復合地基新技術及應用研究

秦鵬飛

（鄭州工業應用技術學院建筑工程學院，鄭州 450010）

0 引言

復合地基是指由天然地基基體和增強體兩部分組成的人工地基，增強體多采用混凝土灌注樁或預制樁。復合地基工作體系中，樁和樁間土共同承擔荷載，能夠發揮較好的工作性狀。目前復合地基技術在我國土木工程建設中已經得到廣泛應用，取得了明顯的經濟效益和社會效益[1-4]。隨著復合地基技術的發展和復合地基計算理論的進步，PTC、PHC、PCC管樁復合地基技術、X型樁復合地基技術、擠擴支盤樁復合地基技術在工程中相繼涌現。復合地基技術呈現百花齊放百家爭鳴的盛況，本文旨在對復合地基技術的最新進展和研究成果進行分析述評，期望著能為工程技術人員和科研人員提供有益啟示和新見解，為復合地基技術的進一步發展完善做貢獻。

1 管樁復合地基

按照增強體材料設置的不同，可將工程中常用的復合地基技術分為兩類：柔性樁復合地基和剛性樁復合地基。柔性樁復合地基技術工程造價較低，施工簡便，但是樁身剛度和強度較差，很難抵抗水平荷載作用，且工后沉降往往達不到工程要求。剛性樁承載性狀高、加固深度大，但是投資成本高，施工周期長。管樁復合地基技術是一種優缺點互補的創新技術，它是在全面吸收柔性樁和剛性樁復合地基技術的優點，并充分克服其缺點的基礎上研制開發的技術。圖1(a)為管樁承載示意圖，從圖中可以看出大直徑空心管樁比同體積混凝土用量的實心圓形樁具有更大的側表面積，因此具有更高的樁側摩阻力，從而可顯著提高復合地基的承載力，并有效減小地基沉降量。

圖1 復合地基新樁型

劉漢龍[5]基于鹽通高速公路復合地基靜載試驗，結合ADINA有限元程序系統分析了現澆混凝土薄壁管樁(PCC樁)復合地基的承載性狀。研究顯示褥墊層厚度和彈性模量、樁長及樁體剛度、荷載大小和基礎厚度及剛度等因素對PCC管樁復合地基承載性能的發揮均有影響，管樁地基工程表現符合剛性樁復合地基的特征。褥墊層的塑性流動可調節樁土應力比的分布，充分發揮樁間土的承載性能，但褥墊層存在合理厚度，最佳厚度宜設置為20～40cm；樁長增加則樁土應力比隨之增加，采用20m的長樁可保證樁土應力比達到30，而樁土應力比對樁體剛度變化不敏感；基礎類型和剛度也在很大程度上影響著PCC樁復合地基承載性狀的發揮，基礎剛度越大則樁體承擔的荷載越大，因此建議剛性基礎下PCC樁復合地基設計和施工采取針對性措施。

張波[6]認為在管樁復合地基設計和理論計算中，復合地基總沉降和樁土應力比是復合地基承載性狀正常發揮的決定因素。他通過對PCC樁-土-墊層復合地基工作體系進行分析，并充分考慮墊層的流動補償作用和PCC樁與樁間土的變形和位移協調，推導出PCC樁復合地基壓縮層復合模量和復合地基總沉降量的計算方法：

閆澍旺[7]結合天津地區軟土地基PTC管樁的工程實踐，采用ABAQUS有限元數值軟件分析了管樁地基附加應力的傳遞擴散規律。研究表明管樁復合地基由于樁土共同分擔荷載，傳遞至下臥層上的附加應力較小，應力擴散角較群樁基礎和剛性基礎大，其值約為8.1°～26.9°；研究還表明土質類型、樁體長度和荷載大小對附加應力及應力擴散角有較顯著的影響，附加應力擴散角隨內摩擦角和樁長的增加而增大，隨外荷載的增加而減小。

2 X型樁復合地基

現澆X形混凝土樁（簡稱X形樁）技術是通過對樁基橫截面進行改良創新而研制開發的新技術，樁截面形式請見圖1（b）所示。與圓形樁、方形樁等傳統灌注樁相比，X形樁由于“異形效應”而具有更大的側表面積，單位體積混凝土材料的樁側摩阻力更高。工程實踐表明，現澆X型樁施工便捷，經濟效益高，已在公路路基工程、市政工程等諸多工程領域得到較好推廣應用。

丁選明[8]結合南京某長江漫灘軟弱地基項目，開展了X形樁單樁極限承載力和復合地基現場靜載荷試驗。試驗結果表明X型樁復合地基工作性能良好，X型樁單樁極限承載力達到860kN，較同體積混凝土用量的圓形樁高19.4%；樁土應力比及荷載分擔規律與圓形樁基本相似，樁-土具有較好的協同作用；樁身軸力沿深度方向先增加后減小，在1.3 m深度處達到最大值；試驗發現X形混凝土樁樁側表面存在負摩阻力，負摩阻力作用深度約為1.5m，且樁側摩阻力大小與豎向荷載相關，正摩阻力最大值約為同等級負摩阻力最大值的1.4倍。

