长短桩复合地基浅析

杨嘉凯　冯一冰　谌霞　吴明涛

【摘要】长短桩复合地基是我国土木工程界近年来在实践中逐渐发展出的一种新型地基处理形式。工程实践证明这种新型复合地基在减小基础沉降、协调地基承载力与变形关系方面具有较好的技术经济效益。

【关键词】长短桩复合地基；作用机理；承载性能；承载力计算

随着信息产业时代到来和计算机高新科技的快速发展，在土木工程建设中新型施工设备和方法更新速度加快，工程建设规模也日益扩大，加之各地区地质条件复杂，对地基基础逐渐提出了更高的要求。于是，长短桩复合地基应运而生，它是我国土木工程界近年来在实践中逐渐发展的一中新型地基处理形式，其充分发挥了天然土体的承载能力，同时减少了沉降，即满足了上层建筑结构要求，又减少了打桩对周围环境的影响，同时大大地降低了地基成本。众多工程实践证明这种新型复合地基在减少基础沉降，协调地基承载力与变形关系方面具有较好的技术经济效益。

1.引言

随着理论研究的深入、工程经验的积累和施工技术的发展，以CFG桩复合地基为代表的刚性桩复合地基应用越来越广，大量工程实践表明，复合地基在工程中应用成功与否，设计起着核心作用。根据场地地质情况和设计要求选择合理的地基处理方案尤为重要。通常在刚性桩复合地基设计中，桩长基本为一定值，即桩端落在同一持力层上。在一定条件下，也可采用长桩与短桩相结合的方法对基础进行综合处理，分别发挥其各自特点，在确保地基处理效果的前提下，达到方案合理、节约投资、缩短工期的目的。本文就长短桩复合地基的设计思想与设计方法做浅析，供工程设计人员参考。

2. 长短桩复合地基性状简述

（1）长短桩复合地基中长短桩间隔布置，长桩一般采用强度较高的刚性桩（如CFG桩，钢筋混凝土桩、预应力空心管桩等），短桩常用柔性桩（如碎石桩、水泥土搅拌桩等）。

（2）长短桩复合地基中长桩模量的变化对复合地基的沉降和承载力性状影响不显著，但桩长的影响较大，随着长桩桩长的增加，复合地基沉降几乎线形下降，分担的荷载也有较大的提高，但长桩存在临界桩长，超过临界桩长时，复合地基沉降和荷载分担不再有明显变化。

（3）长短桩复合地基中短桩选择比较灵活，桩的模量变化幅度也较大。短桩模量的变化对复合地基沉降和承载力有一定程度的影响，特别是当短桩模量在50MPa～2000 MPa之间大幅度变化时影响最为明显。随着短桩模量的增加，复合地基沉降明显减小，短桩分担的荷载也增加了。柔性短桩的特点决定其桩长的增加对复合地基特性影响不大，但刚性则不然。随着刚性短桩桩长的增加，复合地基沉降明显减小，荷载分担增加。因此对于地基上部存在较好土层的情况，可采用刚性短桩将上部荷载传递到该土层上，使荷载分布更为合理。

3. 长短桩复合地基的作用机理

长短桩复合地基因长桩和短桩的间作设置，在复合地基中形成三个不同作用的工作区域，即以提高承载力为主的长、短桩联合工作区（1区），以减少沉降为目的的长桩工作区（2区），承受桩体荷载的持力土层（3区），三者共同作用，以提高浅层地基承载力、减少地基沉降量，形成良好的长短桩复合地基。具体如图1所示。

图1长短桩复合地基作用机理

3.1长桩的作用机理。

在长短桩复合地基中，长桩的主要作用是提高承载力、控制沉降量，它将荷载通过桩身向地基深处传递，减少压缩层变形，同时对柔性短桩起到“护桩”作用，并与短桩一起抑制地基周围土体的隆起。在1区深度范围内，桩体间将具有较明显的“挟持”和“遮挡”效应，桩间土体和桩体共同沉降；而在2区的长桩，由于土体和桩体不能同时沉降，其桩尖对桩端土体将有相当的刺入量。

3.2短桩的作用机理。

当基底一下存在较厚的软弱土层时，采用短桩对该区域土层进行加固，可提高地基软弱土层的承载力；若基底以下存在上下两层较为理想的桩端持力层，将长、短桩分别落在下、上两层桩端持力层，充分发挥上下两层桩端持力层的特性，利用短桩提高复合地基的承载力，通过长桩减少变形，在满足设计要求的同时减少地基处理的工作量，达到经济合理的效果。

3.3褥垫层的作用机理。

褥垫层在复合地基中有着极为重要的作用，可以有效地调整复合地基的桩土荷载分配，充分发挥土体的承载能力特别是发挥渐层土体承载作用。由于垫层的流动性，桩在荷载作用下产生的应力集中使垫层发生侧向流动而产生想上刺入，结果让桩土间的应力重新分配，从而提高地基的承载性能，调节变形。

4. 长短桩复合地基承载性能分析

4.1桩应力特性。

长短桩复合地基的长桩应力分布，和一般刚性桩复合地基分布相同，桩身最大应力不在桩顶，而在桩顶一下一定深度处。这是因为在复合地基中，承台和桩顶直剪设置了褥垫层，在承受上部荷载时，因长短桩变形模量大于桩间土，应力集中明显，桩顶在褥垫层中产生应力塑性区，随着荷载增加，桩将产生想褥垫层的“上刺入”，造成在复合地基桩土上部某以深度范围内竖向方向上，土体位移大于桩顶位移。

