刚性桩复合地基法综述

江超

（广东省南粤交通投资建设有限公司，广州 510000）

刚性桩复合地基法综述

江超

（广东省南粤交通投资建设有限公司，广州 510000）

系统梳理了刚性桩复合地基的研究现状，详细介绍了刚性桩复合地基承载机理、破坏模式，探讨了现阶段常用的承载力、沉降变形的计算方法,最后基于以上分析总结了刚性桩复合地基的发展方向。

刚性桩；复合地基；加固机理；沉降计算

1 引言

复合地基是一种由增强土体和天然土地组成的人工地基，通过对天然地基进行增强或置换以获得符合设计要求的地基承载力[1]。此类地基型式多样，按作用机理和材料,可分为以散体材料桩（砂石、碎石）和黏结材料桩（柔性桩、刚性桩）组成的竖向增强型复合地基[2]，以及增设土工格栅、土工格室等加筋体形成的水平向增强体复合地基。

复合地基这一概念最早见于1962年，由日本学者提出，用于解决砂井地基的承载能力问题。随着工程实践的不断应用，复合地基获得了快速发展。Butterfield、Banergee[3]和Hooper[4]通过研究得出复合地基的桩间土可承担部分荷载，分担载荷约为40%。20世纪70年代，我国开始了桩土共同作用的研究。山西省建筑设计研究院通过复合地基试验研究，得出了承台和桩体组成的联合较单桩基础承载力提高40%的结论[5]，20世纪90年代初，中国建筑科学研究院地基所和浙江建筑科学所，分别研发了水泥粉煤灰碎石桩（CFG桩）和低强度水泥砂石桩复合地基；1996年，浙江大学岩土工程研究所发展了二灰混凝土桩复合地基。1997年杨敏、艾智勇[6]采用M indlin公式，对桩土共同作用进行了较为深入的研究；2000年，傅景辉、宋二祥[7]得出了考虑桩-土-垫层作用的刚性桩复合地基沉降计算公式；2002年，池跃君、宋二祥[8]通过单桩复合地基现场试验，推导出了带垫层桩体复合地基沉降计算的解析解；2009年，杨光华、苏卜坤等[9]基于原状土切线模量法，提出了通过复合土体和刚形桩荷载-沉降曲线计算基础沉降的新方法；2010年，赵明华、何腊平等[10]基于荷载传递法，提出了能考虑桩 -土-垫层体系共同作用的CFG桩复合地基沉降计算方法；2010年，杨德健、王铁成[11]基于ANSYS分析了刚形桩复合地基垫层、桩间土模量以及桩间距对沉降变形的影响；2013年，佟建兴、孙训海等[12]通过室内模型试验得到了长短刚性桩复合地基在等厚径比条件下,长桩、短桩、桩间土的承载力发挥系数,得出宜采用降低长桩厚径比、提高短桩厚径比的设计方法来提高承载力。2014年，周同和、王非等[13]通过现场载荷试验,研究了刚性长短桩复合地基桩土应力、荷载分担及其发展变化的工作性状。

2 刚性桩复合地基的承载机理

2.1 刚性桩复合地基的加固机理

刚性桩复合地基主要通过桩体的置换作用、桩对土体的挤密作用以及褥垫层的调节作用来实现对天然土体的加固。

2.1.1 置换作用

刚性桩复合地基通过桩体将承受的荷载向下层土体传递，减少了桩间土的荷载，从而减小了地基变形，提升了复合地基的承载力，桩的这种作用称之为桩体的置换作用。[14]对刚性桩而言，置换率越高，复合地基整体的承载力也越高，但同时造价也越高。工程中应考虑取最优的置换率以获得加固效果与经济性的平衡。

2.1.2 桩对土的挤密作用

复合地基的桩体除了传递竖向荷载外，还会对周边土体产生横向挤密作用。松散的土体小颗粒由于桩的横向作用会挤入临近的大颗粒中，提高了土体的密实度，从而使得地基土的强度、模量也随之提高[15]。

2.1.3 褥垫层的应力调整作用

刚性桩复合地基通常会在基础与桩、桩间土之间设置一定厚度的褥垫层。研究表明：褥垫层具有减小基础底面的集中应力，调整桩土荷载分担比，保证桩土共同作用的功能。[16]在竖向荷载下，桩顶会逐渐刺入褥垫层中，垫层材料在变形的同时会向周边土体流动，补偿到桩间土中。这种流动可消散桩顶的部分应力[17]，同时使得桩间土始终与基础保持贴合，解决了桩土的变形协调，实现了桩土的共同作用。

