剛?cè)嵝蚤L短樁組合復合地基墊層的分析研究

方輝1 林本海1-2

1.廣州大學建筑設(shè)計研究院 廣州 510006；2.廣州大學地下工程與地質(zhì)災害研究中心 廣州 5100061

摘要：剛?cè)嵝詫娱L短樁組合高強復合地基因其高承載力、經(jīng)濟性好和施工靈活并工期短的特點，應(yīng)用越來越廣泛。墊層作為復合地基均衡應(yīng)力、協(xié)調(diào)變形的重要組成部分，墊層厚度和模量大小對剛?cè)嵝蚤L短樁組合高強復合地基的承載力、沉降、樁頂應(yīng)力、樁土應(yīng)力比具有重要影響，對其研究具有重要意義。本文采用筆者研究的復合地基計算模型，對剛?cè)嵝蚤L短樁組合復合地基的墊層進行研究，為高強復合地基的優(yōu)化設(shè)計和工程應(yīng)用提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：剛?cè)嵝愿邚姀秃系鼗粔|層、剛?cè)嵝詷?；墊層；應(yīng)力；樁土應(yīng)力比

剛?cè)嵝蚤L短樁組合高強復合地基的剛度隨深度增加而降低的梯度性變化，與荷載附加應(yīng)力在地基中向深部傳遞的應(yīng)力擴散而減小的趨勢相一致，使得長短樁剛?cè)嵝詷恫贾玫膹秃系鼗诔浞职l(fā)揮樁體承載能力的同時調(diào)動樁間不同深度的土體參與工作，相比于樁基礎(chǔ)可以顯著減少樁端應(yīng)力[1] [2]。剛?cè)嵝蚤L短樁組合高強復合地基具有承載力高、經(jīng)濟性優(yōu)、施工靈活和工期短的特點，是地基處理技術(shù)的升華，高強復合地基在廣東已應(yīng)用于高層建筑甚至超高層建筑的地基處理，是對傳統(tǒng)樁基礎(chǔ)的巨大挑戰(zhàn)[3]。

筆者考慮樁體應(yīng)力協(xié)調(diào)，符合實際多層地基土體成層分布的特點，為實現(xiàn)不同長度樁體之間的剪切位移法相互作用的分析計算，曾將剛性長樁在短樁深度處擬斷開，分為上下兩段分別計算，通過樁周土體的等效剛度參數(shù)K，實現(xiàn)長樁、短樁、土體同時受荷時各部分之間的完全相互作用；通過樁體相互作用影響系數(shù)，考慮剛性長樁、柔性短樁和土體之間相互作用的區(qū)別，建立長短樁剛?cè)針督M合高強復合地基相互作用承載模型并編寫計算程序?qū)崿F(xiàn)，通過與其它相互作用計算模型和實測數(shù)據(jù)對比，證明所建立的承載計算模型合理可行，具體可見相關(guān)文獻[4]和[5]。

墊層作為復合地基均衡應(yīng)力、協(xié)調(diào)變形的重要組成部分，墊層厚度和模量大小對剛?cè)嵝蚤L短樁組合高強復合地基的承載力、沉降、樁頂應(yīng)力、樁土應(yīng)力比具有重要影響，對其研究具有重要意義。

本文以筆者建立的承載模型和計算程序，通過對墊層厚度和模量的研究，對剛?cè)嵝蚤L短樁組合高強復合地基的沉降、樁頂應(yīng)力、樁土應(yīng)力比進行分析，進一步總結(jié)剛?cè)嵝蚤L短樁組合高強復合地基的工作機理，為剛?cè)嵝愿邚姀秃系纳钊胙芯刻峁┲笇?，為地基?yōu)化設(shè)計提供依據(jù)，為工程推廣應(yīng)用積累經(jīng)驗。

計算模型中對短樁采用有代表性的柔性樁體--水泥攪拌樁，分析計算時假設(shè)下臥層為彈性壓縮。剛性樁采用直徑500mm的 C20素混凝土灌注樁，長約22m；柔性樁采用直徑500mm的水泥攪拌樁，長約6m；墊層采用碎石砂材料的200mm厚度，墊層變形模量取140MPa；樁體按照1600mm的間距正方形布置。

土層簡化為兩層，第一層厚度6m，模擬淺層的相對較軟土體，第二層厚度16m，模擬下部相對較硬土體。

1 墊層厚度的分析研究

墊層作為復合地基系統(tǒng)中一個重要的組成部分具有分擔荷載、均衡應(yīng)力和協(xié)調(diào)變形的作用。墊層的厚度和模量在復合地基設(shè)計計算時一直是按經(jīng)驗取值，本研究對復合地基的厚度和模量進行了計算分析。

圖1 墊層厚度對沉降的影響曲線圖

圖2 墊層厚度對剛性樁頂應(yīng)力的影響曲線圖

圖3 墊層厚度對柔性樁頂應(yīng)力的影響曲線圖

圖4 墊層厚度對土體頂面應(yīng)力的影響曲線圖

圖5 墊層厚度對剛性樁土應(yīng)力比的影響曲線圖

圖6 墊層厚度對柔性樁土應(yīng)力比的影響曲線圖

由圖1至6可知當墊層厚度小于100mm時，荷載主要由剛性樁體承擔，柔性樁體能發(fā)揮作用，土體不受力或受力很少，所得的沉降量也較小，整體復合地基相當于群樁基礎(chǔ)而喪失了復合地基的本質(zhì)。剛性樁體頂面荷載過大，還需要考慮樁體對底板的沖切作用。

