談復合地基技術(shù)

王 麗 平

(太原科技大學，山西 太原 030024)

談復合地基技術(shù)

王 麗 平

(太原科技大學，山西 太原 030024)

從概念、分類、發(fā)展歷史等多方面闡述了復合地基技術(shù),對復合地基的加固機理、承載特點、破壞模式等進行了總結(jié)，對比分析了天然地基、復合地基與樁基的聯(lián)系與區(qū)別,以期促進復合地基技術(shù)的推廣應(yīng)用。

復合地基，加固，承載

自20世紀60年代“復合地基”這一概念開始使用以來，它逐漸成為分析眾多地基處理手段的理論基礎(chǔ)。經(jīng)過幾十年的科研和工程實踐，復合地基技術(shù)從應(yīng)用于多層建筑發(fā)展到廣泛應(yīng)用于高層和超高層建筑地基處理，并成為某些地區(qū)應(yīng)用最普遍的地基處理方法之一。鑒于復合地基技術(shù)的應(yīng)用之廣，本文針對其基本概念及理論做一梳理，與大家探討學習。

1 復合地基概述

1.1 概念及分類

復合地基是在天然地基中設(shè)置一定比例的增強體，由原地基土和增強體共同承擔上部結(jié)構(gòu)荷載的一種人工地基。根據(jù)天然地基中增強體設(shè)置方向的不同，復合地基分為水平向增強體復合地基和豎向增強體復合地基(即樁體復合地基)兩大類，我們通常所說的復合地基多指豎向增強體復合地基。根據(jù)樁體材料的不同，豎向增強體復合地基又可分為散體材料樁(如砂樁、碎石樁等)復合地基和膠結(jié)材料樁(水泥土樁、旋噴樁、CFG樁等)復合地基；根據(jù)樁身強度的不同，豎向增強體復合地基又可分為柔性樁復合地基、半剛性樁復合地基、剛性樁復合地基。

1.2 復合地基形成條件

增強體與原地基土是否能夠形成“復合地基”，關(guān)鍵在于兩者是否能夠協(xié)調(diào)變形、共同承載。

現(xiàn)就圖1中四組不同的豎向增強體布置方式討論其與原土是否能夠形成復合地基。

圖1a)中豎向增強體未穿透軟土，在上部荷載作用下，其豎向增強體若為柔性樁，則樁體將發(fā)生鼓脹使得樁間土與樁體始終能夠保持共同承載，可形成復合地基；其豎向增強體若為剛性樁，由于樁體未貫穿軟土，樁身與樁間土協(xié)調(diào)變形，亦可形成復合地基。

圖1b)中豎向增強體穿透軟土，在上部荷載作用下，其豎向增強體若為柔性樁則發(fā)生鼓脹，同樣可與軟土形成復合地基；其豎向增強體若為剛性樁，則樁體與樁間土僅在受載初期可共同承載，但隨著土體固結(jié)和蠕變的發(fā)生，土體所承擔的荷載將逐漸減小，最終全部由樁體承載，將不能形成復合地基。

圖1c)中豎向增強體穿透軟土且在豎向增強體頂部設(shè)置柔性墊層，此種情況在荷載作用下，若樁體為柔性樁，則樁土變形協(xié)調(diào)、共同承載，可形成復合地基；若樁體為剛性樁，由于墊層可調(diào)整樁土應(yīng)力分配，能夠較好地發(fā)揮樁間土的承載力，故也可以形成復合地基。

圖1d)中豎向增強體穿透軟土且未在豎向增強體頂部設(shè)置柔性墊層，此種情況在荷載作用下，若樁體為柔性樁，則樁土變形協(xié)調(diào)、共同承載，可形成復合地基；若樁體為剛性樁，由于地基土及樁體中的應(yīng)力大致按剛度進行分配，則需考慮樁間土、樁體及下臥較好土層三者之間的模量關(guān)系，樁土是否能夠共同承載，最終決定其是否能形成復合地基。

2 復合地基技術(shù)的發(fā)展

復合地基技術(shù)源于19世紀30年代的歐洲。1935年法國工程師為處理松散的砂土地基,設(shè)計了砂石樁(樁長2 m，樁徑0.2 m，每根樁的承載力為10 kN)，此為最早的復合地基。但由于設(shè)計理論和施工工藝滯后,其發(fā)展緩慢。二戰(zhàn)后，前蘇聯(lián)在砂石樁設(shè)計理論、計算方法及施工機械等方面取得了較大成就；日本于1958年提出了振動重復拔管的砂石樁施工法，極大地提高了砂石樁的應(yīng)用水平。

土樁擠密法由前蘇聯(lián)的阿別列夫教授于1934年首創(chuàng)，用于濕陷性黃土的深層處理；振沖石樁法由德國的S.Steuerman于1936年提出,最初用于振密松砂地基,后來其用于粘性土地基加固；深層攪拌樁地基處理技術(shù)由二戰(zhàn)后的美國發(fā)明，時稱MIP工法，于20世紀70年代在日本得到完善和推廣。與此同時，日本將高壓噴射技術(shù)用于地基加固和防水帷幕(CCP工法)，即高壓旋噴法。