2.2 刚性复合地基的荷载传递机理

2.2.1 褥垫层的应力调节作用

褥垫层为在基础与桩、桩间土之间设置的具有一定厚度的碎石材料(见图1)。由于桩的模量远大于桩间土模量，承载上层压力时，桩间土沉降变形大于桩体变形，桩顶会逐渐刺入褥垫层。褥垫层在变形的同时会向周边流动，补偿到桩间土中。由于褥垫层的这种作用，基础能始终与桩、桩间土保持接触，桩间土的承载力得到了充分发挥。

研究表明[18～19]，复合地基承载力大小与褥垫层厚度存在重要关联。当设置厚度偏小时，桩顶容易出现较大应力集中，未充分发挥桩间土的承载力，基础易发生冲切破坏；当厚度偏大时，桩的置换作用会显著降低，桩与桩间土应力比相近，无法有效控制沉降。大量的工程实践总结，采用厚度为10～30cm，以中、粗砂为材料的褥垫层，复合地基的加固效果最佳。

图1 刚性桩复合地基褥垫层

2.2.2 桩土受荷特性

研究表明，在不同荷载作用下，刚性桩复合地基桩顶、桩间土、基础的沉降均不相同[20]。如图2所示。

图2 桩、土及基础p-s曲线

当深度ZZ0时，桩体变形要快于土体变形，此时土体对桩产生了与沉降方向相反的力，称为正摩阻力，如图3所示。在深度Z0处，土体与桩变形相同，该断面位置称之为中性点。中性点以上，由于负摩阻力的作用，桩的轴向应力随深度增加而增大；中性点以下，由于正摩阻力的作用，桩的轴向应力随深度增加而减小，如图4所示。桩的最大轴向应力在中性点处。

在竖向荷载作用下，桩顶会逐渐刺入褥垫层，褥垫层对桩产生负摩阻力。由于褥垫层在变形的同时会向周边土体流动，使得桩间土能始终与基础保持接触，能承担部分荷载，而桩顶负摩阻力的存在一定程度上又提高了桩间土的承载力。由于褥垫层的作用，桩承担的荷载会有一个逐渐向桩间土转移的过程，使得桩间土始终分担荷载，从而保证桩土共同承担荷载。

图3 桩、土位移示意图

图4 桩轴力随深度变化曲线

2.3 刚性桩复合地基的破坏模式

刚性桩复合地基的破坏可分成：桩间土首先破坏或桩体首先破坏,进而发生复合地基的全面破坏，实践中，多数情况下都是桩体首先破坏，继而引起地基全面破坏，桩体、桩间土同时破坏极其罕见。

刚性桩复合地基常见破坏模式有刺入、整体剪切和滑动剪切破坏3种[21]（见图5）。

图5 刚性桩复合地基的破坏方式

3 刚性桩复合地基承载力计算方法

设ppf为单桩极限承载力，psf为天然地基极限承载力，则刚性桩复合地基极限承载力为：

式中,m为桩体置换率；K1为反映桩体实际承载力与单桩极限承载力不同的修正系数；K2为反映桩间土实际极限承载力与天然地基极限承载力不同的修正系数；λ1为复合地基破坏时桩体发挥其极限强度的比例；λ2为复合地基破坏时桩间土发挥其极限强度的比例。

设计时需预留一定的安全系数K，则容许承载力计算式为：

4 刚性桩复合地基的沉降计算方法

刚性桩复合地基由增强体和下卧层天然土体组成，计算沉降时可将总沉降s视为两部分沉降之和，为:

式中,s1为增强体沉降量；s2为下卧层沉降量。对于褥垫层的变形，由于其设置厚度相对较小，计算中通常可忽略不计。

4.1 增强体沉降s1的计算方法

4.1.1 复合模量法

复合模量法的计算原理为将桩与桩间土简单视为一整体，采用复合模量Ecs来计算此部分复合地基的沉降，再结合分层总和法便可计算：

在数值计算过程中，共监测11个轴中心位置处的湍动能，试验段轴中心线位置的湍流强度分布见图11。湍流强度定义为

式中，Vpi为第i层土上附加应力增量;Hi为第i层土的计算厚度；Ecsi为第i层土复合模量，可通过面积加权平均计算或室内试验测定。

4.1.2 桩身压缩量法

桩身压缩量法的计算原理为:通过计算桩身压缩量来获得复合地基增强体沉降量。设桩身压缩量为sp，桩刺入下卧土层的沉降变形为V，则：

该方法在实际操作中，对于桩端刺入量和桩端承载力的计算存在较大困难。

4.1.3 应力修正法

应力修正法的计算思路为:通过桩土应力比计算应力修正系数来获得增强体沉降量。设m为复合地基置换率；n为荷载分担比；μs为应力修正系数；s1s为天然地基在荷载p作用下的沉降量；Vpsi为复合地基第i层土上附加应力增量；Vpi为天然地基第 层土上附加应力增量，则：

实际计算中，对于准确确定桩间土荷载分担比存在较大困难，影响因素较多。

4.2 下卧层沉降s2的计算方法

下卧土层沉降采用分层总和法计算：

式中，e1i为第i层土受压前空隙比，e2i为第i层土受压层空隙比，p1i为i第层土自重应力，p2i为i第层土附加应力。

此方法的难点在于确定下卧层承载的荷载，常用方法如下。

4.2.1 等效实体法

假设增强体为一等效实体，荷载并未向周边扩散，作用在下卧层的荷载面积与作用在增强体上的相同。同时，在等效实体四周作用有侧摩阻力f，则下卧层承担荷载为：

式中,B、D为作用面宽度和长度，p为上部荷载，h为增强土体厚度。

该方法难点在于f值的合理选用，特别是桩土相对刚度较小时，合理估计f值存在较大困难，计算会存在较大误差。4.2.2压力扩散法(见图6)

设上部荷载为p，β为压力扩散角，则下卧层承担荷载为：

图6 压力扩散法示意图

4.3 基于切线模量法的沉降计算法

假设桩、土为互不影响的两独立受力体系。计算桩体单桩沉降时，结合荷载传递法，桩端采用切线模量法计算其荷载p与沉降s的关系曲线，如图7中曲线sp所示；计算土体的沉降时，则根据原状土切线模量法计算其p-s曲线，如曲线ss。

根据曲线sp和ss，可通过共同作用求出刚性桩复合地基的载荷沉降曲线ssp。对于任一沉降值si，曲线sp的荷载为pip，曲线s的荷载为pis。那么，对于有n根桩的复合地基对应于沉降值si时的荷载为pisp：

图7 荷载-沉降p-s曲线

对于不同的沉降值，均可通过单桩p-s曲线和地基土p-s曲线求得对应n根桩复合地基的荷载值，由此可求得刚性桩复合地基的p-s曲线，如图7中Ssp曲线所示。根据刚性桩复合地基的p-s曲线，则可求得不同荷载作用下的沉降值。

5 结语

大量的工程实践表明，在地基土存在一定有效承载力的前提下，刚性桩复合地基比桩基础、筏板基础等具有更好的加固效果和经济性。现阶段，如何有效计算刚性桩复合地基的承载力、最终沉降等是工程应用中的重点问题，强化对复合地基工作机理的研究，寻求简便并符合工程精度要求的计算方法将是今后的发展重点。

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【2】龚晓南.地基处理技术发展与展望[M]北京：水利水电出版社知识产权出版社，2004.

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The Study of Rigid Pile CompositeFoundation

JIANG Chao
(GuangdongNanyueTransportation Investment&ConstructionCo.Ltd.,Guangzhou 510000，China)

The research statue of rigid pile composite foundation is reviewed systematically，then describes the bearing mechanism and failuremodelindetail.Thecommoncalculationmethodsofbearingcapacityandsettlementareputon in thispaper.Basedon theabovestudy, thedevelopmentdirectionofrigidpilecomposite foundation issummarized.

rigidpile;composite foundation;reinforcementmechanism;settlementcalculation

TU437.1

A

1007-9467（2016）08-0063-04

10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.08.013

2016-05-08

江超（1988～），男，广东梅州人，助理工程师，从事高速公路工程建设管理研究，（电子信箱）kennyjc@live.cn。