長短樁復(fù)合地基的應(yīng)用研究與發(fā)展趨勢

徐玉芬

(三江大學(xué)土木工程學(xué)院，江蘇 南京 210012)

0 引言

近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展、地基處理技術(shù)的不斷深化，長短樁復(fù)合地基在工程中得到了越來越廣泛的關(guān)注。長短樁復(fù)合地基主要是利用剛性長樁與剛性、半剛性或柔性短樁相結(jié)合對地基進(jìn)行綜合處理。長短樁復(fù)合地基不僅能充分發(fā)揮樁體的承載力，而且能積極調(diào)動樁間土體參與工作，一般來講，短樁可減少淺層的應(yīng)力集中，提高其承載力;而長樁在增加地基承載力的同時更重要的是通過樁身將荷載傳遞到深層地基以達(dá)到減少壓縮層變形、控制沉降量的目的。通常情況下，為協(xié)調(diào)地基變形，在樁頂還會鋪設(shè)褥墊層。在一些地區(qū)，以剛性長樁柔性短樁組合的長短樁復(fù)合地基已開始應(yīng)用并取得了顯著的成效。

作為一種新型的地基處理形式，長短樁復(fù)合地基具有承載力高、工期短、造價低的特點，它將在巖土工程界得到推廣和應(yīng)用，但由于該理論還有很多不完善的地方，因此還需做進(jìn)一步的探索和研究。

1 長短樁復(fù)合地基的應(yīng)用研究現(xiàn)狀

雖然長短樁復(fù)合地基已成功地應(yīng)用于高層甚至超高層建筑，但其理論研究遠(yuǎn)落后于實踐，至今為止，仍未形成比較完善的設(shè)計理論和計算方法。下面對近八年來已見諸報道的長短樁復(fù)合地基的研究現(xiàn)狀大致綜述如下。

梁發(fā)云通過建立三維彈塑性有限元分析模型，對長短樁復(fù)合地基中墊層—樁—土系統(tǒng)的共同作用機(jī)理進(jìn)行了參數(shù)分析，并根據(jù)分析結(jié)果提出了行之有效的沉降控制方法[1]。

牛順生通過建立長短樁復(fù)合地基優(yōu)化設(shè)計數(shù)學(xué)模型，提出了基于模擬退火算法的長短樁復(fù)合地基優(yōu)化設(shè)計方法，并將其運用于實例計算以驗證其可行性[2]。

歐麗利用ANSYS有限元軟件對長短樁復(fù)合地基進(jìn)行三維彈塑性計算分析，探討了樁身應(yīng)力與土體附加應(yīng)力分布、荷載傳遞的性狀及變形特性，為長短樁復(fù)合地基的理論研究提供了有益的參考[3]。

郭院成、李明宇在現(xiàn)有理論的基礎(chǔ)上進(jìn)行了現(xiàn)場試驗，針對剛?cè)醿煞N基礎(chǔ)形式下的長短樁復(fù)合地基在不同荷載作用下的應(yīng)力、變形、樁土荷載分擔(dān)比及樁土應(yīng)力等規(guī)律進(jìn)行了大量的對比分析，為長短樁復(fù)合地基的優(yōu)化設(shè)計提供了寶貴資料[4]。

謝新宇利用有限元方法對剛?cè)嵝蚤L短樁復(fù)合地基的工程性狀進(jìn)行了研究，分析了墊層模量、厚度、短樁模量以及長樁長度的變化對長短樁復(fù)合地基的總沉降、長短樁應(yīng)力比和長短樁樁身應(yīng)力的影響，為長短樁復(fù)合地基的設(shè)計和應(yīng)用提供了理論基礎(chǔ)[5]。

郭院成通過對柔性基礎(chǔ)下長短樁復(fù)合地基中褥墊層內(nèi)長、短樁樁頂荷載傳遞影響區(qū)進(jìn)行受力分析，推導(dǎo)出樁土應(yīng)力比的解析公式，并結(jié)合現(xiàn)場試驗測試結(jié)果驗證了該公式的實用性，為柔性基礎(chǔ)下長短樁復(fù)合地基樁土應(yīng)力比的工程應(yīng)用提供了理論指導(dǎo)[6]。

林本海根據(jù)多層地基土分布的特點，結(jié)合剛性長樁—柔性短樁—樁間土體相互作用特性，建立了長短樁高強(qiáng)復(fù)合地基相互作用承載模型，并通過與其他相互作用計算模型以及實測數(shù)據(jù)的對比，來驗證該承載模型的合理性和可行性[7]。

文海濤結(jié)合實例對常用的長短樁復(fù)合地基承載力計算方法之面積加權(quán)法和分步疊加法以及沉降計算方法之復(fù)合模量法和增大系數(shù)法分別進(jìn)行了介紹和對比分析，為長短樁復(fù)合地基的工程應(yīng)用提供了理論基礎(chǔ)[8]。

任銳根據(jù)鄭西客運專線濕陷性黃土地基的特點，采用Drukerprager屈服準(zhǔn)則對黃土地區(qū)路堤荷載作用下長短樁復(fù)合地基的作用性狀進(jìn)行了有限元分析，探討了樁體各參數(shù)對復(fù)合地基作用效果的影響，為長短樁復(fù)合地基在黃土地區(qū)進(jìn)一步的推廣與應(yīng)用作了鋪墊[9]。

