剛性樁復合地基法綜述

江超

（廣東省南粵交通投資建設有限公司，廣州 510000）

剛性樁復合地基法綜述

江超

（廣東省南粵交通投資建設有限公司，廣州 510000）

系統(tǒng)梳理了剛性樁復合地基的研究現(xiàn)狀，詳細介紹了剛性樁復合地基承載機理、破壞模式，探討了現(xiàn)階段常用的承載力、沉降變形的計算方法,最后基于以上分析總結了剛性樁復合地基的發(fā)展方向。

剛性樁；復合地基；加固機理；沉降計算

1 引言

復合地基是一種由增強土體和天然土地組成的人工地基，通過對天然地基進行增強或置換以獲得符合設計要求的地基承載力[1]。此類地基型式多樣，按作用機理和材料,可分為以散體材料樁（砂石、碎石）和黏結材料樁（柔性樁、剛性樁）組成的豎向增強型復合地基[2]，以及增設土工格柵、土工格室等加筋體形成的水平向增強體復合地基。

復合地基這一概念最早見于1962年，由日本學者提出，用于解決砂井地基的承載能力問題。隨著工程實踐的不斷應用，復合地基獲得了快速發(fā)展。Butterfield、Banergee[3]和Hooper[4]通過研究得出復合地基的樁間土可承擔部分荷載，分擔載荷約為40%。20世紀70年代，我國開始了樁土共同作用的研究。山西省建筑設計研究院通過復合地基試驗研究，得出了承臺和樁體組成的聯(lián)合較單樁基礎承載力提高40%的結論[5]，20世紀90年代初，中國建筑科學研究院地基所和浙江建筑科學所，分別研發(fā)了水泥粉煤灰碎石樁（CFG樁）和低強度水泥砂石樁復合地基；1996年，浙江大學巖土工程研究所發(fā)展了二灰混凝土樁復合地基。1997年楊敏、艾智勇[6]采用M indlin公式，對樁土共同作用進行了較為深入的研究；2000年，傅景輝、宋二祥[7]得出了考慮樁-土-墊層作用的剛性樁復合地基沉降計算公式；2002年，池躍君、宋二祥[8]通過單樁復合地基現(xiàn)場試驗，推導出了帶墊層樁體復合地基沉降計算的解析解；2009年，楊光華、蘇卜坤等[9]基于原狀土切線模量法，提出了通過復合土體和剛形樁荷載-沉降曲線計算基礎沉降的新方法；2010年，趙明華、何臘平等[10]基于荷載傳遞法，提出了能考慮樁 -土-墊層體系共同作用的CFG樁復合地基沉降計算方法；2010年，楊德健、王鐵成[11]基于ANSYS分析了剛形樁復合地基墊層、樁間土模量以及樁間距對沉降變形的影響；2013年，佟建興、孫訓海等[12]通過室內模型試驗得到了長短剛性樁復合地基在等厚徑比條件下,長樁、短樁、樁間土的承載力發(fā)揮系數(shù),得出宜采用降低長樁厚徑比、提高短樁厚徑比的設計方法來提高承載力。2014年，周同和、王非等[13]通過現(xiàn)場載荷試驗,研究了剛性長短樁復合地基樁土應力、荷載分擔及其發(fā)展變化的工作性狀。

2 剛性樁復合地基的承載機理

2.1 剛性樁復合地基的加固機理

剛性樁復合地基主要通過樁體的置換作用、樁對土體的擠密作用以及褥墊層的調節(jié)作用來實現(xiàn)對天然土體的加固。

2.1.1 置換作用

剛性樁復合地基通過樁體將承受的荷載向下層土體傳遞，減少了樁間土的荷載，從而減小了地基變形，提升了復合地基的承載力，樁的這種作用稱之為樁體的置換作用。[14]對剛性樁而言，置換率越高，復合地基整體的承載力也越高，但同時造價也越高。工程中應考慮取最優(yōu)的置換率以獲得加固效果與經濟性的平衡。

2.1.2 樁對土的擠密作用

復合地基的樁體除了傳遞豎向荷載外，還會對周邊土體產生橫向擠密作用。松散的土體小顆粒由于樁的橫向作用會擠入臨近的大顆粒中，提高了土體的密實度，從而使得地基土的強度、模量也隨之提高[15]。

