復合地基加固作用機理及樁體破壞模式分析

李 冰李玉潔

（1.中國長城葡萄酒有限公司，河北 懷來 075400 ； 2.懷來縣玉潔環境衛生管理有限責任公司，河北 懷來 075400）

復合地基加固作用機理及樁體破壞模式分析

李 冰1李玉潔2

（1.中國長城葡萄酒有限公司，河北 懷來 075400 ； 2.懷來縣玉潔環境衛生管理有限責任公司，河北 懷來 075400）

本文簡述了復合地基的作用機理及復合地基中樁體的破壞模式。

地基處理 復合地基 地基加固

復合地基（Composite Ground）一詞最早出現在上世紀60年代初，原本是指碎石樁加固的地基，隨著地基處理技術的不斷發展，后來也用來指其它樁體加固的地基。復合地基一般由兩種不同剛度的材料——樁體和樁間土所組成，在相對剛性基礎下兩者共同分擔上部荷載并協調變形。需要特別說明的是，復合地基與上部結構的基礎一般通過碎石或砂石墊層來過渡，而不是直接接觸。

一、復合地基的分類

復合地基中的“樁”與樁基中的“樁”有所不同，主要體現在兩個方面：一是樁身材料及強度，復合地基中的樁有散體材料樁、柔性樁、半剛性樁和剛性樁之分，而樁基中的樁均為剛性樁；二是樁與上部結構的連接方式上，復合地基中樁體與基礎往往通過墊層（碎石或砂石墊層）來過渡，而樁基中樁體與基礎直接相連，兩者形成一個整體。正是因為這兩方面原因復合地基仍屬地基范疇，主要受力層在加固體內，樁與樁間土共同承擔上部荷載；而樁基中的主要受力層是在樁尖以下一定范圍內。在復合地基中樁的作用是主要的，而地基處理中樁的材料類型較多，包括土、灰土、石灰、砂、碎石、水泥土、礦渣和混凝土等，由此形成的樁則相應地被稱為土樁、灰土樁、石灰樁、砂樁、碎石樁、水泥土樁（包括攪拌樁和旋噴樁）、CFG樁和混凝土樁等。由于樁體材料以及成樁工藝上的不同，各種樁的力學特征也差別較大。復合地基中的樁又可分為：散體材料樁：無樁身強度，主要包括碎石樁、砂樁和礦渣樁等；柔性樁：樁身強度小于1MPa，變形模量小于200MPa，主要包括土樁、灰土樁、石灰樁和強度較低的水泥土樁；半剛性樁：樁身強度在1MPa和10MPa之間，變形模量在200～1000MPa之間，主要包括強度較高的水泥土樁；剛性樁：樁身強度大于10MPa，變形模量大于10000MPa，主要包括CFG樁和各種混凝土樁。由柔性樁和樁間土所組成的復合地基可稱為柔性樁復合地基，其他依次為半剛性樁復合地基和剛性樁復合地基。

二、復合地基的加固機理及作用

復合地基的加固機理有置換和擠密加固兩種。置換加固作用是通過材料性能較優的豎向增強體，置換代替部分地基土，直接分擔較多的建筑物荷載，符合地基中樁中樁的截面積Ap與其影響面積A之比成為面積置換率m，對于正方形、矩形和等邊三角形布樁的情況，單樁的影響面積A分別為l2、l1l2和/2 l2，樁間距越大，面積置換率m越小；擠密加固作用則是在豎向增強體施工過程中，對樁間地基土產生擠密效應，提高地基土的承載力和模量。對于剛性樁復合地基，如水泥粉煤灰碎石樁復合地基、噴射樁復合地基等，其加固機理主要是置換加固。對于散體材料樁（碎石樁、砂樁等）復合地基，則既有置換加固作用又有擠密效應。由于散體樁的樁體承載力特征值fPk取決于樁周地基土的強度，極端地說，如果樁周為液體材料，則fPk趨于0；如樁周為剛體材料，則fPk趨于∞；實際工程中，樁土應力比并不高，因此散體樁復合地基的加固機理往往是擠密加固效果，超過樁本身的置換加固作用。在確定散體材料樁復合地基的承載力時，如果采用公式計算，由于地基土的擠密加固效果難以估算，所得計算結果誤差往往偏大，實際工程中應盡量通過現場復合地基載荷試驗確定其承載力。不論何種復合地基，都具備以下一種或多種作用，它們是：

1、樁體作用：由于復合地基中樁體的剛度較周圍土體為大，在剛性基礎下等量變形時，地基中應力將按材料模量進行分布。因此，樁體上產生應力集中現象，大部分荷載將由樁體承擔，樁間土上應力相應減小。這樣就使得復合地基承載力較原地基有所提高，沉降量有所減小。隨著樁體剛度增加，其樁體作用發揮得更加明顯。

