1前言

 

　　由于刚性桩复合地基既能发挥桩间土的承载力又能使桩的端阻得到更大发挥，大大减少沉降，因此，刚性桩复合地基在房屋建筑工程得到了广泛的应用。同时，也呈现出理论落后于实践的现状。为此许多研究学者对刚性桩复合地基进行了大量的研究，以便能更好的满足实际工程的要求。文献[1，2，3，4]都对刚性桩复合地基的工作性状进行了分析，为上述问题的解决提供了思路和方法。

 

　　至今对于刚性桩复合地基承载力以及沉降计算的研究并不完善，特别是针对软土刚性桩复合地基的承载力和沉降的计算并不能满足实际工程实践的需要。本文通过分析现有的刚性桩复合地基承载力和沉降计算的方法，提出适合软土刚性桩复合地基的承载力计算方法，以及对原有沉降计算中的系数进行修正。

 

　　2承载力计算方法的分析和讨论

 

　　刚性桩复合地基的承载力计算理论也在发展中。如同其他的桩体复合地基一样，刚性桩复合地基承载力计算思路也是先分别确定桩体的承载力和桩间土的承载力，再根据一定的原则叠加这二部分承载力得到复合地基的承载力。

 

　　龚晓南[5]提出桩体复合地基的极限承载力pcf普遍表达式可用下式表示：

 

　　（2-1）

 

　　式中ppf——单桩极限承载力（kPa）；

 

　　psf——天然地基极限承载力（kPa）；

 

　　K1——反映复合地基中桩体实际极限承载力与单桩极限承载力不同的修正系数，一般大于1.0；

 

　　K2——反映复合地基中桩间土实际极限承载力与天然地基极限承载力不同的修正系数；其值视具体工程情况确定，可能大于1.0，也可能小于1.0；

 

　　——复合地基破坏时，桩体发挥其极限强度的比例，可称为桩体极限承载力发挥系数；

 

　　——复合地基破坏时，桩间土发挥其极限强度的比例，可称为桩间土极限承载力发挥系数；

 

　　m——复合地基置换率。

 

　　若能有效的确定复合地基中桩体和桩间土的实际极限承载力，而且破坏模式是桩体先破坏引起复合地基的全面破坏，《建筑地基处理技术规范》建议在初步设计阶段可以按下式计算承载力：

 

　　（2-2）

 

　　式中fspk——复合地基承载力特征值（kPa）；

 

　　m——面积置换率；

 

　　Ra——单桩竖向承载力特征值（kN）；

 

　　Ap——桩的截面积（m2）；

 

　　——桩间土承载力折减系数，宜按地区经验取值；

 

　　fsk——处理后桩间土承载力特征值（kPa），宜按当地经验取值，如无经验时，可取天然地基承载力特征值。

 

　　就刚性桩复合地基而言，其破坏机理的研究对于承载力计算有着至关重要的作用。桩体与桩间土的荷载是通过复合地基的褥垫层来调整和传递的，因此需要分析褥垫层的作用。褥垫层能传递给桩体的极限承载力Rcu和单桩极限承载力Ru之间的关系（郑刚[6]）如下：

 

　　桩顶Rcu>Ru，则加荷后期直至达到极限时，桩主要向下刺入。

 

　　桩顶Rcu＝Ru，则加荷后期直至达到极限时，桩同时向上和向下刺入。

 

　　桩顶Rcu<Ru，则加荷后期直至达到极限时，桩主要向上刺入。

 

　　现有的文献和工程实践一般都认为刚性桩复合地基是桩体先达到极限强度，引起复合地基的破坏，即认为在式（2-1）中桩体极限强度的发挥比例＝1.0，而桩间土极限强度的发挥比例<1.0。式（2-2）也假定桩体先破坏引起复合地基的全面破坏。这些承载力计算公式都是针对桩顶Rcu>Ru和桩顶Rcu＝Ru两种情况。

 

　　但是在软土地基中，为了获得较高的承载力水平，又由于桩身强度较高能将荷载往深层传递，刚性桩复合地基中的刚性桩往往会穿过土质较差的那层软土，桩端进入承载力相对较好的土层作为持力层，因而桩体的极限承载力一般很高。同时桩间软土的承载力很低，一般在100kPa以下，有些甚至在50kPa以内。因此当褥垫层能较好的工作，将上部荷载传递到土和桩顶时，桩间土就很容易达到极限承载力，而此时桩体还没有达到其极限承载力，属于桩顶Rcu<Ru的情形。此时，桩间土就会首先破坏，从而引起复合地基的破坏。

