剛性樁復合地基若干問題的思考

剛性樁復合地基若干問題的思考

楊光華

（廣東省水利水電科學研究院，廣東省巖土工程技術研究中心）

一、前言

剛性樁復合地基以能充分利用天然地基的承載力、沉降小、承載力可靠等優點而得到廣泛的應用。但是在實際工程中，也遇到了一些復雜而目前規范還沒有解決好的問題。這里對工程中遇到的幾個問題做一些探討，提出解決的方法，以供參考。

剛性樁復合地基設計主要解決的是兩個問題：復合地基承載力和沉降。

剛性樁復合地基的承載力計算公式為：

         （1）

m—為置換率

 —為單樁承載力特征值

A—為單樁截面積

—為樁間土承載力發揮系數，一般

 —為樁間土承載力特征值

剛性樁復合地基的沉降計算目前主要有兩套方法：

一是等效模量法：

 （2）

 （3）

即對各層土的壓縮模量乘以一個放大系數，作為復合區各土層的壓縮模量，然后采用傳統的分層總和法計算其沉降，再用經驗系數0.15~1.0乘以計算值進行修正。這是應用較廣的國家建筑地基處理規范的方法。

另一種方法是計算樁的沉降，作為加固區的沉降，加上樁底以下土層的沉降。但該法關鍵是如何計算樁的沉降。這一類方法有廣東省建筑地基處理規范、國家復合地基規范等，其中國家復合地基規范用樁身壓縮模量乘以經驗系數作為加固區的沉降，但很難給出合理的經驗系數值，因為其包含了樁頂和樁底的刺入變形，倒不如廣東規范更易操作。

二、若干問題的思考

剛性樁復合地基設計的核心就在于承載力的確定和沉降計算?，F有規范方法一般是對均勻地基的，實際工程中的地基則多數是由多層土組成的，實踐中發現規范方法對于多層土地基情況還需要進一步的研究。

1.分層地基時，樁間土承載力取哪一層土的承載力？

如圖1所示?；A底部有較薄的軟土層，復合地基承載力計算時，公式（1）的樁間土承載力取軟土層的承載力似乎也說的過去，雖然可能是偏保守，但結果是偏安全的。但若像圖2那樣，在深部有一個軟弱夾層時，樁間土的承載力是否也取最軟的軟弱夾層的承載力呢？如果這樣，似乎是太偏保守了。但是若取基礎底硬土層的承載力，似乎又是偏不安全的。

2.復合地基承載力低于天然地基承載力？

由于復合地基承載力計算時對埋深作用沒有天然地基考慮得多，對于一些較硬地基，可能存在按復合地基計算得到的承載力會低于原天然地基承載力的情況。

例如：一個6m寬，基礎埋深5m，如圖3所示。地基參數按，計算，土重度按計算，按天然地基計算其修正承載力特征值為：

            （4）

其特征值按3米寬基礎、0.5米埋深情況計算確定為：

          （5）

若采用A500@2000的螺旋樁作為剛性樁，設單樁的承載力特征值為500kN，按國家地基處理規范，剛性樁復合地基對樁間土承載力計算時考慮深度修正系數為1.0，則復合地基承載力為（取=1.0）：

  （6）

其值小于式（4）得到的天然地基承載力，似乎不合理。當然也可能原天然地基承載力特征值這種方法取值偏小，但即使原天然地基承載力特征值取到，已經是很高了，按照復合地基方法計算其承載力：

 （7）

也還是小于天然地基的修正承載力，這應該還是值得思考的問題。

3.端承為主時等效模量法計算沉降偏大

遇到一些軟土水閘地基處理采用剛性樁復合地基時，沉降計算偏大的問題。如圖4所示，假設淤泥質土承載力特征值，壓縮模量，厚20m，水閘地基要求復合地基承載力160kPa，剛性樁穿透軟土層進入下臥硬土層，則等效模量提高系數為，等效模量，沉降修正系數，水閘底板寬按24m計算，近似按壓縮計算，應力分布系數取，則復合地基沉降

              （8）

圖4 端承效應對沉降計算的影響

一般水閘規范限定最大沉降量為15cm，則顯然沉降超限。但實際是否會有這樣大的沉降呢？實際上沉降不會超過10cm。通常單樁極限承載力對應沉降控制為4cm，特征值時最大沉降即使按2-3cm，褥墊層沉降按1~2cm，樁底下土層沉降很小。因此，實際上這種情況下沉降應最多為5cm左右,不會超過10cm。而按等效模量法計算是明顯偏大的, 如果軟土層厚度更大，沉降還會更大。同樣存在一些樁端進入較好土層的剛性樁復合地基的情況，如廣東也常使用管樁復合地基，當管樁進入一些全、強風化泥巖地基后，則其沉降是很小的。但如果用等效模量法計算復合地基的沉降，一般可能會是偏大較多的。

4.軟弱下臥層問題

在實踐中，也會遇到一些軟弱下臥層的問題，如在巖溶地區，經常在巖面附近有一層較軟弱土層，而其上面可能是較好的硬土層，如圖5所示。某工程在采用剛性樁復合地基時就遇到這種情況，剛性樁沒有穿透這一下臥軟層，而檢測時，無論復合地基載荷試驗或單樁載荷試驗均合格，但實際基礎時，房子沉降較大，由于土層厚度不均勻，還造成了傾斜，在這種情況下，復合地基承載力的確定或檢測就要更加小心了。

