淺議長短樁復合地基

王玉銀

隨著信息產業時代到來和計算機高新科技的快速發展,在土木工程建設中,對于大型建筑結構,在沉降和承載力控制方面,樁基礎無疑是目前工程應用中首選的地基形式,然而在多層和小高層建筑中樁基礎成本造價相對過高。為了在滿足工程需要的同時又能夠減小地基處理成本,復合地基應運而生,其中尤以長短樁復合地基最為突出,其充分發揮了天然土體承載能力,同時減小了沉降,既滿足了上層建筑結構要求,又減小了打樁對于周圍環境的影響,同時大大地降低了地基成本,是近年來在多層和小高層工程中得到廣泛應用的一種地基形式。

1 復合地基的定義和樁基的區分

經過處理形成的地基多數可歸屬為兩類:一類是天然地基土體的承載性質得到普遍的改良形成均質地基,如通過預壓法、強夯法以及換填法等形成的土體改良地基,這類地基的承載力與沉降計算類似于淺基礎。另一類是在地基處理過程中,部分土體得到增強,或置換,或在天然地基中設置加筋材料,加固區是基體(天然地基土體)和增強體兩部分組成的人工地基,在荷載作用下,基體和增強體共同承擔荷載的作用,其通常被稱為復合地基。

復合地基和樁基礎尚存在一定的差異,復合地基理論的產生實際上是基于樁基理論。從地基工程成本上考慮,在滿足上層建筑結構對變形控制要求的條件下,充分發揮樁間土的承載力,使樁分擔的上部荷載部分轉向樁間土,由樁間土承擔進而減小樁數,降低地基成本。從環境的方面考慮,這種新型地基可以減小由于大面積的大量打樁施工所造成的原有天然地基內超孔隙水壓力增加所引發的土體有效重度降低和地基內出現滲流現象,包括流砂、管涌、上浮、局部不均勻沉降等對地基承載力和上部結構整體穩定造成的不利影響。樁基理論中主要考慮樁體和基礎底部相互作用對整體地基性狀的影響,充分發揮樁的承載力而忽略樁間土和基礎之間的直接相互作用,將樁間土作為地基承載力的安全儲備。從經濟和適用方面上,這種設計理念在減小上層建筑差異沉降和提高地基承載力方面效果顯著,在大型高層建筑和超高層建筑中得到充分推廣,但對于多層和小高層建筑,在地質條件優越的情況下,相對于整個工程的成本來說,樁基礎成本較高,性價比較低。而復合地基正是考慮到這一點,充分發揮樁間土的承載力,更多地考慮樁間土和基礎的直接作用,在褥墊層和基礎的協調作用下,使樁和樁間土共同協同工作,達到提高地基承載力的目的,同時減小樁數,降低成本造價。

2 長短樁復合地基的作用機理和研究現狀

隨著對復合地基理論認識的提高以及實踐經驗的積累,提出了由兩種不同類型(或同種類型而長度差別較大)的樁與土組成的三元組合型復合地基。這種新型復合地基形式從目前研究與應用情況來看,基本形式大多為長短樁復合地基。目前,在承載力和沉降變形設計理論方面存在兩種設計理念:一種是長樁協力形式的長短樁復合地基。當基底以下存在較厚的軟弱土層時,采用短樁對該區域土層進行加固,減小地基土層的沉降變形,同時也可提高基底土層的承載力。而長樁的主要作用是彌補經短樁加固后的地基承載力的不足,同時長樁的設置也減小了復合地基的沉降。另一種是長樁控沉形式的長短樁復合地基。當基底以下存在上下兩層較為理想的樁端持力層時,如采用短樁方案將樁端放在上層持力層,即使復合地基承載力能夠滿足設計要求,由于加固較淺,沉降變形將有可能偏大。采用長樁和短樁相結合的方案,將長樁、短樁樁端分別落在上、下兩層樁端持力層上,充分發揮上、下兩層樁端持力層的特性,長樁與短樁間隔設置,利用短樁提高復合地基的承載力,通過長樁不僅能夠提高地基承載力,而且可將荷載通過樁身向地基深處傳遞,減少壓縮層變形。

研究表明,長短樁復合地基存在以下特點:

1)隨著荷載增加,靜壓剛性長短樁復合地基中樁間土和樁頂應力均呈線性增大,樁頂應力大于樁間土應力。柔性基礎下長短樁復合地基樁和土受力較均衡。在相同的地質條件下,長短樁復合地基中長樁應力比短樁復合地基中的樁頂應力增長較快。剛性基礎下長短樁復合地基樁土應力比大于柔性基礎下長短樁復合地基樁土應力比。

2)盡管樁頂應力遠遠大于樁間土應力,但由于樁間土受力面積較大,因此仍然承擔較大部分荷載,樁間土承載力對長短樁復合地基承載力影響較大。

3)各復合地基承載力均高于天然地基承載力,從而可以大大減小地基沉降量。剛性基礎下復合地基沉降變形小于柔性基礎下復合地基沉降變形。長短樁復合地基承載力高于短樁復合地基承載力,且前者比后者在減小地基沉降方面有顯著的技術優勢。增加樁長可以提高復合地基承載力和減小沉降。

4)在靜壓剛性長短樁復合地基中,剛、柔性基礎對復合地基整體受力變形產生不同影響。兩種基礎下復合地基的受力機理不同。在剛性基礎下,復合地基受力變形以長樁為主導,隨后帶動短樁和樁間土協調變形,長樁承載力充分發揮。而在柔性基礎下,復合地基受力變形以樁間土和短樁所組成的復合土體為主,隨后協同長樁受力沉降,在加載過程中,復合土體承載力發揮程度較高,而長樁承擔荷載相對較少。

3 結語

由于工程場地環境的多樣化和復雜化,為了能夠使長短樁復合地基理論得到廣泛應用,仍然需要對不同環境下長短樁復合地基的承載性狀進行系統分析,從中歸納出其變化規律,促進其快速發展。

[1] GB 50007-2002,建筑地基基礎設計規范[S].

[2] JGJ 79-2002,建筑地基處理技術規范[S].

[3] 龔曉南.復合地基發展概況及其在高層建筑中的應用[J].土木工程學報,1999(5):33-34.

[4] 蔡建明,錢 波,王麗雅.長短樁復合地基工作機理及其應用[J].山西建筑,2009,35(8):135-136.