剛性樁復(fù)合地基法綜述

江超

（廣東省南粵交通投資建設(shè)有限公司，廣州 510000）

剛性樁復(fù)合地基法綜述

江超

（廣東省南粵交通投資建設(shè)有限公司，廣州 510000）

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

剛性樁；復(fù)合地基；加固機(jī)理；沉降計(jì)算

1 引言

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

復(fù)合地基這一概念最早見于1962年，由日本學(xué)者提出，用于解決砂井地基的承載能力問題。隨著工程實(shí)踐的不斷應(yīng)用，復(fù)合地基獲得了快速發(fā)展。Butterfield、Banergee[3]和Hooper[4]通過研究得出復(fù)合地基的樁間土可承擔(dān)部分荷載，分擔(dān)載荷約為40%。20世紀(jì)70年代，我國(guó)開始了樁土共同作用的研究。山西省建筑設(shè)計(jì)研究院通過復(fù)合地基試驗(yàn)研究，得出了承臺(tái)和樁體組成的聯(lián)合較單樁基礎(chǔ)承載力提高40%的結(jié)論[5]，20世紀(jì)90年代初，中國(guó)建筑科學(xué)研究院地基所和浙江建筑科學(xué)所，分別研發(fā)了水泥粉煤灰碎石樁（CFG樁）和低強(qiáng)度水泥砂石樁復(fù)合地基；1996年，浙江大學(xué)巖土工程研究所發(fā)展了二灰混凝土樁復(fù)合地基。1997年楊敏、艾智勇[6]采用M indlin公式，對(duì)樁土共同作用進(jìn)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(fù)合地基沉降計(jì)算公式；2002年，池躍君、宋二祥[8]通過單樁復(fù)合地基現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，推導(dǎo)出了帶墊層樁體復(fù)合地基沉降計(jì)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(fù)合土體和剛形樁荷載-沉降曲線計(jì)算基礎(chǔ)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(fù)合地基沉降計(jì)算方法；2010年，楊德健、王鐵成[11]基于ANSYS分析了剛形樁復(fù)合地基墊層、樁間土模量以及樁間距對(duì)沉降變形的影響；2013年，佟建興、孫訓(xùn)海等[12]通過室內(nèi)模型試驗(yàn)得到了長(zhǎng)短剛性樁復(fù)合地基在等厚徑比條件下,長(zhǎng)樁、短樁、樁間土的承載力發(fā)揮系數(shù),得出宜采用降低長(zhǎng)樁厚徑比、提高短樁厚徑比的設(shè)計(jì)方法來提高承載力。2014年，周同和、王非等[13]通過現(xiàn)場(chǎng)載荷試驗(yàn),研究了剛性長(zhǎng)短樁復(fù)合地基樁土應(yīng)力、荷載分擔(dān)及其發(fā)展變化的工作性狀。

2 剛性樁復(fù)合地基的承載機(jī)理

2.1 剛性樁復(fù)合地基的加固機(jī)理

剛性樁復(fù)合地基主要通過樁體的置換作用、樁對(duì)土體的擠密作用以及褥墊層的調(diào)節(jié)作用來實(shí)現(xiàn)對(duì)天然土體的加固。

2.1.1 置換作用

剛性樁復(fù)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(fù)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(duì)剛性樁而言，置換率越高，復(fù)合地基整體的承載力也越高，但同時(shí)造價(jià)也越高。工程中應(yīng)考慮取最優(yōu)的置換率以獲得加固效果與經(jīng)濟(jì)性的平衡。

2.1.2 樁對(duì)土的擠密作用

復(fù)合地基的樁體除了傳遞豎向荷載外，還會(huì)對(duì)周邊土體產(chǎn)生橫向擠密作用。松散的土體小顆粒由于樁的橫向作用會(huì)擠入臨近的大顆粒中，提高了土體的密實(shí)度，從而使得地基土的強(qiáng)度、模量也隨之提高[15]。

2.1.3 褥墊層的應(yīng)力調(diào)整作用

剛性樁復(fù)合地基通常會(huì)在基礎(chǔ)與樁、樁間土之間設(shè)置一定厚度的褥墊層。研究表明：褥墊層具有減小基礎(chǔ)底面的集中應(yīng)力，調(diào)整樁土荷載分擔(dān)比，保證樁土共同作用的功能。[16]在豎向荷載下，樁頂會(huì)逐漸刺入褥墊層中，墊層材料在變形的同時(shí)會(huì)向周邊土體流動(dòng)，補(bǔ)償?shù)綐堕g土中。這種流動(dòng)可消散樁頂?shù)牟糠謶?yīng)力[17]，同時(shí)使得樁間土始終與基礎(chǔ)保持貼合，解決了樁土的變形協(xié)調(diào)，實(shí)現(xiàn)了樁土的共同作用。

