王与相
(山西省大同市工程质量监督站,山西大同 037000)
复合地基的概念最早是在20世纪中叶由国外学者提出,最初是指一个砂型地基的数学模型。随着地基处理技术的飞速发展,复合地基的概念持续扩张[1]。复合地基是在创建过程中土壤自然组成部分的基础通过人工处理得到,通过更换,或天然基础设置加筋材料,加固区包括基体(天然的或改良天然地基土体)和增强体两部分组成的。随着经济的快速发展,国家基础设施的不断完善,以满足城市形象改善的迫切要求,各类建设项目的快速发展,建设用地的日益缺乏,好的地质选择范围逐渐缩小,地质条件较差,这样的情况越来越多的出现,为了满足地基的强度要求,同时在这种情况下还要满足变形和抗震要求,需要达到这样的复合地基,才能满足提高地基承载力,沉降控制的范围,提高经济效益的目的,成为了唯一的选择。复合地基技术发展的新理论和新方法,在经济效益和社会效益两个方面表现的特别明显,但就像任何事物都具有两面性,复合地基也不可避免地存在着问题。
根据不同的荷载传递机理,把复合地基分为竖向和水平向增强复合地基,竖向增强复合地基又可以细分为散体材料桩、柔性桩和刚性桩复合地基三种[2]。
砂桩技术于解放后从前苏联引进,现在国家重点工程进行小范围的试用,摸索其技术核心。不过从20世纪末开始大范围推广在基础设施建设如水利工程、交通工程。铁路路基、大坝基础等工程都体现了其优点,得到了成功的结果。
自从引入桩基技术后我国就开始对土桩挤密法进行自主实验研究,做了大量的实验,总结了丰富的经验,在中部地区进行了灰土桩的实践,并成功把它应用在了湿陷性黄土地基的处理上。从石灰桩大多用在浅层处理,拓展到深层地基的处理我们仅仅用了不到二十年。如我们的滨海城市天津率先在1959年用于加固软土地基,随后大量沿海城市使用这种方法处理软土地基。但从1977年开始,我国开始加固地基采用振冲法。
针对复合地基的柔性桩,将桩型分别归为低标号混凝土桩、深层搅拌与高压旋喷三种。我国对于高压喷射注浆法研究较为提前,在得到有关部门的支持下进行试验和应用,到目前为止采用高压喷射注浆法的工程累计上千例。高压喷射注浆防渗新工艺和淤泥地层高喷灌浆技术进步,也标志着我国在该领域达到了世界领先水平。大力推广此项技术,在我国成为常用的施工方法。我国于20世纪70年代末开始研究水泥浆搅拌方法,并在塘沽新港做了工程试验,宝钢也效仿使用。水泥搅拌法加固土质是欧美等具备先进工程技术的国家最早投入使用的,包含新吹填的淤泥质土、超软土以及泥炭土。闫明礼教授开发了CFG桩复合地基成套技术[4],以工程造价低,可靠性高的优点目前仍处于大量应用的阶段。CFG桩即为水泥粉煤灰碎石桩,是由水泥、粉煤灰、碎石、石屑或砂加水搅拌形成的高粘结强度桩,与桩间土、褥垫层共同形成复合地基。与桩基相比由于CFG桩材料可以掺入工业废料比如粉煤灰,还有不配筋的优点以及充分发挥桩间土的承载力,工程造价一般不到桩基的一半,经济效益和社会效益非常突出。
刚性桩复合地基的桩型,是最近几年来发展起来的一种地基处理方式,是传统桩基和复合地基之间的新型基础,依据控制地基沉降原则设计。工程领域通常疏桩基础划分为沉降控制复合桩基和减沉桩基等几类。这是依据传统基础设计来确定桩间距的(通常是3倍~4倍桩径)精简和疏布桩(通常是5倍~6倍桩径)和数量。摩擦桩是最为多见的,利用疏化桩机原理达到提高单桩承载力和发挥桩间土的承载能力来弥补桩基的目的。产生一定的沉降时,桩就开始发挥同时继续保持其极限承载能力,沉降量减少是非常有效的,同时桩台下土壤也能承受负荷的一部分。疏桩基础是一种优化,在减少桩的数量的同时又避免群桩效应,充分发挥每个桩的承载力和桩与桩之间土壤的承载力,我们可以把它归类为一种摩擦桩型复合地基。多种因素控制了疏桩基础的沉降性能,它是桩土系统内每个桩和桩间土壤相互作用的结果。桩土体系内包含的基础板的设计与实际土壤性状分布和沉降,以及桩的长度、数量。目前在国内外都受到极高的关注程度。