孫魯原采用Drucker-Prager屈服準(zhǔn)則對由9個剛性長樁，16個柔性短樁組成的復(fù)合地基進(jìn)行了ANSYS有限元分析，探討了不同的墊層厚度和模量對剛?cè)嵝蚤L短樁復(fù)合地基的沉降以及長、短樁軸向應(yīng)力所產(chǎn)生的影響，為長短樁復(fù)合地基的工程應(yīng)用提供了理論參考[10]。

王瑞芳運用ABAQUS有限元軟件，對剛?cè)嵝蚤L短樁復(fù)合地基在不同褥墊層厚度、模量、短樁模量以及荷載下的樁土應(yīng)力比、長短樁應(yīng)力比、基礎(chǔ)沉降的影響和規(guī)律進(jìn)行了分析，同時結(jié)合武漢某多層住宅的長短樁靜載荷現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析了工程中樁土應(yīng)力比、長短樁應(yīng)力比的變化規(guī)律，為此類復(fù)合地基的設(shè)計和施工提供依據(jù)[11]。

當(dāng)前，復(fù)合地基技術(shù)發(fā)展很快，但對于長短樁復(fù)合地基，其理論分析則遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于工程實踐，至今還沒有一個完善的設(shè)計理論和計算方法，這對長短樁復(fù)合地基的深入研究和推廣應(yīng)用都會有影響。

2 今后的研究方向

1)進(jìn)一步完善長短樁復(fù)合地基設(shè)計計算理論。

雖然長短樁復(fù)合地基已成功運用于實際，不少學(xué)者也結(jié)合工程實踐經(jīng)驗總結(jié)和發(fā)展了一些設(shè)計計算方法，但目前對它的研究還不是很完善，計算中尚有一些因素還有待于深入研究(如地基長短樁深層結(jié)合作用機(jī)理，長短樁復(fù)合地基沉降計算中的樁的上、下塑性刺入量)。

2)動力荷載下長短樁復(fù)合地基性狀分析。

人們在建立長短樁復(fù)合地基樁土界面荷載傳遞模型以及設(shè)計中考慮樁土相互作用時通常認(rèn)定樁頂承受的是靜載，而對其在動荷載作用下的性狀研究卻往往很少，為更廣泛地推廣此種新型的地基處理技術(shù)，這個問題值得我們今后做進(jìn)一步的探索和研究。

3)長短樁復(fù)合地基優(yōu)化設(shè)計的研究。

對長短樁復(fù)合地基在設(shè)計中的可能影響因素:長、短樁的長度，樁的平面布置情況，長、短樁樁數(shù)，有效樁徑(距)等進(jìn)行有限元分析，在控制地基沉降的基礎(chǔ)上，建立了合理的優(yōu)化設(shè)計數(shù)學(xué)模型，對復(fù)合地基進(jìn)行優(yōu)化，是我們今后的一個主要研究方向。

4)建立承載力和沉降雙重控制的計算模型。

3 結(jié)語

與常規(guī)的復(fù)合地基相比，長短樁復(fù)合地基不僅充分發(fā)揮了長、短樁各自的優(yōu)勢，而且有效地控制了沉降，同時減少了基礎(chǔ)工程費用，是一種非常值得推廣的、先進(jìn)的地基處理技術(shù)，但由于樁與土之間相互作用的復(fù)雜性以及土層層性的影響，使我們對長短樁復(fù)合地基工程性狀的認(rèn)識仍不夠全面和深入，尚有不少值得進(jìn)一步研究的問題。

[1] 梁發(fā)云.長—短樁復(fù)合地基性狀影響參數(shù)彈塑性有限元分析[J].建筑結(jié)構(gòu)，2005(7):12-16.

[2] 牛順生.長短樁復(fù)合地基優(yōu)化設(shè)計模擬退火算法研究[J].湖南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2005，8(32):24-28.

[3] 歐 麗.長短樁復(fù)合地基應(yīng)力與沉降分析[J].鐵道科學(xué)與工程學(xué)報，2006，12(3):35-41.

[4] 郭院成，李明宇.長短樁復(fù)合地基力學(xué)性狀的現(xiàn)場試驗[J].工業(yè)建筑，2007，37(5):53-56.

[5] 謝新宇.剛?cè)嵝蚤L短樁復(fù)合地基性狀分析[J].巖土力學(xué)，2007，28(5):877-882.

[6] 郭院成.長短樁復(fù)合地基樁土應(yīng)力比的力學(xué)計算方法[J].公路交通科技，2009，26(2):37-41.

[7] 林本海.長短樁高強(qiáng)復(fù)合地基的承載模型研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2009，28(2):3857-3862.

[8] 文海濤.長短樁復(fù)合地基設(shè)計計算方法探討[J].桂林理工大學(xué)學(xué)報，2010，30(2):240-245.

[9] 任 銳.長短樁在濕陷性黃土中作用機(jī)理的數(shù)值分析[J].鄭州大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版)，2010，31(1):48-51.

[10] 孫魯原.剛?cè)嵝蚤L短樁復(fù)合地基墊層特性分析[J].中北大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2010，31(5):538-542.

[11] 王瑞芳.長短樁復(fù)合地基受荷性狀的影響因素分析[J].武漢大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版)，2010，43(5):613-616.

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