 

　　所以针对软土场地中刚性桩复合地基的承载力计算，应该考虑到桩间土先达到极限承载力的情况，刚性桩复合地基承载力可用下面的公式进行计算：

 

　　（2-3）

 

　　式中fspk——复合地基承载力特征值，kPa；

 

　　fsk——桩间土承载力特征值，kPa；

 

　　——桩体竖向承载力特征值，kN；

 

　　Ap——桩体横截面积，m2；

 

　　——桩体承载力发挥度；

 

　　——桩间土强度提高系数。

 

　　刚性桩复合地基中的桩体一般为素混凝土桩或CFG桩等，多采用振动沉管灌注成桩和钻孔灌注成桩等施工工艺，其中振动沉管灌注成桩属于完全挤土工艺，对可挤密的土，可取大于1.0的提高系数。钻孔灌注成桩工艺属于不挤土工艺，因此桩间土强度提高幅度有限，一般可作为安全储备，通常取1.0。

 

　　由于复合地基承受的荷载达到其承载力标准值时，桩体承载力和地基土承载力并非同时达到特征值。根据上述的分析，在软土中桩间土易先达到承载力标准值，而桩体尚未达到标准值，于是就出现了式（2-3）中的桩体承载力发挥度。而的取值显然和是否有褥垫层、褥垫层的厚度、桩土模量比、土质情况、成桩工艺等很多因素有关，还与建筑物对复合地基的沉降变形要求有关。

 

　　根据东部沿海软土地区某个房屋建筑工程的刚性桩复合地基静载荷试验，结合式（2-3），可确定桩体的强度发挥度的取值。

 

　　桩间土承载力特征值fsk＝55kPa，单桩承载力特征值取800kN，单桩的横截面积Ap＝0.14m2。四组复合地基承载力特征值分别为278kPa、223kPa、308kPa、307kPa。式（2-3）可化为下式：

 

　　（2-4）

 

　　由式（2-4）可根据复合地基静载试验结果反算出，结果列于表2-1。

 

　　表2-1由复合地基静载荷试验反算

 

　　第一组 第二组 第三组 第四组

 

　　复合地基承载力特征值（kPa） 278 223 308 307

 

　　桩体承载力发挥度

 

　　0.532 0.403 0.602 0.6

 

　　由表2-1可见，适宜的取值在0.4～0.6之间。根据软土的土质情况，结合工程实践，对刚性桩复合地基的桩体承载力发挥度应该有个合理的选取，这对复合地基的实际承载力水平和沉降控制都有重要的意义。一般情况下，对刚性桩复合地基的变形要求较高，或者土体强度很低时应该取较小值，以确保复合地基能达到设计要求。

 

　　显然，对于实际工程而言，桩体的承载力发挥度越大越好，这就要求复合地基的褥垫层有合适的变形模量和厚度，在充分发挥桩间土承载力的基础上，以能使得Rcu接近Ru，尽量发挥桩体的承载力。郑刚[6]认为在软土场地，较厚褥垫层不利于桩的承载力发挥，因为褥垫层较厚，桩土应力比相对小，土分担了较大的荷载，很快就超过了其承载力特征值，并且使得复合地基的沉降增大。可见，发挥桩体的承载力必须要经济合理的设计褥垫层。

 

　　3沉降计算方法的分析和讨论

 

　　现有的刚性桩复合地基沉降计算方法包括复合模量法、应力修正法、等效实体法、Geddes解法等几种。《建筑地基处理技术规范》规定刚性桩复合地基沉降计算应按现行国家标准《建筑地基基础设计规范》中的有关规定执行，可采用分层总和法进行沉降计算。复合地基的分层与天然地基相同，各复合地基的压缩模量等于该天然地基压缩模量的倍，等于加固后复合地基承载力fspk与天然地基承载力fsk的比值。该沉降计算方法（以下简称规范法）是目前大多数工程采用的方法。规范法在理论上还需要进一步的完善，应用时要注意以下三个方面：

 

　　（1）规范方法采用天然地基Boussinesq解来计算应力场，这种计算方法在复合地基面积较小，桩数较少的情况下与实际应力场的差别不是很大（李春灵[7]）。当基础面积较大时，从实际应力场分布形式和天然地基的解答对比看出，此时刚性桩复合地基的应力场分布与天然地基差别很大（池跃君[8]）。因此在这种情况下采用天然地基Boussinesq解来计算刚性桩复合地基的沉降会带来较大误差。

 