三、發展樁土共同作用的剛性樁復合地基計算方法

  規范的承載力與沉降計算方法主要是建立在均勻地基上，基礎底地基與樁底地基相同，但實際工程中更多的不是這種理想地基，而是分層地基，且通常樁底地基會好于基礎底地基，當然也會存在軟弱下臥層地基等，因此，應該建立適合于復雜地基條件的剛性樁復合地基的承載力與沉降計算方法。

剛性樁復合地基的實質是樁土共同作用分擔上部荷載，而考慮共同作用時必須進行沉降變形的協同作用計算?？梢园褬?、土簡化為兩個相對獨立的系統，如圖6，圖7所示，樁和天然地基的沉降可以采用筆者的切線模量法計算。當然兩者也是存在相互影響的，只是為了簡化而作這樣的假設。

這樣可以獨立計算樁的沉降（含褥墊層），得到樁的荷載與沉降關系的N-S曲線，以及天然地基下基礎的沉降與荷載關系的P-S曲線，如圖8所示。相同沉降下，可以由荷載沉降曲線得到地基和樁的抗力p、N，樁與地基的抗力之和則為復合地基的抗力或承載力，， n為基礎下有n根剛性樁， A為基礎面積。這樣就可得到樁、土共同承擔荷載的復合地基的曲線，如圖8所示。由復合地基的曲線，則可以按強度和沉降控制確定合理的復合地基承載力。

1.軟硬互層復合地基承載力問題的解決

如上圖1、圖2的軟硬互層地基。顯然，軟土在淺部的圖1的P-S曲線S₁和軟土在深部的圖2的P-S曲線S₂不同，如圖9所示，相同沉降下的地基抗力不同，這樣由圖8方法所得的復合地基承載力就不同了，從而可以體現地基承載力的發揮不同，解決這種軟弱分層復合地基的承載力問題。

2.承載力的深度修正問題

采用樁、土共同作用時，復合地基中樁間土的抗力發揮則依據變形協調確定，樁間土的承載力（抗力）的強度可以按天然地基考慮埋深來復核。用圖8方法得到復合地基的P~S曲線和天然地基的P~S曲線如圖10所示。當樁間土要發揮到通常天然地基考慮埋深影響的承載力時，可能需要較大的變形，如圖10所示，而此時，復合地基承載力由土抗力加樁的抗力，也會大于天然地基的抗力（承載力）。因此復合地基的承載力不是把樁、土承載力特征值簡單的疊加，需要考慮變形的因素，樁和土達到所謂承載力特征值時所需沉降變形是不同的。另一方面，在相同的荷載下，復合地基的沉降小于天然地基的沉降，從沉降的角度，復合地基承載力也大于天然地基承載力。

如以上二.2.的案例，如取土的變形模量，則天然地基在其修正特征值荷載下按半無限彈性體估計其沉降為：

     （9）

但若按復合地基，剛性樁發揮到特征值時沉降一般為2cm左右，考慮褥墊層的沉降，即使復合地基沉降達4cm，按沉降比確定天然地基承載力的發揮，發揮抗力：

      （10）

近似為天然地基修正承載力特征值的一半。此時，對應的復合地基承載力為樁和土的抗力之和：

大于相同沉降4cm下天然地基承載力334kPa。因此，從沉降控制角度，復合地基承載力必然大于天然地基的承載力。而天然地基承載力要達到其修正特征值時，沉降會到8.1cm，這時對應復合地基承載力也是土的抗力（修正特征值）加上樁的抗力，也會大于天然地基的修正承載力特征值，見圖10。因此，復合地基承載力不只按（1）式簡單疊加確定，應要考慮變形的影響才更合理。

實際上地基的承載力無論是天然地基或是復合地基，都應根據強度和變形雙控確定。如果按圖8的方法確定復合地基的P~S曲線，然后由P~S曲線按強度和變形雙控確定，就可以避免天然地基承載力大于復合地基承載力的問題。

3.剛性樁復合地基的沉降計算問題

由以上的分析可見，對于樁端土的承載力高于基礎底土的承載力時，按（2）式的等效模量法計算沉降可能會偏大。兩者承載力相差越大，差異越大。為避免這種情況，剛性樁復合地基的沉降用計算樁的沉降方法更合理。而剛性樁復合地基的沉降由加固區沉降S₁和加固區下部沉降S₂之和組成，S=S₁+S₂。S₁用計算樁的沉降方法計算：

 (11)

褥墊層壓縮沉降：             （12）

樁的壓縮沉降：         （13）

樁底沉降：        （14）

為樁頂壓應力，為樁底壓應力，為褥墊層變形模量，h為褥墊層厚度，l為樁長，E_c為樁身彈性模量，D為樁的直徑，E_b為樁底土變形模量，，為樁底土的泊松比。

這種方法對于樁底置于較硬的巖土層時較為合理。

四：結語

1.剛性樁復合地基是一種較好并得到較廣泛應用的地基處理方式。

2.目前剛性樁復合地基的承載力和沉降計算主要是針對均勻地基的情況，對于分層復雜地基條件應用時需要進一步發展完善。

3.采用樁、土共同作用方法，通過變形協調的方法來計算剛性樁復合地基的承載力和沉降，是解決復雜地基復合地基設計的有效途徑。

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