2.1.3 褥墊層的應力調整作用

剛性樁復合地基通常會在基礎與樁、樁間土之間設置一定厚度的褥墊層。研究表明：褥墊層具有減小基礎底面的集中應力，調整樁土荷載分擔比，保證樁土共同作用的功能。[16]在豎向荷載下，樁頂會逐漸刺入褥墊層中，墊層材料在變形的同時會向周邊土體流動，補償?shù)綐堕g土中。這種流動可消散樁頂?shù)牟糠謶17]，同時使得樁間土始終與基礎保持貼合，解決了樁土的變形協(xié)調，實現(xiàn)了樁土的共同作用。

2.2 剛性復合地基的荷載傳遞機理

2.2.1 褥墊層的應力調節(jié)作用

褥墊層為在基礎與樁、樁間土之間設置的具有一定厚度的碎石材料(見圖1)。由于樁的模量遠大于樁間土模量，承載上層壓力時，樁間土沉降變形大于樁體變形，樁頂會逐漸刺入褥墊層。褥墊層在變形的同時會向周邊流動，補償?shù)綐堕g土中。由于褥墊層的這種作用，基礎能始終與樁、樁間土保持接觸，樁間土的承載力得到了充分發(fā)揮。

研究表明[18～19]，復合地基承載力大小與褥墊層厚度存在重要關聯(lián)。當設置厚度偏小時，樁頂容易出現(xiàn)較大應力集中，未充分發(fā)揮樁間土的承載力，基礎易發(fā)生沖切破壞；當厚度偏大時，樁的置換作用會顯著降低，樁與樁間土應力比相近，無法有效控制沉降。大量的工程實踐總結，采用厚度為10～30cm，以中、粗砂為材料的褥墊層，復合地基的加固效果最佳。

圖1 剛性樁復合地基褥墊層

2.2.2 樁土受荷特性

研究表明，在不同荷載作用下，剛性樁復合地基樁頂、樁間土、基礎的沉降均不相同[20]。如圖2所示。

圖2 樁、土及基礎p-s曲線

當深度ZZ0時，樁體變形要快于土體變形，此時土體對樁產生了與沉降方向相反的力，稱為正摩阻力，如圖3所示。在深度Z0處，土體與樁變形相同，該斷面位置稱之為中性點。中性點以上，由于負摩阻力的作用，樁的軸向應力隨深度增加而增大；中性點以下，由于正摩阻力的作用，樁的軸向應力隨深度增加而減小，如圖4所示。樁的最大軸向應力在中性點處。

在豎向荷載作用下，樁頂會逐漸刺入褥墊層，褥墊層對樁產生負摩阻力。由于褥墊層在變形的同時會向周邊土體流動，使得樁間土能始終與基礎保持接觸，能承擔部分荷載，而樁頂負摩阻力的存在一定程度上又提高了樁間土的承載力。由于褥墊層的作用，樁承擔的荷載會有一個逐漸向樁間土轉移的過程，使得樁間土始終分擔荷載，從而保證樁土共同承擔荷載。

圖3 樁、土位移示意圖

圖4 樁軸力隨深度變化曲線

2.3 剛性樁復合地基的破壞模式

剛性樁復合地基的破壞可分成：樁間土首先破壞或樁體首先破壞,進而發(fā)生復合地基的全面破壞，實踐中，多數(shù)情況下都是樁體首先破壞，繼而引起地基全面破壞，樁體、樁間土同時破壞極其罕見。

剛性樁復合地基常見破壞模式有刺入、整體剪切和滑動剪切破壞3種[21]（見圖5）。

圖5 剛性樁復合地基的破壞方式

3 剛性樁復合地基承載力計算方法

設ppf為單樁極限承載力，psf為天然地基極限承載力，則剛性樁復合地基極限承載力為：

式中,m為樁體置換率；K1為反映樁體實際承載力與單樁極限承載力不同的修正系數(shù)；K2為反映樁間土實際極限承載力與天然地基極限承載力不同的修正系數(shù)；λ1為復合地基破壞時樁體發(fā)揮其極限強度的比例；λ2為復合地基破壞時樁間土發(fā)揮其極限強度的比例。

