复合地基加固作用机理及桩体破坏模式分析

李 冰李玉洁

（1.中国长城葡萄酒有限公司，河北 怀来 075400 ； 2.怀来县玉洁环境卫生管理有限责任公司，河北 怀来 075400）

复合地基加固作用机理及桩体破坏模式分析

李 冰1李玉洁2

（1.中国长城葡萄酒有限公司，河北 怀来 075400 ； 2.怀来县玉洁环境卫生管理有限责任公司，河北 怀来 075400）

本文简述了复合地基的作用机理及复合地基中桩体的破坏模式。

地基处理 复合地基 地基加固

复合地基（Composite Ground）一词最早出现在上世纪60年代初，原本是指碎石桩加固的地基，随着地基处理技术的不断发展，后来也用来指其它桩体加固的地基。复合地基一般由两种不同刚度的材料——桩体和桩间土所组成，在相对刚性基础下两者共同分担上部荷载并协调变形。需要特别说明的是，复合地基与上部结构的基础一般通过碎石或砂石垫层来过渡，而不是直接接触。

一、复合地基的分类

复合地基中的“桩”与桩基中的“桩”有所不同，主要体现在两个方面：一是桩身材料及强度，复合地基中的桩有散体材料桩、柔性桩、半刚性桩和刚性桩之分，而桩基中的桩均为刚性桩；二是桩与上部结构的连接方式上，复合地基中桩体与基础往往通过垫层（碎石或砂石垫层）来过渡，而桩基中桩体与基础直接相连，两者形成一个整体。正是因为这两方面原因复合地基仍属地基范畴，主要受力层在加固体内，桩与桩间土共同承担上部荷载；而桩基中的主要受力层是在桩尖以下一定范围内。在复合地基中桩的作用是主要的，而地基处理中桩的材料类型较多，包括土、灰土、石灰、砂、碎石、水泥土、矿渣和混凝土等，由此形成的桩则相应地被称为土桩、灰土桩、石灰桩、砂桩、碎石桩、水泥土桩（包括搅拌桩和旋喷桩）、CFG桩和混凝土桩等。由于桩体材料以及成桩工艺上的不同，各种桩的力学特征也差别较大。复合地基中的桩又可分为：散体材料桩：无桩身强度，主要包括碎石桩、砂桩和矿渣桩等；柔性桩：桩身强度小于1MPa，变形模量小于200MPa，主要包括土桩、灰土桩、石灰桩和强度较低的水泥土桩；半刚性桩：桩身强度在1MPa和10MPa之间，变形模量在200～1000MPa之间，主要包括强度较高的水泥土桩；刚性桩：桩身强度大于10MPa，变形模量大于10000MPa，主要包括CFG桩和各种混凝土桩。由柔性桩和桩间土所组成的复合地基可称为柔性桩复合地基，其他依次为半刚性桩复合地基和刚性桩复合地基。

二、复合地基的加固机理及作用

复合地基的加固机理有置换和挤密加固两种。置换加固作用是通过材料性能较优的竖向增强体，置换代替部分地基土，直接分担较多的建筑物荷载，符合地基中桩中桩的截面积Ap与其影响面积A之比成为面积置换率m，对于正方形、矩形和等边三角形布桩的情况，单桩的影响面积A分别为l2、l1l2和/2 l2，桩间距越大，面积置换率m越小；挤密加固作用则是在竖向增强体施工过程中，对桩间地基土产生挤密效应，提高地基土的承载力和模量。对于刚性桩复合地基，如水泥粉煤灰碎石桩复合地基、喷射桩复合地基等，其加固机理主要是置换加固。对于散体材料桩（碎石桩、砂桩等）复合地基，则既有置换加固作用又有挤密效应。由于散体桩的桩体承载力特征值fPk取决于桩周地基土的强度，极端地说，如果桩周为液体材料，则fPk趋于0；如桩周为刚体材料，则fPk趋于∞；实际工程中，桩土应力比并不高，因此散体桩复合地基的加固机理往往是挤密加固效果，超过桩本身的置换加固作用。在确定散体材料桩复合地基的承载力时，如果采用公式计算，由于地基土的挤密加固效果难以估算，所得计算结果误差往往偏大，实际工程中应尽量通过现场复合地基载荷试验确定其承载力。不论何种复合地基，都具备以下一种或多种作用，它们是：

1、桩体作用：由于复合地基中桩体的刚度较周围土体为大，在刚性基础下等量变形时，地基中应力将按材料模量进行分布。因此，桩体上产生应力集中现象，大部分荷载将由桩体承担，桩间土上应力相应减小。这样就使得复合地基承载力较原地基有所提高，沉降量有所减小。随着桩体刚度增加，其桩体作用发挥得更加明显。