地基處理技術(shù)在國內(nèi)的發(fā)展始于20世紀50年代。1950年我國從前蘇聯(lián)引進砂石樁地基處理技術(shù)用于上海重型機器廠地基處理；土樁擠密法于50年代中期引入國內(nèi)用于處理西北黃土地區(qū)的濕陷性黃土，之后我國工程人員成功發(fā)明了灰土擠密樁法；進入20世紀70年代中后期，我國開始引進并應(yīng)用高壓旋噴法、振沖碎石樁法、水泥攪拌樁法、粉噴樁等加固地基，先后在南京船廠船體車間、塘沽新港、上海寶山鋼鐵總廠等軟土加固中得到了成功應(yīng)用。

3 復合地基的加固機理、承載特點與破壞模式

3.1 復合地基的加固機理

復合地基根據(jù)樁體材料與地基土質(zhì)的不同，其作用機理不同,加固效果也存在明顯差異。綜合而言，主要有五個方面：

1)樁體作用：在荷載作用下，由于復合地基中樁體剛度大于樁身周圍天然地基土，根據(jù)應(yīng)力按剛度分配原理，復合地基中樁體將承擔大部分上部荷載，此即為復合地基中的樁體作用。2)墊層作用：樁體與樁間土形成的復合地基可看作受力整體,能起到類似墊層的換土、調(diào)整應(yīng)力分布、增大壓力擴散角等作用。3)加速固結(jié)作用：復合地基中的散體材料增強體(如碎石樁、砂樁等)透水性較好,可形成排水通道使地基中產(chǎn)生的超孔隙水壓力得到消散,從而加速地基的固結(jié)沉降。4)擠密作用：從兩個方面加以體現(xiàn)，一是施工作業(yè)過程中產(chǎn)生的振動壓密樁間土體；二是施工結(jié)束后樁體自身的膨脹擠密樁間土體。5)加筋作用：復合地基中的增強體有類似于土工筋帶的作用，提高土體抗剪強度等力學性質(zhì)。

3.2 復合地基的承載特點

樁體材料的不同導致復合地基承載特性大不相同，本文選取碎石樁、水泥土樁及CFG樁分別代表柔性樁、半剛性樁和剛性樁來探討復合地基的承載特性，詳見表1。

表1 復合地基的承載特點

3.3 復合地基的破壞模式

復合地基中樁體的破壞模式大致分為四類，詳見圖2。

根據(jù)樁體材料及地基土性質(zhì)的不同，復合地基的破壞模式不同：碎石樁等散體材料樁受荷后多為鼓脹破壞(見圖2a))，而CFG樁等高粘結(jié)強度樁多發(fā)生刺入破壞(見圖2b))；同一樁型在不同土層條件中的破壞模式亦不相同：碎石樁淺部存在軟土層而下部土層密實堅硬時，受荷后可能在淺部發(fā)生整體剪切(見圖2c))或鼓脹破壞，而當淺部土層密實堅硬而深層局部存在軟土層時，則可能在深層局部發(fā)生鼓脹破壞及刺入破壞?？梢?，樁體與樁間土的特性決定了復合地基的破壞模式，且樁體的性質(zhì)對其影響較大。

4 天然地基、復合地基、樁基礎(chǔ)的聯(lián)系與區(qū)別

從概念上講，天然地基與復合地基同屬地基范疇,而樁基礎(chǔ)屬于基礎(chǔ)范疇，這是其本質(zhì)上的區(qū)別，而復合地基與樁基礎(chǔ)的共同點為均以樁的形式來對天然地基進行加固。從構(gòu)造上講，復合地基中樁體與基礎(chǔ)之間須設(shè)置砂石墊層，并不直接相連；而樁基礎(chǔ)中樁體直接與基礎(chǔ)連接形成整體。從承載特性上講，復合地基是樁與樁間土共同承載，而樁基則主要依靠樁體來承載。復合地基的主要受力層為復合地基加固體，而樁基則是在樁端下一定范圍內(nèi)的土體。從理論研究上講，復合地基假定樁與土協(xié)調(diào)變形,因而理論上樁的負摩阻力問題不存在于復合地基；由于復合地基理論以樁土加固體為研究對象，且假定各加固體互相獨立，因而類似樁基中的群樁效應(yīng)也不存在于復合地基中。

5 結(jié)語

復合地基技術(shù)發(fā)展至今已近半個世紀，理論發(fā)展相對成熟，工程應(yīng)用也十分廣泛，但在實際應(yīng)用中，筆者發(fā)現(xiàn)有部分同志對于復合地基理論的基本概念理解上存在欠缺，因此將所學進行梳理，愿與大家共同學習，使其在工程中得以更好地推廣與應(yīng)用。

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Discussion on composite foundation technology

WANG Li-ping

(Taiyuan University of Science and Technology, Taiyuan 030024, China)

This paper elaborated the composite foundation technology from the concept, classification, development history and other aspects, summarized the reinforcement mechanism, bearing characteristics, failure modes etc. of composite foundation, compared and analyzed the relationship and difference of natural foundation, composite foundation and pile foundation, in order to promote the popularization and application of composite foundation technology.

composite foundation, reinforcement, bearing

1009-6825(2014)36-0050-02

2014-10-19

王麗平(1962- )，女，工程師

TU449

A