2.2 剛性復(fù)合地基的荷載傳遞機(jī)理

2.2.1 褥墊層的應(yīng)力調(diào)節(jié)作用

褥墊層為在基礎(chǔ)與樁、樁間土之間設(shè)置的具有一定厚度的碎石材料(見圖1)。由于樁的模量遠(yuǎn)大于樁間土模量，承載上層壓力時(shí)，樁間土沉降變形大于樁體變形，樁頂會(huì)逐漸刺入褥墊層。褥墊層在變形的同時(shí)會(huì)向周邊流動(dòng)，補(bǔ)償?shù)綐堕g土中。由于褥墊層的這種作用，基礎(chǔ)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(fù)合地基承載力大小與褥墊層厚度存在重要關(guān)聯(lián)。當(dāng)設(shè)置厚度偏小時(shí)，樁頂容易出現(xiàn)較大應(yīng)力集中，未充分發(fā)揮樁間土的承載力，基礎(chǔ)易發(fā)生沖切破壞；當(dāng)厚度偏大時(shí)，樁的置換作用會(huì)顯著降低，樁與樁間土應(yīng)力比相近，無法有效控制沉降。大量的工程實(shí)踐總結(jié)，采用厚度為10～30cm，以中、粗砂為材料的褥墊層，復(fù)合地基的加固效果最佳。

圖1 剛性樁復(fù)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(fù)合地基樁頂、樁間土、基礎(chǔ)的沉降均不相同[20]。如圖2所示。

圖2 樁、土及基礎(chǔ)p-s曲線

當(dāng)深度ZZ0時(shí)，樁體變形要快于土體變形，此時(shí)土體對(duì)樁產(chǎn)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(diǎn)。中性點(diǎn)以上，由于負(fù)摩阻力的作用，樁的軸向應(yīng)力隨深度增加而增大；中性點(diǎn)以下，由于正摩阻力的作用，樁的軸向應(yīng)力隨深度增加而減小，如圖4所示。樁的最大軸向應(yīng)力在中性點(diǎn)處。

在豎向荷載作用下，樁頂會(huì)逐漸刺入褥墊層，褥墊層對(duì)樁產(chǎn)生負(fù)摩阻力。由于褥墊層在變形的同時(shí)會(huì)向周邊土體流動(dòng)，使得樁間土能始終與基礎(chǔ)保持接觸，能承擔(dān)部分荷載，而樁頂負(fù)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(dān)的荷載會(huì)有一個(gè)逐漸向樁間土轉(zhuǎn)移的過程，使得樁間土始終分擔(dān)荷載，從而保證樁土共同承擔(dān)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(fù)合地基的破壞模式

剛性樁復(fù)合地基的破壞可分成：樁間土首先破壞或樁體首先破壞,進(jìn)而發(fā)生復(fù)合地基的全面破壞，實(shí)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(shí)破壞極其罕見。

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

圖5 剛性樁復(fù)合地基的破壞方式

3 剛性樁復(fù)合地基承載力計(jì)算方法

設(shè)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(fù)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(shí)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(shí)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(fù)合地基破壞時(shí)樁體發(fā)揮其極限強(qiáng)度的比例；λ2為復(fù)合地基破壞時(shí)樁間土發(fā)揮其極限強(qiáng)度的比例。

設(shè)計(jì)時(shí)需預(yù)留一定的安全系數(shù)K，則容許承載力計(jì)算式為：

4 剛性樁復(fù)合地基的沉降計(jì)算方法

剛性樁復(fù)合地基由增強(qiáng)體和下臥層天然土體組成，計(jì)算沉降時(shí)可將總沉降s視為兩部分沉降之和，為:

式中,s1為增強(qiáng)體沉降量；s2為下臥層沉降量。對(duì)于褥墊層的變形，由于其設(shè)置厚度相對(duì)較小，計(jì)算中通?？珊雎圆挥?jì)。

4.1 增強(qiáng)體沉降s1的計(jì)算方法

4.1.1 復(fù)合模量法

復(fù)合模量法的計(jì)算原理為將樁與樁間土簡(jiǎn)單視為一整體，采用復(fù)合模量Ecs來計(jì)算此部分復(fù)合地基的沉降，再結(jié)合分層總和法便可計(jì)算：