2、垫层作用：桩与桩间土复合形成的复合地基或称复合层，由于其性能优于原天然地基，它可起到类似垫层的换土、均匀地基应力和增大应力扩散角等作用。在桩体没有贯穿整个软弱土层的地基中，垫层的作用尤其明显。

3、加速固结作用：除碎石桩、砂桩具有良好的透水特性，可加速地基的固结外，水泥土类和混凝土类桩在某种程度上也可以加速地基固结。因为地基固结，不但与地基土的排水性能有关，而且还与地基土的变形特性有关。从固结系数的计算式可以反映出来。虽然水泥土类桩会沉降地基土的渗透系数k，但它同样会减小地基土的压缩系数a，而且通常后者的减小幅度要较前者为大。为此，使加固后水泥土的固结系数大于加固前原地基土的系数，同样可起到加速固结的作用。

4、挤密作用：如砂桩、土桩、石灰桩、砂石桩等在施工过程中由于震动、挤压、排土等原因，可使桩间土起到一定的密实作用；采用生石灰桩，由于其材料具有吸水、发热和膨胀等作用，对桩间土同样可起到挤密作用。

5、加筋作用：各种桩土符合地基除了可提高地基的承载力外，还可用来提高土体的抗剪强度，增加土坡的抗滑能力。目前在国内水泥土搅拌桩和旋喷桩等已被广泛地用作基坑开挖时的支护。在国外，对碎石桩和砂桩常用于高速公路等路基或路堤的加固，这都利用了复合地基中桩体的加筋作用。

三、复合地基中桩的破坏模式

复合地基中，桩体存在四种可能的模式：刺入破坏、鼓胀破坏、整体剪切破坏和滑动破坏。对于不同的桩型，有不同的破坏模式。如碎石桩可能的破坏模式是鼓胀破坏，而CFG短桩则是刺入破坏。对于同一桩型，当其桩身强度不同时，也会有不同的破坏模式。当水泥土搅拌桩的水泥掺入量较小（aw=5%）时，水泥土轴向应变很大（4%～9%），应力才达到峰值并产生塑性破坏，此后在较大应变范围内缓慢下降，这就表现了桩体鼓胀破坏的特性。但当aw=15%时，水泥土在较小应变的情况下，才使应力达到峰值，随即发生脆性破坏。然而当桩体为高水泥含量（aw=25%）时，水泥土变形及膨胀量均很小。为此，这种高强度的水泥土桩体在下卧软弱土层中就会发生刺入破坏。对于同一桩型，当土层条件下同时，也将发生不同的破坏模式：对浅层存在有非常软的粘土情况，碎石桩将在浅层发生剪切或鼓胀破坏；对较深层存在有局部非常软的黏土情况，碎石桩将在较深层发生局部鼓胀；对较深层存在有较厚非常软的黏土情况，碎石桩将在较深层发生鼓胀破坏，而其上的碎石桩将发生刺入破坏。实际上，对水泥土桩也存在类似问题，因为对相同水泥渗入量的桩体，当其处于不同土层中其桩身强度也是不同的。

综上所述，由于复合地基的破坏模式比较复杂，一般认为取决桩体和桩间土的破坏特性，其中桩体的破坏特性是主要的。对散体土类桩复合地基，由于桩桩间土的模量和破坏时应变值等一般相差不大，往往同时进入破坏状态；对水泥土类桩复合地基，由于水泥土的模量较大，破坏应变较小，在同等应变条件下，水泥土先进入破坏状态，此后荷载将主要由桩间土承担，直至桩间土进入屈服状态，此时复合地基进入极限状态。在地基中设置增强体只是形成复合地基的基本条件。要保证桩、桩间土自始至终共同工作承担外荷载，形成复合地基的工作模式，就必须解决桩土之间的变形协调问题。桩土之间的变形协调就是复合地基的工作条件或者形成条件。刚性桩、半刚性桩复合地基需要再地基与基础之间，设置褥垫层来解决变形协调问题。砂石类桩复合地基的变形协调可以自然满足，但是为了使基础所受地基反力趋于均匀以及施工需要，一般建议砂石类桩复合地基也设置一定厚度的垫层。

[1]叶观宝，高彦斌．地基处理（第三版）［M］．北京：中国建筑工业出版社，2009．

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1007-6344（2015）05-0283-01

李冰（1983-），男（汉族），四川蓬安人，中国长城葡萄酒有限公司，工程师，主要从事工程管理工作。李玉洁（1986-），女（汉族），四川仪陇人，怀来县玉洁环境卫生管理有限责任公司，助理工程师，主要从事工程管理工作。