劉漢龍[9]應用大型有限元軟件ABAQUS建立了現澆X型樁復合地基的數值模型，分析了褥墊層厚度、樁體剛度和樁長、土質參數及布樁方式等因素對樁側摩阻力的影響。結果表明隨著褥墊層厚度的增加，X型樁樁土差異沉降減小，負摩阻力作用區則逐漸減小，中性點上移；樁體剛度增加時樁土作用不明顯，中性點略微下移。數值計算同時發現樁長增加會改變正摩阻力的分布，正摩阻力有所增加；而土的抗剪強度參數提高則利于負摩阻力作用的產生和發展，不利于正摩阻力的作用；布樁方式對樁體摩阻力的發揮也有較大影響，梅花形布樁方式下的復合地基樁間距較小，摩阻力比方形布樁方式高。

王智強[10]通過模型樁制作、測試、分析計算發現X形樁的樁周側表面積比同體積混凝土用量的圓形樁側表面積高31%，由于異形效應其樁側摩阻力和承載力比圓形樁提高24%；靜載試驗表明荷載較小時樁側阻力未得到充分發揮，隨著荷載的增加，樁土產生相對位移激發了樁間土的承載潛能，樁側摩阻力迅速上升，X形樁的側摩阻力占比高達70%以上，是典型的摩擦型樁；同級荷載作用下X型樁樁側摩阻所占的比例一直高于圓形樁，且樁側摩阻在試樁破壞前仍有潛力可以發揮。

3 擠擴支盤樁

擠擴支盤樁是由豎直樁體和擠擴支盤共同組成的一種特殊樁體。擠擴支盤樁的成樁工藝是利用擠擴設備在樁體不同深度處擠壓土體，擴大樁體外徑，從而形成不同樁段和各承力盤相連接組合的新型樁體，見圖2所示。擠擴支盤樁由于支盤的存在加大了樁的支承面積，充分發揮了樁土共同的作用，提高了樁的側阻力和端阻力。擠擴支盤樁較傳統樁體相比承載力有大幅提高，復合地基沉降量能得到有效控制，在工程應用中已經取得了顯著的經濟技術效益。

錢德玲[11]對廣州某擠擴支盤樁復合地基進行現場原位測試，發現擠擴支盤樁試樁p-s曲線為緩變形，且單樁極限承載力標準值高達8 500kN，樁側摩阻力和承力盤阻力在承載性狀的發揮中起主要作用；加荷初期荷載幾乎全部由樁側摩阻力承擔，其后上下盤端阻力先后發揮作用，加載至6000kN后下盤端阻力超過上盤，上下盤承擔總荷載的53%；荷載分層卸載后傳至樁端的荷載很小，保證了樁端土的穩定性。同時支盤上、下的土體在支盤機的擠擴作用下被壓密，土體的物理力學性質高于原狀土。在承受上拔力時，擠擴支盤樁比直桿樁多了支盤的抗拔阻力和支盤上土體的有效自重，使得支盤樁具有明顯增高的抗拔力。

圖2 擠擴支盤樁結構

王伊麗[12]通過建立數值模型研究了擠擴支盤樁的豎向承載特性，結果發現樁側土、支盤及樁端分別承擔荷載的39.69%、52.77%和7.54%，表明擠擴支盤樁具有摩擦性和端承性雙重屬性，屬于多支點的摩擦端承樁；由于支盤分擔了大部分荷載，樁身軸力在支盤上下界面處明顯降低，擠擴支盤樁復合地基的承載力顯著提升；終載條件下擠擴支盤樁沉降量僅為15.55mm，遠小于同模型的直桿樁，大幅度降低了地基沉降；數值計算發現樁側摩阻力沿深度方向逐漸減小，淺部樁體承擔主要荷載，且支盤的深度不同其所分擔荷的比例顯著不同，淺部支盤在樁身荷載傳遞中發揮著關鍵作用。其后通過有限元優化設計，提出支盤最佳間距為2.5～3倍支盤直徑。

4 結語

復合地基技術已取得了長足進步，在土木工程建設中發揮了越來越重要的作用。復合地基技術中仍有一些基礎性關鍵科學問題，需要重視并加強研究才能推動該技術的可持續發展。如成層地基中復合地基的荷載傳遞機理、各種類型長短樁復合地基荷載傳遞機理、墊層和基礎剛度對復合地基荷載傳遞的影響以及地基土體固結和蠕變對復合地基的荷載傳遞的影響等，這樣才能推動該技術的進一步完善。