刚性桩复合地基处理

刚性桩复合地基几点思考天然地基在地基处理过程中，部分土体得到增强，或被置换，或在天然地基中设置加筋体，由天然地基土体和增强体两部分组成共同承担荷载的人工地基，称为复合地基。以桩作为地基中的竖向增强体并与地基土共同承担荷载的人工地基，又称竖向增强体复合地基。根据桩体材料特性不同，可分为散体材料桩复合地基、柔性桩复合地基和刚性桩复合地基。1.刚性桩复合地基设计刚性桩复合地基适用于处理黏性士、粉土、砂土、素填土和黄土等土层。对淤泥、淤泥质土地基应按地区经验或现场试验确定其适用性。刚性桩复合地基中的刚性桩应采用摩擦型桩。在使用过程中，通过桩与土变形协调使桩与土共同承担荷载是复合地基的本质和形成条件。由于端承型桩几乎没有沉降变形，只能通过垫层协调桩土相对变形，不可知因素较多，如地下水位下降引起地基沉降，由于各种原因，当基础与桩间土上垫层脱开后，桩间土将不再承担荷载。《复合地基技术规范》（GB/T50783-2012）指出刚性桩复合地基中刚度桩应为摩擦型桩，对端承型桩进行限制。刚性桩复合地基应从以下几个方面进行设计：1.1桩体材料刚性桩复合地基中[1]的桩体可采用钢筋混凝土桩、素混凝土桩、预应力管桩、大直径薄壁筒桩、水泥粉煤灰碎石桩（CCFG桩）、二灰混凝土桩和钢管桩等刚性桩。钢筋混凝土桩和素混凝土桩应包括现浇、预制，实体、空心，以及异形桩等。1.2桩径根据沉管桩机的不同,刚性桩桩径一般设计成350mm、400mm和450mm。不同地区可根据当地施工经验及成孔机械规格进行选用,以达到最佳挤密效果为宜1.3桩长选择桩长时应使桩端穿过压缩性较高的土层，进入压缩性较低的土层。1.4桩距当刚性桩复合地基中的桩体穿越深厚软土时，如采用挤土成桩工艺(如沉管灌注成桩)，桩距过小易产生明显的挤土效应，一方面容易引起周围环境变化，另一方面，挤土作用易产生桩挤断、偏位等情况，影响复合地基的承载性能。桩的中心距应符合规范中下表的要求。表1桩的最小中心距1.5布桩范围通常情况下刚性桩都布在基础范围内,黄土地基为增强地基的稳定性,处理宽度要求超出基础边缘一定范围,防止基底下被处理的土层在附加应力作用下受水浸湿时产生侧向变形,并使处理与未处理交界面的天然土体保持稳定。因此,刚性桩布桩范围应符合国家标准(GBJ25-90)中挤密桩处理地基的宽度要求。1.6褥垫层褥垫层是保证桩土共同作用的重要措施,厚度一般取10～30cm,褥垫层材料可采用中粗砂、碎石、级配砂石等[2]。1.7复合地基承载力复合地基承载力的确定,比较可靠的方法是采用单桩或多桩复合地基载荷试验实测,设计估算常采用承载力叠加计算法,即荷载大部分由土承担,单桩承载力取标准值,考虑到安全因素,应按饱和状态下的土性指标进行桩的侧阻与端阻力的取值。2.复合地基承载力计算复合地基承载力由桩的竖向抗压承载力和桩间土地基承载力两部分组成。由于桩土刚度不同，两者对承载力的贡献不可能完全同步。一般情况下桩间土地基承载力发挥度要小一些。复合地基承载力目前有以下几种计算方法：（1）桩和土固定比例分担（2）先土后桩（3）先桩后土（4）按沉降量控制计算（5）变形分担（6）按照复合地基承载力计算公式计算在实际工程中，一般采用按照复合地基承载力计算公式来计算。这就涉及到复合地基承载力的修正问题[2]。刚性桩复合地基用于高层和超高层建筑时,一般有较大的基础埋深,即有更大的边荷载,边荷载对复合地基承载力及变形有多大影响,如何合理地对其承载力进行修正,对复合地基的设计有重要意义。2.1复合地基中桩的承载性状复合地基中,桩间土表面作用着桩间土应力σ𝑠,桩间土应力σ𝑠在不同深度产生的附加应力,使桩周正应力有较大的增量,在桩侧土中产生附加应力,桩身受到一个正向压力增量,桩侧阻力也相应增大,导致桩的侧阻增加。桩间土应力产生的附加应力增量,也使桩端处垂直应力加大,形成桩端边载效应,减少主应力差,增加桩的端阻力。2.2复合地基中土的承载性状试验表明,边荷载对刚性桩复合地基桩间土承载力的提高十分明显,主要原因是边荷载的作用抑制了基础外侧土体向上隆起的趋势,桩间土的侧向变形受到限制,从而使土的垂直变形减少。另一方面由于复合地基中桩的存在,使桩间土的变形受到桩的约束,侧向变形受到制约,从而也使土的垂直变形减少。这样,在边荷载与复合地基中桩的共同作用下,其承载力及模量较天然地基土有十分明显的提高。2.3桩土荷载分担比在有边荷载条件下,由于桩间土承载力及变形模量的提高,使桩土应力比降低,桩的荷载分担比也有所降低,而桩间土的荷载分担比增高,桩需要在更高的总荷载下才能发挥其承载力,其桩体作用的安全系数较无边荷载时有所提高。