单柱单桩的冲切问题

结构设计，存在这样一条常识，即单柱单桩不需要考虑冲切问题，所以工程师倾向于把承台做得较小较薄。

这条常识的前提是，柱轴力与桩反力基本接近，所以计算得到的冲切力几乎为零。

然而，某些情况下，事与愿违。

在深圳地区，150m~200m的超高层办公楼非常普遍，这些高层建筑通常采用典型的框筒结构，地下室3~4层（抗浮水头15~20m），基础大部分采用嵌岩桩，外框柱通常可以做单柱单桩。

这个时候，单柱单桩很容易出现冲切问题。

冲切力从哪里来呢？

FL=N-R-Fp

N为框柱轴力；
R为桩反力；
Fp为冲切破坏锥体范围内的水浮力；

在水浮力组合工况下，水浮力向上的浮托作用，其实相当于给桩卸载，所以桩反力R大幅减小，这就是冲切力的来源。

举个例子，假如外框柱的受荷面积为12mX12m，抗浮水头为20m，则受荷面积范围内水浮力为28800kN。

冲切力大概也在这个量级，这个力是非常大的。

根据上图，单柱冲切主要有两种情况，一种是柱冲承台（冲切破坏锥体2），另一种是承台冲筏板（冲切破坏锥体1）。

换个角度看，冲切的本质，其实是冲切破坏锥体范围以外水浮力对承台及筏板的冲切。

我们来估算一下，20000kN左右的水浮力，大概需要多大的承台。

假设框架柱截面为1.5mX1.5m，则承台尺寸为4.5mX4.5mX1.5m时，冲切承载力为21000kN（以C40混凝土为例），冲切安全系数仅为1.05。

要解决这个冲切问题，单纯加厚承台作用不大，我们也需要同时将承台加宽。

即使解决了柱冲承台，还需要解决承台冲筏板，这就决定了承台尺寸和厚度，以及筏板厚度都不能太小。

回头来看，单柱单桩，之所以存在冲切问题，是因为柱轴力与其下的桩反力不平衡。上面讲的水浮力是导致不平衡的一个重要原因，单柱单桩的冲切问题可以归结为水浮力冲切？

我们可能想简单了。

事实上，力的不平衡，影响因素很多。基础计算时，上部结构的刚度、桩刚度、以及筏板或承台的弯曲刚度，都会导致柱轴力重分配，重分配的结果就是柱轴力不等于其下的桩反力，甚至差异很大。

关于内力随刚度重分配，试举两例。

例一，塔楼裙房较矮，裙房地下室范围的竖向荷载不足以抵抗水浮力，虽然在此范围配置了抗拔桩或抗浮锚杆，但在水浮力组合工况下，必然会产生向上的位移，但塔楼的位移依然向下。

从变形角度来看，中部塔楼犹如一个巨大的支座，四边的裙房地下室在此支座周边悬挑，这种变形模式，也会导致塔楼外框柱下桩基所受水浮力加大。

例二，地下室局部抗浮不足之处，即使设置了抗浮锚杆，但抗浮锚杆的计算内力可能很小。原因就在于水浮力是根据抗浮锚杆的抗拔刚度和筏板/防水板的抗弯刚度来分配的，如果锚杆刚度太小，更多的力还是分配给了筏板。

最后，我们再来看看冲切问题的第三个原因。

如果塔楼基础按桩筏来设计，在水平荷载作用下，尤其是风载组合工况下，塔楼外框柱承台底可能出现很大的地基反力，此反力也会形成冲切作用，其原理类似于水浮力。

通常情况下，如果桩基为嵌岩桩，承台或筏板是不考虑土反力的，即相关范围的m值取为零。这对桩基计算是偏保守的，但对承台或筏板却未必。

有专家指出，即使塔楼采用嵌岩桩，桩底沉渣规范控制值为50mm，桩长较长时，其实不容易满足此要求，尤其是入岩较深，成孔时间更长，沉渣厚度及泥皮效应都会加重，这导致桩基轴向刚度减小，竖向变形增加。

与此同时，基坑较深（四层地下室），坑底土质较好（通常为强风化岩），土的压缩模量较大，一定的变形量，会形成较大的土反力。

所以有专家建议，塔楼范围内承台和筏板，应按桩筏再次复核，在这种情况下，土反力便会形成冲切力。

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