刚性桩复合地基研究进展

　　中图分类号：TU433

　　一、序言

　　复合地基技术是土木工程中人工处理天然地基的有效手段。复合地基的广泛应用与其良好的技术经济效果是分不开的。从可持续发展的角度讲，复合地基技术符合"在工程设计与施工充分挖掘土体本身固有的强度潜能和自稳能力"的软基处理发展趋势，同时，使用粉煤灰、钢渣等工业废料符合环保要求。从受力性能上看，复合地基与天然地基相比，具有承载力高、沉降和差异沉降小等优点，与桩基等深基础相比，节省费用。

　　二、刚性桩复合地基的基本原理

　　（一）、基本概念

　　在刚性桩复合地基中，地基土体被刚性桩置换。AS为刚性桩的横截面面积，A为每根桩水平影响区域的横截面面积，刚称m=AS/A为面积置换率，它体现了复合地基的加固水平。

　　由于加固体和桩间土的压缩模量不同，在加固体中将会产生应力集中。设ρ表示地表平均荷载，ρS和ρC分别表示桩间土加固体承受的荷载，则定义n=ρS/ρC为桩土应力比（荷载分担比）。可见，桩土荷载比体现了复合地基受荷时桩的应力集中程度。显然，n值不能太大，否则，由于加固体承担了大部分荷载，桩间土的承载能力将得不到充分发挥。N值也不能太小，否则，地基承载力提高幅度太小，达不到加固的目的。

　　由于刚性桩复合地基的桩土荷载分担比较高，为了充分发挥桩和桩间土的承载能力，必须人为地对桩土荷载分担比进行调节，以便充分发挥复合地基的承载特性。早在1977年Tokoyd在《桩与承台共同工作的承载力》一文中就建议，可以在桩与承台之间留出空隙，使荷载在最被只通过承台传递给地基，在地基产生一定沉降后，桩才参与工作。对于刚性桩复合地基，有效的方法是黄熙玲先生提出的在承台下设置褥垫层。褥垫层材料常采用粒径为30-80mm的碎石。

　　（二）、传力机理和位移协调条件

　　在荷载作用下，散体桩与刚性桩的传力机理是不同的。对于散体材料桩加固的软土地基，桩中受力区集中在距离桩顶4倍桩径的范围内，地基承载力公能提高20%-60%。由于散体材料桩没有黏结强度，它的承载能力主要靠桩周土约束其侧向变形来提供，而软土抵抗变形能力较小，对桩的约束作用也很小，因此，随着荷载的增加，桩的侧向变形也逐渐增大，地基将产生较大的沉降。相反，刚性桩中的荷载沿桩身全长传递，能够传递到更深的土层。在桩承台下设置垫层的刚性桩复合地基中，桩侧摩阻力从加荷开始即在桩周上部土层中出现合负摩阻，负摩阻力的大小随荷载加大而变小，同时，中性点位置逐渐变为正的，使桩下部的摩阻力得到充分发挥。同时，也使桩周土体的承载力得到了增强。

　　刚性桩复合地基的加固机理实质就是桩土共同作用机理。要保证桩土能共同工作，必须保证桩和桩间土的位移协调。

　　1、不设置褥垫层的情况。此时，桩体与桩间土协同工作的条件是基础与其下地基土保持接触，假设基础是绝对刚性的，则桩顶沉降与基础下土体的沉降相等。在一般情况下，考虑到桩的可压缩性，只有当桩尖刺入量与桩身压缩量之和等于桩间压缩量时，才能保证桩体和桩间土共同承载。因此，桩与桩间土共同工作的条件是

　　SP1+SP3=SS2（1）

　　式中：SP1--桩身压缩一；

　　SP3--桩尖刺入量；

　　SS2--桩尖平面以上桩间土压缩量。

　　2、设置褥垫层的情况。设置褥垫层时，桩顶将产生刺入，此时，桩与桩间土共同工作的条件是

　　SP1+SP3=SS2+SP4（2）

　　式中SP4--桩顶刺入量

　　三、复合地基承载力计算

　　复合地基承载力计算的思路是分别确定增强体和桩间土的极限承载力，然后按照某种叠加方式进行"复合"。对于复合地基极限承载力研究，目前大部分集中在对以面积比和应力比公式表示的承载力公式的讨论上。我国地基处理规范中推荐的复合地基极限承载力计算是以桩土面积比表示的公式