在數(shù)值計(jì)算過程中，共監(jiān)測(cè)11個(gè)軸中心位置處的湍動(dòng)能，試驗(yàn)段軸中心線位置的湍流強(qiáng)度分布見圖11。湍流強(qiáng)度定義為

式中，Vpi為第i層土上附加應(yīng)力增量;Hi為第i層土的計(jì)算厚度；Ecsi為第i層土復(fù)合模量，可通過面積加權(quán)平均計(jì)算或室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)定。

4.1.2 樁身壓縮量法

樁身壓縮量法的計(jì)算原理為:通過計(jì)算樁身壓縮量來獲得復(fù)合地基增強(qiáng)體沉降量。設(shè)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(shí)際操作中，對(duì)于樁端刺入量和樁端承載力的計(jì)算存在較大困難。

4.1.3 應(yīng)力修正法

應(yīng)力修正法的計(jì)算思路為:通過樁土應(yīng)力比計(jì)算應(yīng)力修正系數(shù)來獲得增強(qiáng)體沉降量。設(shè)m為復(fù)合地基置換率；n為荷載分擔(dān)比；μs為應(yīng)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(fù)合地基第i層土上附加應(yīng)力增量；Vpi為天然地基第 層土上附加應(yīng)力增量，則：

實(shí)際計(jì)算中，對(duì)于準(zhǔn)確確定樁間土荷載分擔(dān)比存在較大困難，影響因素較多。

4.2 下臥層沉降s2的計(jì)算方法

下臥土層沉降采用分層總和法計(jì)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(yīng)力，p2i為i第層土附加應(yīng)力。

此方法的難點(diǎn)在于確定下臥層承載的荷載，常用方法如下。

4.2.1 等效實(shí)體法

假設(shè)增強(qiáng)體為一等效實(shí)體，荷載并未向周邊擴(kuò)散，作用在下臥層的荷載面積與作用在增強(qiáng)體上的相同。同時(shí)，在等效實(shí)體四周作用有側(cè)摩阻力f，則下臥層承擔(dān)荷載為：

式中,B、D為作用面寬度和長(zhǎng)度，p為上部荷載，h為增強(qiáng)土體厚度。

該方法難點(diǎn)在于f值的合理選用，特別是樁土相對(duì)剛度較小時(shí)，合理估計(jì)f值存在較大困難，計(jì)算會(huì)存在較大誤差。4.2.2壓力擴(kuò)散法(見圖6)

設(shè)上部荷載為p，β為壓力擴(kuò)散角，則下臥層承擔(dān)荷載為：

圖6 壓力擴(kuò)散法示意圖

4.3 基于切線模量法的沉降計(jì)算法

假設(shè)樁、土為互不影響的兩獨(dú)立受力體系。計(jì)算樁體單樁沉降時(shí)，結(jié)合荷載傳遞法，樁端采用切線模量法計(jì)算其荷載p與沉降s的關(guān)系曲線，如圖7中曲線sp所示；計(jì)算土體的沉降時(shí)，則根據(jù)原狀土切線模量法計(jì)算其p-s曲線，如曲線ss。

根據(jù)曲線sp和ss，可通過共同作用求出剛性樁復(fù)合地基的載荷沉降曲線ssp。對(duì)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(duì)于有n根樁的復(fù)合地基對(duì)應(yīng)于沉降值si時(shí)的荷載為pisp：

圖7 荷載-沉降p-s曲線

對(duì)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(duì)應(yīng)n根樁復(fù)合地基的荷載值，由此可求得剛性樁復(fù)合地基的p-s曲線，如圖7中Ssp曲線所示。根據(jù)剛性樁復(fù)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(jié)語(yǔ)

大量的工程實(shí)踐表明，在地基土存在一定有效承載力的前提下，剛性樁復(fù)合地基比樁基礎(chǔ)、筏板基礎(chǔ)等具有更好的加固效果和經(jīng)濟(jì)性。現(xiàn)階段，如何有效計(jì)算剛性樁復(fù)合地基的承載力、最終沉降等是工程應(yīng)用中的重點(diǎn)問題，強(qiáng)化對(duì)復(fù)合地基工作機(jī)理的研究，尋求簡(jiǎn)便并符合工程精度要求的計(jì)算方法將是今后的發(fā)展重點(diǎn)。

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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(shè)管理研究，（電子信箱）kennyjc@live.cn。