　　（2）刚性桩复合地基的承载力与变形是相关的，设计时是在复合地基实际发生的沉降以及相应的承载力均未知的情况下，无法按加固后复合地基承载力fspk与天然地基承载力fsk的比值来确定的值。只能采用式（2-2）得到的承载力值来代替复合地基实际的承载力计算，其误差必然存在，而且如前文所述，承载力计算公式本身并不能完全反映工程实际。以上这种计算方法存在如下问题：复合地基加固区土体模量实际的增大系数不等于fspk与fsk的比值，按加固后复合地基承载力fspk与天然地基承载力fsk的比值确定的反映的是整个受力范围内土体的贡献，包括加固区土层和下卧层土体，但是却仅对加固区处理显然欠妥。例如，若加固区土质及桩的设计参数不变，则不变。此时若下卧层模量增大（或减少），那么复合地基沉降减少（或增大），相应的承载力增大（或减小），这样必然导致增大（或减少），这与不变相矛盾，因此不能仅用于加固区。从以上分析可见，这种沉降算法在理论上还需改进。但该法与《建筑地基基础设计规范》的分层总和法接轨，很多参数容易确定，设计者应用起来非常方便，因此得以广泛应用。但在应用时因注意其适用范围，并针对具体情况加以修正。

 

　　（3）规范建议的沉降计算方法主要是基于基础小面积、桩数少的情况和应力区、压缩区集中在加固区的情况下得到的。因此该法中应力与模量的修正也主要注重对加固区土层的修正。当面积较大，桩数较多的时候，土层压缩和主要应力区会向下卧层集中，此时用规范方法计算沉降会有较大误差。

 

　　针对软土场地，无法表现桩端土的强度以及加固区中软土位置的不同所导致的结果。因为软土场地中，刚性桩复合地基的桩体端承力大小对整个复合地基沉降控制的贡献非常重要，当桩端土的强度较低时，桩体所能获得的端承力则较小，复合地基的沉降必然较大；而桩端土强度较高时，桩体所能获得的端承力较大，则复合地基沉降较小。另外，当土质较差的软土位于加固区的上部时，其附加应力相对较大，软土产生很大压缩，则复合地基的沉降较大；相反，当土质较差的软土位于加固区的下部时，复合地基的沉降较小。

 

　　因此考虑到土性的差别和软土在加固区位置的不同，刚性桩复合地基沉降的规范法计算中应该对软土层复合模量提高系数进行修正。可令，式中ki为第i层土层模量的修正系数，ki可大于1或小于1，与第i层土性及第i层软土在加固区沿深度方向所处的位置有关。当第i层土为软土，桩端土的强度不太高，且第i层软土处于加固区的上部时，ki取低值；否则当第i层土的土质较好，桩端土强度较高或第i层软土处于加固区的下部时，ki取高值。

 

　　4结论

 

　　本文通过对现有刚性桩复合地基承载力计算方法的分析和讨论，针对软土场地提出了一种承载力计算方法，分析了参数的选取，对取值范围提出了建议。对现有沉降计算方法的分析表明刚性桩复合地基沉降计算方法需要进一步的完善。该法对于软土刚性桩复合地基应该特别对加固区内软土层的复合模量提高系数进行修正，以接近实际情况。

 

　　参考文献

 

　　[1]阎明礼，杨军，吴春林等.水泥粉煤灰桩复合地基试验研究[J].岩土工程学报，1996，18（2）：55～62.

 

　　[2]王长科，郭新海.基础－垫层－复合地基共同作用原理[J].土木工程学报，1996，29（5）：30～35.

 

　　[3]娄国允.桩式复合地基承载特性的研究[J].岩土力学，1998，19（1）：70～74.

 

　　[4]傅景辉，宋二祥.刚性桩复合地基工作性状分析[J].岩土力学，2000，21（4）：335～339.

 

　　[5]龚晓南.复合地基理论及工程应用.北京：中国建筑工业出版社，2002

 

　　[6]郑刚，顾晓鲁.承台（基础）-桩-土广义相互作用理论及承载力问题.“上部结构-桩-土相互作用研究及其设计方法”高级研讨会论文集，第三专题.

 

　　[7]李春灵.边载作用下CFG桩复合地基性状研究[硕士学位论文].北京：中国建筑科学研究院，1999.

 

　　[8]池跃君，沈伟，宋二祥.桩体复合地基桩、土相互作用的解析法.岩土力学，2002，23（5）：546-550.

 

　　[9]中华人民共和国行业标准.建筑地基处理技术规范（J220-2002），2002.