用于计算的体现工作性状的数值要满足复合地基的实际,这离不开工程所在地的土地性质和特点。基于设计的理论研究要加大关注,像承载力、基于变形参数的检测方法。尽管目前单桩静载和复合地基实验没有有效的替代手段,但是有前景的检测技术如深层检测、大子样也需要下大力气去开发,还有更需深入研究的在动力荷载的影响下复合地基的形状分析的相关要素,在静力荷载作用下位移场和应力场的分布特点和性能,关于沉降与承载力的计算方法,如何去优化设计理论,荷载传递机理等等。
随着复合地基在大量工程中的应用,开发出有效的复合地基方法及实现其方法的机械设施,同时尽可能多的采用能使用工程所在地有的材料和可利用废料的新型技术,以达到提高质量、降低成本、模块化的效果,当然这些必须考虑到工程地基受到的荷载、工程类型、土壤性质。
复合地基中庞大的数值计算分析工作量对于计算机的要求越来越高。验证针对各种类型复合地基的承载力计算和沉降计算的方法,如果高效适合就要推广开。如果不引入三维数值计算、使用Matlab模拟软件等,就无法提高设计效率和设计水平,同时赋予软件操作人员相应的权限作出适时的调整更加适合地质状况和个别例外。这也对软件提供商提出了更高的要求。
想要改进复合桩基的设计方法、设计理论,就需要从以下几个方面入手,不同类型复合地基的性能和状态,复合地基变形和承载力计算,桩、土与承台几个方面的相互影响。凡是建立在传统桩基理论基础上发展起来的,像疏桩基础、复合桩基,前者以桩承担荷载,后者却是以天然地基来承担荷载的,但都要面对桩与桩间土的荷载分担、桩承台—土间的相互作用两个方面。桩间土分担荷载正是疏桩基础、复合桩基的关键研究部分。无论是哪种承载力的计算方法,难点都在参数多、参数不容易确定上,工程实践过程中也很难套用,也无法达到工程所需的精确程度,就像弹性理论计算法、试验与半经验法以及简化法等等。
组合型复合地基是指结合多种地基处理的可取之处,考虑工程所在地的地质条件,合理配置,这样就能获得比单一地基处理方式更为出色的承载能力,达到减少沉降、提升经济效益的目的[4]。像闫明礼教授开发的CFG桩与传统碎石桩组合,在消除地基液化的同时又将承载力大幅度的提高。提高大吨位单桩承载力的有效途径便是有效组合桩基与复合地基。单方混凝土换算成同吨位其他类型桩,不光承载力高,经济效益突出。
目前各地城建工作如火如荼,填海造城,沿河岸开发已是大的趋势,沿海城市对于复合地基的使用作为探路者为我们提供了新的地基处理方法、新的施工机械,为计算理论提供支持。在复合地基中疏桩基础所具有的巨大经济效益,其低造价成本备受青睐,软土地区优先选择是应用复合地基,当前研究变形控制为目的的疏桩基础设计理论已经渐趋成熟,但为了更加深层次的掌握,我们仍需对其进行理论研究和加深对于技术的探讨。
[1] 唐连军,王艳丽.复合地基工程理论研究回顾与展望[J].中国西部科技,2010(3):49-50.
[2] 张爱军.复合地基三维数值分析[M].北京:科学技术出版社,2004.
[3] 龚晓南.复合地基发展概况及其在高层建筑中的应用[J].土木工程学报,1999(12):31-33.
[4] 阎明礼.CFG桩复合地基技术及工程实践[M].北京:中国水利水电出版社,2001.
[5] 陈善雄.复合地基桩型的合理选择[J].土工基础,1995(3):25-26.
[6] 王成军.基础工程学[M].天津:天津大学出版社,2002:5.
[7] 雷华阳.复合地基应用进展和发展趋势[J].岩土工程技术,2002(5):78-79.