂缝的构件，按荷载效应标准组合计算的构件受拉边缘混凝土不应产生拉应力；二级一般要求不出现裂缝的构件，按荷载效应标准组合计算的构件受拉边缘混凝土拉应力不应大于混凝土轴心抗拉强度标准值；按荷载效应准永久组合计算构件受拉边缘混凝土不宜产生拉应力；三级允许出现裂缝的构件，应按荷载效应标准组合计算裂缝宽度。最大裂缝宽度限值见本规范表3.5.3。
3.1.7 桩基设计所采用的作用效应组合和抗力是根据计算或验算的内容相适应的原则确定。
    1. 确定桩数和布桩时，由于抗力是采用基桩或复合基桩极限承载力除以综合安全系数K＝2确定的特征值，故采用荷载分项系数γ_G、γ_Q＝1的荷载效应标准组合。
    2. 计算荷载作用下基桩沉降和水平位移时，考虑土体固结变形时效特点，应采用荷载效应准永久组合；计算水平地震作用、风荷载作用下桩基的水平位移时，应按水平地震作用、风载作用效应的标准组合。
    3. 验算坡地，岸边建筑桩基整体稳定性采用综合安全系数，故其荷载效应采用γ_G、γ_Q＝1的标准组合。
    4. 在计算承台结构和桩身结构时，应与上部混凝土结构一致，承台顶面作用效应应采用基本组合，其抗力应采用包含抗力分项系数的设计值；在进行承台和桩身的裂缝控制验算时，应与上部混凝土结构一致，采用荷载效应标准组合和荷载效应准永久组合。
    5. 桩基结构作为结构体系的一部分，其安全等级、结构设计使用年限，应与混凝土结构设计规范一致。考虑到桩基结构的修复难度更大，故结构重要性系数γ₀除临时性建筑外，不应小于1.0。
3.1.8 本条说明关于变刚度调平设计的相关内容。
    变刚度调平概念设计旨在减小差异变形、降低承台内力和上部结构次内力，以节约资源，提高建筑物使用寿命，确保正常使用功能。以下就传统设计存在的问题、变刚度调平设计原理与方法、试验验证、工程应用效果进行说明。
    1. 天然地基箱基的变形特征
    图1所示为北京中信国际大厦天然地基箱形基础竣工时和使用3.5年相应的沉降等值线。该大厦高104.1m，框架-核心筒结构；双层箱基，高11.8m；地基为砂砾与黏性土交互层；1984年建成至今20年，最大沉降由6.0cm发展至12.5cm，最大差界沉降△s_max＝0.004L₀，超过规范允许值[△s_max]＝0.002L₀(L₀为二测点距离)一倍，碟形沉降明显。这说明加大基础的抗弯刚度对于减小差异沉降的效果并不突出，但材料消耗相当可观。

图1 北京中信国际大厦箱基沉降等值线（s单位：cm)

    2. 均匀布桩的桩筏基础的变形特征
    图2为北京南银大厦桩筏基础建成一年的沉降等值线。该大厦高113m，框架-核心筒结构；采用φ400PHC管桩，桩长l＝11m，均匀布桩；考虑到预制桩沉桩出现上浮，对所有桩实施了复打；筏板厚2.5m；建成一年，最大差异沉降[△s_max]＝0.002L₀。由于桩端以下有黏性土下卧层，桩长相对较短，预计最终最大沉降量将达7.0cm左右，△s_max将超过允许值。沉降分布与天然地基上箱基类似，呈明显罐形。
    3. 均匀布桩的桩顶反力分布特征
    图3所示为武汉某大厦桩箱基础的实测桩顶反力分布。该大厦为22层框架-剪力墙结构，桩基为φ500PHC管桩，桩长22m，均匀布桩，桩距3.3d，桩数344根，桩端持力层为粗中砂。由图3看出，随荷载和结构刚度增加，中、边桩反力差增大，最终达1:1.9，呈马鞍形分布。

图2 南银大厦桩筏基础沉降等值线（建成一年，s单位：mm）

图3 武汉某大厦桩箱基础桩顶反力实测结果

    4. 碟形沉降和马鞍形反力分布的负面效应
        1)碟形沉降
        约束状态下的非均匀变形与荷载一样也是一种作用，受作用体将产生附加应力。箱筏基础或桩承台的碟形沉降，将引起自身和上部结构的附加弯、剪内力乃至开裂。
        2)马鞍形反力分布
        天然地基箱筏基础土反力的马鞍形反力分布的负面效应将导致基础的整体弯矩增大。以图1北京中信国际大厦为例，土反力按《高层建筑箱形与筏形基础技术规范》JGJ 6-99所给反力系数，近似计算中间单位宽板带核心筒一侧的附加弯矩较均布反力增加16.2％。根据图3所示桩箱基础实测反力内外比达1:1.9，由此引起的整体弯矩增量比中信国际大厦天然地基的箱基更大。
    5. 变刚度调平概念设计
    天然地基和均匀布桩的初始竖向支承刚度是均匀分布的，设置于其上的刚度有限的基础(承台)受均布荷载作用时，由于土与土、桩与桩、土与桩的相互作用导致地基或桩群的竖向支承刚度分布发生内弱外强变化，沉降变形出现内大外小的碟形分布，基底反力出现内小外大的马鞍形分布。
    当上部结构为荷载与刚度内大外小的框架-核心筒结构时，碟形沉降会更趋明显[见图4(a)]，上述工程实例证实了这一点。
    为避免上述负面效应，突破传统设计理念，通过调整地基或基桩的竖向支承刚度分布，促使差异沉降减到最小，基础或承台内力和上部结构次应力显著降低。这就是变刚度调平概念设计的内涵。
        1) 局部增强变刚度
        在天然地基满足承载力要求的情况下，可对荷载集度高的区域如核心筒等实施局部增强处理，包括采用局部桩基与局部刚性桩复合地基[见图4(c)]。
        2) 桩基变刚度
        对于荷载分布较均匀的大型油罐等构筑物，宜按变桩距、变桩长布桩(图5)以抵消因相互作用对中心区支承刚度的削弱效应。对于框架核心筒和框架-剪力墙结构，应按荷载分布考虑相互作用，将桩相对集中布置于核心筒和柱下，对于外围框架区应适当弱化，按复合桩基设计，桩长宜减小(当有合适桩端持力层时)，如图4(b)所示。