2、墊層作用：樁與樁間土復合形成的復合地基或稱復合層，由于其性能優于原天然地基，它可起到類似墊層的換土、均勻地基應力和增大應力擴散角等作用。在樁體沒有貫穿整個軟弱土層的地基中，墊層的作用尤其明顯。

3、加速固結作用：除碎石樁、砂樁具有良好的透水特性，可加速地基的固結外，水泥土類和混凝土類樁在某種程度上也可以加速地基固結。因為地基固結，不但與地基土的排水性能有關，而且還與地基土的變形特性有關。從固結系數的計算式可以反映出來。雖然水泥土類樁會沉降地基土的滲透系數k，但它同樣會減小地基土的壓縮系數a，而且通常后者的減小幅度要較前者為大。為此，使加固后水泥土的固結系數大于加固前原地基土的系數，同樣可起到加速固結的作用。

4、擠密作用：如砂樁、土樁、石灰樁、砂石樁等在施工過程中由于震動、擠壓、排土等原因，可使樁間土起到一定的密實作用；采用生石灰樁，由于其材料具有吸水、發熱和膨脹等作用，對樁間土同樣可起到擠密作用。

5、加筋作用：各種樁土符合地基除了可提高地基的承載力外，還可用來提高土體的抗剪強度，增加土坡的抗滑能力。目前在國內水泥土攪拌樁和旋噴樁等已被廣泛地用作基坑開挖時的支護。在國外，對碎石樁和砂樁常用于高速公路等路基或路堤的加固，這都利用了復合地基中樁體的加筋作用。

三、復合地基中樁的破壞模式

復合地基中，樁體存在四種可能的模式：刺入破壞、鼓脹破壞、整體剪切破壞和滑動破壞。對于不同的樁型，有不同的破壞模式。如碎石樁可能的破壞模式是鼓脹破壞，而CFG短樁則是刺入破壞。對于同一樁型，當其樁身強度不同時，也會有不同的破壞模式。當水泥土攪拌樁的水泥摻入量較?。╝w=5%）時，水泥土軸向應變很大（4%～9%），應力才達到峰值并產生塑性破壞，此后在較大應變范圍內緩慢下降，這就表現了樁體鼓脹破壞的特性。但當aw=15%時，水泥土在較小應變的情況下，才使應力達到峰值，隨即發生脆性破壞。然而當樁體為高水泥含量（aw=25%）時，水泥土變形及膨脹量均很小。為此，這種高強度的水泥土樁體在下臥軟弱土層中就會發生刺入破壞。對于同一樁型，當土層條件下同時，也將發生不同的破壞模式：對淺層存在有非常軟的粘土情況，碎石樁將在淺層發生剪切或鼓脹破壞；對較深層存在有局部非常軟的黏土情況，碎石樁將在較深層發生局部鼓脹；對較深層存在有較厚非常軟的黏土情況，碎石樁將在較深層發生鼓脹破壞，而其上的碎石樁將發生刺入破壞。實際上，對水泥土樁也存在類似問題，因為對相同水泥滲入量的樁體，當其處于不同土層中其樁身強度也是不同的。

綜上所述，由于復合地基的破壞模式比較復雜，一般認為取決樁體和樁間土的破壞特性，其中樁體的破壞特性是主要的。對散體土類樁復合地基，由于樁樁間土的模量和破壞時應變值等一般相差不大，往往同時進入破壞狀態；對水泥土類樁復合地基，由于水泥土的模量較大，破壞應變較小，在同等應變條件下，水泥土先進入破壞狀態，此后荷載將主要由樁間土承擔，直至樁間土進入屈服狀態，此時復合地基進入極限狀態。在地基中設置增強體只是形成復合地基的基本條件。要保證樁、樁間土自始至終共同工作承擔外荷載，形成復合地基的工作模式，就必須解決樁土之間的變形協調問題。樁土之間的變形協調就是復合地基的工作條件或者形成條件。剛性樁、半剛性樁復合地基需要再地基與基礎之間，設置褥墊層來解決變形協調問題。砂石類樁復合地基的變形協調可以自然滿足，但是為了使基礎所受地基反力趨于均勻以及施工需要，一般建議砂石類樁復合地基也設置一定厚度的墊層。

[1]葉觀寶，高彥斌．地基處理（第三版）［M］．北京：中國建筑工業出版社，2009．

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李冰（1983-），男（漢族），四川蓬安人，中國長城葡萄酒有限公司，工程師，主要從事工程管理工作。李玉潔（1986-），女（漢族），四川儀隴人，懷來縣玉潔環境衛生管理有限責任公司，助理工程師，主要從事工程管理工作。