設計時需預留一定的安全系數(shù)K，則容許承載力計算式為：

4 剛性樁復合地基的沉降計算方法

剛性樁復合地基由增強體和下臥層天然土體組成，計算沉降時可將總沉降s視為兩部分沉降之和，為:

式中,s1為增強體沉降量；s2為下臥層沉降量。對于褥墊層的變形，由于其設置厚度相對較小，計算中通?？珊雎圆挥嫛?/p>

4.1 增強體沉降s1的計算方法

4.1.1 復合模量法

復合模量法的計算原理為將樁與樁間土簡單視為一整體，采用復合模量Ecs來計算此部分復合地基的沉降，再結合分層總和法便可計算：

在數(shù)值計算過程中，共監(jiān)測11個軸中心位置處的湍動能，試驗段軸中心線位置的湍流強度分布見圖11。湍流強度定義為

式中，Vpi為第i層土上附加應力增量;Hi為第i層土的計算厚度；Ecsi為第i層土復合模量，可通過面積加權平均計算或室內試驗測定。

4.1.2 樁身壓縮量法

樁身壓縮量法的計算原理為:通過計算樁身壓縮量來獲得復合地基增強體沉降量。設樁身壓縮量為sp，樁刺入下臥土層的沉降變形為V，則：

該方法在實際操作中，對于樁端刺入量和樁端承載力的計算存在較大困難。

4.1.3 應力修正法

應力修正法的計算思路為:通過樁土應力比計算應力修正系數(shù)來獲得增強體沉降量。設m為復合地基置換率；n為荷載分擔比；μs為應力修正系數(shù)；s1s為天然地基在荷載p作用下的沉降量；Vpsi為復合地基第i層土上附加應力增量；Vpi為天然地基第 層土上附加應力增量，則：

實際計算中，對于準確確定樁間土荷載分擔比存在較大困難，影響因素較多。

4.2 下臥層沉降s2的計算方法

下臥土層沉降采用分層總和法計算：

式中，e1i為第i層土受壓前空隙比，e2i為第i層土受壓層空隙比，p1i為i第層土自重應力，p2i為i第層土附加應力。

此方法的難點在于確定下臥層承載的荷載，常用方法如下。

4.2.1 等效實體法

假設增強體為一等效實體，荷載并未向周邊擴散，作用在下臥層的荷載面積與作用在增強體上的相同。同時，在等效實體四周作用有側摩阻力f，則下臥層承擔荷載為：

式中,B、D為作用面寬度和長度，p為上部荷載，h為增強土體厚度。

該方法難點在于f值的合理選用，特別是樁土相對剛度較小時，合理估計f值存在較大困難，計算會存在較大誤差。4.2.2壓力擴散法(見圖6)

設上部荷載為p，β為壓力擴散角，則下臥層承擔荷載為：

圖6 壓力擴散法示意圖

4.3 基于切線模量法的沉降計算法

假設樁、土為互不影響的兩獨立受力體系。計算樁體單樁沉降時，結合荷載傳遞法，樁端采用切線模量法計算其荷載p與沉降s的關系曲線，如圖7中曲線sp所示；計算土體的沉降時，則根據原狀土切線模量法計算其p-s曲線，如曲線ss。

根據曲線sp和ss，可通過共同作用求出剛性樁復合地基的載荷沉降曲線ssp。對于任一沉降值si，曲線sp的荷載為pip，曲線s的荷載為pis。那么，對于有n根樁的復合地基對應于沉降值si時的荷載為pisp：

圖7 荷載-沉降p-s曲線

對于不同的沉降值，均可通過單樁p-s曲線和地基土p-s曲線求得對應n根樁復合地基的荷載值，由此可求得剛性樁復合地基的p-s曲線，如圖7中Ssp曲線所示。根據剛性樁復合地基的p-s曲線，則可求得不同荷載作用下的沉降值。

5 結語

大量的工程實踐表明，在地基土存在一定有效承載力的前提下，剛性樁復合地基比樁基礎、筏板基礎等具有更好的加固效果和經濟性?，F(xiàn)階段，如何有效計算剛性樁復合地基的承載力、最終沉降等是工程應用中的重點問題，強化對復合地基工作機理的研究，尋求簡便并符合工程精度要求的計算方法將是今后的發(fā)展重點。

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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，廣東梅州人，助理工程師，從事高速公路工程建設管理研究，（電子信箱）kennyjc@live.cn。