图4 框架-核心筒结构均匀布桩与变刚度布桩
（a）均匀布桩；（b）桩基-复合桩基；
（c）局部刚性桩复合地基或桩基

        3) 主裙连体变刚度
        对于主裙连体建筑基础，应按增强主体(采用桩基)、弱化裙房(采用天然地基、疏短桩、复合地基、褥垫增沉等)的原则设计。
        4) 上部结构-基础-地基(桩土)共同工作分析
        在概念设计的基础上，进行上部结构-基础-地基(桩土)共同作用分析计算，进一步优化布桩，并确定承台内力与配筋。

图5 均布荷载下变刚度布桩模式
（a）变桩距；（b）变桩长

    6 试验验证
        1) 变桩长模型试验
        在石家庄某现场进行了20层框架-核心筒结构1/10现场模型试验。从图6看出，等桩长布桩(d＝150mm，l＝2m)与变桩长(d＝150mm，l＝2m、3m、4m)布桩相比，在总荷载F＝3250kN下，其最大沉降由s_max＝6mm减至s_max＝2.5mm，最大沉降差由△s_max≤0.012L₀(L₀为二测点距离)减至△s_max≤0.0005L₀。这说明按常规布桩，差异沉降难免超出规范要求，而按变刚度调平设计可大幅减小最大沉降和差异沉降。
        由表1桩顶反力测试结果看出，等桩长桩基桩顶反力呈内小外大马鞍形分布，变桩长桩基转变为内大外小碟形分布。后者可使承台整体弯矩、核心筒冲切力显著降低。

表1 桩顶反力比（F=3250kN）

        2)核心筒局部增强模型试验
        图7为试验场地在粉质黏土地基上的20层框架结构1/10模型试验，无桩筏板与局部增强(刚性桩复合地基)试验比较。从图7(a)，(b)可看出，在相同荷载(F＝3250kN)下，后者最大沉降量s_max＝8mm，外围沉降为7.8mm，差异沉降接近于零；而前者量大沉降量s_max＝20mm，外围量大沉降量s_max＝10mm，最大相对差异沉降△s_max/L₀＝0.4％＞容许值0.2％。可见，在天然地基承载力满足设计要求的情况下，采用对荷载集度高的核心区局部增强措施，其调平效果十分显著。

图6 等桩长与变桩长桩基模型试验（P=3250KN)
(a)等长度布桩试验；（b）变长度布桩试验；
（c）等长度布桩沉降等值线；（d）变长度沉降等值线

    7. 工程应用
    采用变刚度调平设计理论与方法结合后注浆技术对北京皂君庙电信楼、山东农行大厦、北京长青大厦、北京电视台、北京呼家楼等27项工程的桩基设计进行了优化，取得了良好的技术经济效益(部分工程见表2)。最大沉降s_max≤38mm，最大差异沉降△s_max≤0.0008L₀，节约投资逾亿元。

图7 核心筒区局部增强（刚性桩复合地基）与无桩筏板模型试验（P=3250KN)
（a）无桩筏板；（b）核心区刚性桩复合地基（d=150mm,L=2m)

3.1.9 软土地区多层建筑，若采用天然地基，其承载力许多情况下满足要求，但最大沉降往往超过20cm，差异变形超过允许值，引发墙体开裂者多见。20世纪90年代以来，首先在上海采用以减小沉降为目标的疏布小截面预制桩复合桩基，简称为减沉复合疏桩基础，上海称其为沉降控制复合桩基。近年来，这种减沉复合疏桩基础在温州、天津、济南等地也相继应用。
    对于减沉复合疏桩基础应用中要注意把握三个关键技术，一是桩端持力层不应是坚硬岩层、密实砂、卵石层，以确保基桩受荷能产生刺入变形，承台底基土能有效分担份额很大的荷载；二是桩距应在5～6d以上，使桩间土受桩牵连变形较小，确保桩间土较充分发挥承载作用；三是由于基桩数量少而疏，成桩质量可靠性应严加控制。

表2  变刚度调平设计工程实例

3.1.10 对于按规范第3.1.4条进行沉降计算的建筑桩基，在施工过程及建成后使用期间，必须进行系统的沉降观测直至稳定。系统的沉降观测，包含四个要点：一是桩基完工之后即应在柱、墙脚部位设置测点，以测量地基的回弹再压缩量。待地下室建造出地面后，将测点移至地面柱、墙脚部成为长期测点，并加设保护措施；二是对于框架-核心筒、框架-剪力墙结构，应于内部柱、墙和外围柱、墙上设置测点，以获取建筑物内、外部的沉降和差异沉降值；三是沉降观测应委托专业单位负责进行，施工单位自测自检平行作业，以资校对；四是沉降观测应事先制定观测间隔时间和全程计划，观测数据和所绘曲线应作为工程验收内容，移交建设单位存档，并按相关规范观测直至稳定。