4.2桩土应力、桩土应力比。

长桩和短桩的桩顶应力和桩土应力比一般均随着综合在的增加而增加，并且变形刚度大的长桩真的桩顶应力和桩土应力比明显大于短桩土应力比。在加载过程中，长短桩桩顶应力比变化不大。

4.3桩土荷载分担比。

桩间土的荷载分担比随着复合地基综合在的增加而逐渐减少，而桩的荷载分担比随着总荷载的增加而逐渐增加。这说明褥垫层存在，桩间土在加载初期就发挥了较大的作用，桩的承载力及其在复合地基中的作用，需要达到一定荷载后才发挥出来、变形刚度较大的长桩的荷载分担比较大，而变形刚度较小的短柱的荷载分担比较小，两类桩的荷载分担比随荷载的增加逐渐增加。

5. 长短桩复合地基承载力计算方法

在长短桩复合地基中，长桩一般作为主桩，其模量与荷载分担比均相对较高；辅桩一般为短桩。下面对几种常用的长短桩复合地基承载力的计算方法做下介绍。

5.1直接叠加法。

7. 长短桩复合地基设计方案选择

7.1长短桩复合地基设计以复合地基承载力和变形计算未主要依据，并考虑一下诸因素进行综合分析，合理设计：

7.1.1施工设备和施工工艺。

复合地基设计时需考虑采用何种设备和工艺进行施工，选用的设备穿透土层能力和最大施工桩长能否满足要求，施工时对桩间土产生的影响是否会造成相邻桩出现质量问题，选用的设备当地是否具有。施工是被和工艺的选择是复合地基设计的一个重要环节。

7.1.2场地周围环境。

场地周围环境情况是设计师确定施工工艺的一个重要因素。当场地离居民区较近，或场地周围有精密设备仪器的车间和实验室以及对振动比较敏感的管线，施工不宜选择振动沉管工艺，宜选择无振动低噪声的长螺旋钻施工工艺；若场地位于空旷地区，且地基土主要为松散的粉细砂或填土，施工宜选择振动沉管工艺。

7.1.3建筑物结构布置及荷载传递。

目前，高层建筑的地基处理工程越来越多，建筑物结构布置及荷载传递是复合地基设计必须考虑的问题。如建筑物是单体还是群体建筑；体型是简单和是复杂；结构布置是否均匀还是存在偏心荷载；猪蹄建筑物周围是否存在地下车库之类的大开间结构，建筑物是否存在转换层或地下大空间；建筑物通过墙、柱和核心筒穿到基础的荷载扩散到基底的范围及均匀性等。总之，再设计时必须认真分析结构特点，弄清结构传递荷载的途径以及建筑物对变形的适应能力，做到合理布桩，方可保证地基处理达到预期目的。

7.2长短桩复合地基设计只要确定5个设计参数：桩长、桩径、布桩形式、桩间距、桩体强度、褥垫层厚度及材料。

7.2.1桩长（L）。

长短桩复合地基要求桩端均应落在好的持力土层上，它是复合地基设计的一个重要原则。因此，桩长是长短桩复合地基设计首要确定的参数，它取决于建筑物对承载力和变形的要求、土质条件和设备能力等因素。设计时根据勘察报告，分析各土层，确定桩端持力土层和桩长、并计算单桩承载力。

7.2.2桩径（D）。

桩径的确定取决于所采用的成桩设备，一般设计桩径为350～600mm，长短桩的桩径可不相同。

8. 结论

8.1长短桩复合地基采用短桩来提高地基的承载力，利用长桩来控制地基沉降，通过调整长桩的变形及模量，最大限度地发挥桩周土及短桩的承载力，减少了长桩的数量。作为一种地基处理新技术有很大的应用前景。

8.2长短桩复合地基中垫层的存在调整了桩土应力比，更充分地发挥了复合地基中柔性短桩和土的承载力特征，同时也减少了沿长短桩深度方向的应力集中及长短桩的桩身压缩量。

8.3随着技术进步和对基地处理要求的提高，地基处理手段势必从单一方法向同时运用多种处理方法发展。复合地基设计不仅是根据承载力和变形确定设计参数，而且在设计时必须综合考虑建筑物对变形的适应能力、地基特点及施工等诸多因素。根据土质情况采用长短桩相结合的复合地基方案并选择合理的施工工艺是一种有效的地基处理方法，值得进行推广。

参考文献

[1]JGJ79-2012，建筑地基处理技术规范[S].

[2]谢新宇.刚柔性长短桩复合地基性状分析[J].岩土力学，2007，28（5）：876～884.

[3]官自立，金国平，张清华.刚—柔性复合桩基的特性分析及工程设计[J].建筑结构，2009，39（8）：117～121.

[4]刘海涛，谢新宇，程功，等.刚柔性桩复合地基试验研究[J].岩土力学，2005，26（2）：303～306.

[文章编号]1619-2737（2013）07-09-681

[作者简介] 杨嘉凯（1983-），男，汉，籍贯：湖北武汉市人，学历：本科，职称：助理工程师，主要从事岩土工程勘察，矿山地质勘查等工作研究。