墊層厚度大于300mm時，柔性樁體和土體的頂面荷載增加較多，可能使柔性樁體由于自身強度不足而破壞，但荷載仍主要由剛性樁體承擔。在圖3中，墊層厚度超過350mm后作為柔性樁體的攪拌樁會由于頂部強度超過2MPa而可能破壞。

墊層厚度在100mm-300mm之間，樁土分擔比較為穩(wěn)定，不僅滿足土體和柔性樁體的強度要求且能參加荷載分擔、共同作用。

從沉降曲線圖1中可以看出，隨墊層厚度增加沉降也增加，原因有剛性樁體的部分荷載轉(zhuǎn)移到柔性樁體和土體上而使整個復合地基的沉降增加；墊層厚度增加使墊層本身的沉降也增加?；诖藟|層厚度薄有利于整個復合地基的變形控制，但可能增加剛性樁體的受力。

圖7 墊層模量對沉降的影響曲線圖

圖8 墊層模量對剛性樁頂應(yīng)力的影響曲線圖

圖9 墊層模量對柔性樁頂應(yīng)力的影響曲線圖

圖10 墊層模量對土體頂面應(yīng)力的影響曲線圖

圖11 墊層模量對剛性樁土應(yīng)力比的影響曲線圖

圖12 墊層模量對柔性樁土應(yīng)力比的影響曲線圖

綜上分析，墊層的厚度取100mm-300mm之間為優(yōu)，能達到復合地基工作所要求的分擔荷載、均衡應(yīng)力的作用，建議常規(guī)的墊層厚度為200mm。

2墊層模量的影響

對于復合地基的墊層強度和剛度設(shè)計參數(shù)的取值一直是一個不確定的設(shè)計參數(shù)，從已有的文獻看，變形模量取值相差很大，在30MPa-300MPa之間，實際是模糊不清。這除了與上面分析的與墊層厚度有關(guān)外，還與采用的墊層材料和施工要求相關(guān)，下面做簡要分析。

墊層模量代表的是墊層的材料和密實程度。由圖7至12知道，剛性樁頂?shù)膽?yīng)力隨墊層模量的增加而增加，而土體和柔性樁體頂面的荷載隨墊層模量的增加而減少，沉降隨墊層模量的增加而減少，樁土應(yīng)力比隨墊層模量的增加而增加。

墊層模量過大時，荷載主要由剛性樁體承擔，柔性樁體、土體受力變少，沉降也變少。當模量增加到一定程度復合地基將會轉(zhuǎn)變成樁基礎(chǔ)。

當墊層模量較小時，會帶來柔性樁體和土體所受的應(yīng)力較大，沉降增加。如同墊層厚度過大一樣，柔性樁體可能由于自身強度不足而破壞，如圖9中的柔性樁體。

樁土應(yīng)力比隨墊層模量的增加而增加，沉降隨墊層模量的增加而減少，即墊層模量越大越易于發(fā)揮樁體的作用，越易于控制沉降。但是需要將剛性樁體的荷載最大限度的分擔到柔性樁和土體上去，達到復合地基的共同作用目的。

墊層需要選擇一個合理的模量，即選擇合理的材料和施工密實程度來保證復合地基的共同作用，來使復合地基中各承載要素（剛性樁、柔性樁和土體）的承載能力充分發(fā)揮，來使復合地基沉降控制在設(shè)計要求之內(nèi)。墊層模量的選擇和地基土體，上部荷載大小有關(guān)，與所選墊層的材料及施工密實度的控制有關(guān)，需要很強的針對性。作者認為墊層的變形模量選擇150MPa-230MPa較為合理。

實際工程檢測得到中密粗砂墊層的變形模量為40MPa-60MPa，密實中砂墊層或中密砂石墊層的變形模量可達80MPa-100MPa，相當于強風化軟質(zhì)巖的變形模量；密實砂石墊層的變形模量可達150MPa-200MPa。

3總結(jié)

墊層是整個復合地基系統(tǒng)的重要組成部分，起著均衡應(yīng)力和協(xié)調(diào)變形的作用，墊層的作用主要與其厚度和模量的變化有關(guān)。若墊層厚度越薄模量越大（相當于向剛性承臺過渡），會使剛性樁體承擔的荷載變大，沉降減小，共同作用就越弱，復合地基越接近群樁基礎(chǔ)；墊層厚度越大模量越小，會使柔性樁體、土體承擔的荷載增大，沉降變大，共同作用變強。墊層過薄，剛性樁體荷載過大，需要考慮樁體對結(jié)構(gòu)底板的沖切作用；柔性樁體、土體荷載過大需要考慮自身強度問題。

一般建議墊層厚度采用200mm-250mm。墊層變形模量選擇150MPa-200MPa較好。建議墊層采用中密或密實的砂石墊層。

參考文獻：

[1] 謝定義，林本海，邵生俊.巖土工程學[M].北京：高等教育出版社，2008.

[2] 閆明禮，張東剛.CFG樁復合地基技術(shù)及工程實踐[M].北京：中國水利水電出版社，2006.

[3] 方輝，林本海.剛性長短樁體復合地基及其工程應(yīng)用[J].建筑監(jiān)督檢測與造價，2008.11.

[4] 林本海，方輝.長短樁高強復合地基在高層建筑中的應(yīng)用[J].巖土力學，2009.S02.

[5] 林本海，方輝.長短樁高強復合地基的承載模型研究[J].巖石力學與工程學報，2009.A02.