经过以上分析可以发现,复合地基中桩承载力较自由单桩有大幅度提高,但边荷载对复合地基中桩承载力的影响不大,主要是通过提高桩间土的承载力来提高复合地基的承载力。鉴于边荷载对复合地基承载力的影响,对复合地基承载力应进行修正,现阶段工程技术人员采用多种方法进行承载力修正,总结起来有三种方法:(1)《建筑地基处理技术规范》(JGJ79—91)法这是目前应用最广的方法,即沿用复合地基承载力修正的通常作法,不作宽度修正,深度修正系数取110。②《建筑地基基础设计规范》(GBJ7—89)法有专家认为行业标准(JGJ79—91)规定的复合地基承载力修正系数过于保守,建议按加固前天然地基土的性状选取[6],依据国家标准(GBJ7—89)表5.1.3取值。③先修正再复合计算法也有人先对桩间土承载力进行深宽修正,求得设计值后,用桩间土设计值计算复合地基承载力。3.复合地基沉降计算复合地基的沉降包括三部分：加固区变形，下卧层变形和柔性垫层变形。其沉降计算式为：S=S1+S2+S3式中：S1——加固区的变形；S2——下卧层的变形；S3——柔性垫层的变形，通常可以忽略不计；对加固区变形的计算方法，目前有复合模量法（EC法）、应力修正法（ES法）和桩身压缩量清退（EP法）。复合模量法（EC法）是将加固区看做一个整体，采用面积置换率加权模量作为复合模量，或根据试验测定的复合模量，利用分层总和法求解。应力修正法（ES法）忽略增强体的存在，根据桩间土分载PS和桩间土压缩模量ES，利用分层总和法计划算虚拟天然地基沉降量。桩身压缩法（EP法）假定桩体不会产和刺入变形，通过模量比求出桩承担的荷载，再假定桩侧摩阻力的分布形式，则可通过材料力学中求压杆变形的积分方法求出桩体的压缩量。4.发展现状刚性桩复合地基虽在实际工程中应用广泛，但目前仍存在以下问题需要解决：（1）理论落后于实践。在工程中可以采取多种多样的刚性桩复合地基设计施工方法，但理论方面却未能对其机理作出相应解释，理论不能引导实践。（2）设计人员的素质。设计人员的经验、专业水平主观上决定了刚性桩复合地基的设计施工水平，设计人员素质良莠不齐，也是目前存在的问题之一。（3）施工质量的控制。在施工中，偷工减料、蒙混过关的现象屡见不鲜，若施工单位与监理单位沆瀣一气，施工质量的控制更是难上加难。施工过程中监测的数据往往不可靠，竣工后使用期间的数据更是几乎没有，对施工质量的控制不能形成有力的证据。（4）施工机械的自动化程度与施工工艺。这决定了设计人员的设计方案能否顺利完成，目前存在一种现象：不是施工单位根据设计单位的设计施工，而是设计单位根据施工单位的施工能力进行设计，本末倒置。（5）检测手段与方法。准确高效的检测方法可以检测到施工中的缺陷与不足，并使施工单位及时改正。（6）经济杠杆的作用。施工质量的好坏一定程度上取决于施工单位能够获得利润的多少，应抵制恶意投标、低价投标。5.结论（1）刚性桩复合地基在软弱土层中的应用既能大幅度提高承载力,尤其适用于高层建筑,值得研究和推广。（2）刚性桩复合地基的设计应根据土层性质、施工条件、上部结构、基础形式、相关人员经验、经济条件、环境保护等多方面因素综合考虑。（3）《建筑地基处理技术规范》(JGJ79—91)规定的复合地基承载力修正系数,对强度较高的土来说比较保守,刚性桩复合地基承载力深度修正系数的取值,建议按地基加固前天然地基土的性状选取,这样对强度较高的土,可安全、合理、适当地提高复合地基承载力。（4）复合地基的复合模量是计算复合地基沉降的关键指标。目前，主要采用面积加权法计算地基复合模量。实践证明，由此得出的沉降计算值与实测值有较大误差。因此，作者考虑到桩长、桩端土性质对复合模量的影响，利用复合地基桩体的承载机理对复合模量面积比公式进行了修正。通过与实际工程进行对比，利用修正后的公式计算的沉降值比利用面积比公式计算更接近实测值，传统的面积加权法计算公式只是修正公式的特例。（5）相关人员应正视目前刚性桩复合地基存在的问题并提出合理的解决方案。参考文献：[1]乔来军,姬深堂等.CFG桩复合地基的讨论[J].岩土工程技术,1999(4):20～21.[2]何广讷.复合地基承载力标准值修正的探讨.见:龚晓南编.复合地基理论与实践学术讨论会论文集.杭州:浙江大学出版社,1996:43～46.[3]GB/T50783-2012《复合地基技术规范》[4]GBJ7—89《建筑地基基础设计规范》[5]JGJ79—91《建筑地基处理技术规范》