剛柔性長短樁組合復合地基墊層的分析研究

方輝1 林本海1-2

1.廣州大學建筑設計研究院 廣州 510006；2.廣州大學地下工程與地質災害研究中心 廣州 5100061

摘要：剛柔性層長短樁組合高強復合地基因其高承載力、經濟性好和施工靈活并工期短的特點，應用越來越廣泛。墊層作為復合地基均衡應力、協調變形的重要組成部分，墊層厚度和模量大小對剛柔性長短樁組合高強復合地基的承載力、沉降、樁頂應力、樁土應力比具有重要影響，對其研究具有重要意義。本文采用筆者研究的復合地基計算模型，對剛柔性長短樁組合復合地基的墊層進行研究，為高強復合地基的優化設計和工程應用提供依據。

關鍵詞：剛柔性高強復合地基；墊層、剛柔性樁；墊層；應力；樁土應力比

剛柔性長短樁組合高強復合地基的剛度隨深度增加而降低的梯度性變化，與荷載附加應力在地基中向深部傳遞的應力擴散而減小的趨勢相一致，使得長短樁剛柔性樁布置的復合地基在充分發揮樁體承載能力的同時調動樁間不同深度的土體參與工作，相比于樁基礎可以顯著減少樁端應力[1] [2]。剛柔性長短樁組合高強復合地基具有承載力高、經濟性優、施工靈活和工期短的特點，是地基處理技術的升華，高強復合地基在廣東已應用于高層建筑甚至超高層建筑的地基處理，是對傳統樁基礎的巨大挑戰[3]。

筆者考慮樁體應力協調，符合實際多層地基土體成層分布的特點，為實現不同長度樁體之間的剪切位移法相互作用的分析計算，曾將剛性長樁在短樁深度處擬斷開，分為上下兩段分別計算，通過樁周土體的等效剛度參數K，實現長樁、短樁、土體同時受荷時各部分之間的完全相互作用；通過樁體相互作用影響系數，考慮剛性長樁、柔性短樁和土體之間相互作用的區別，建立長短樁剛柔樁組合高強復合地基相互作用承載模型并編寫計算程序實現，通過與其它相互作用計算模型和實測數據對比，證明所建立的承載計算模型合理可行，具體可見相關文獻[4]和[5]。

墊層作為復合地基均衡應力、協調變形的重要組成部分，墊層厚度和模量大小對剛柔性長短樁組合高強復合地基的承載力、沉降、樁頂應力、樁土應力比具有重要影響，對其研究具有重要意義。

本文以筆者建立的承載模型和計算程序，通過對墊層厚度和模量的研究，對剛柔性長短樁組合高強復合地基的沉降、樁頂應力、樁土應力比進行分析，進一步總結剛柔性長短樁組合高強復合地基的工作機理，為剛柔性高強復合的深入研究提供指導，為地基優化設計提供依據，為工程推廣應用積累經驗。

計算模型中對短樁采用有代表性的柔性樁體--水泥攪拌樁，分析計算時假設下臥層為彈性壓縮。剛性樁采用直徑500mm的 C20素混凝土灌注樁，長約22m；柔性樁采用直徑500mm的水泥攪拌樁，長約6m；墊層采用碎石砂材料的200mm厚度，墊層變形模量取140MPa；樁體按照1600mm的間距正方形布置。

土層簡化為兩層，第一層厚度6m，模擬淺層的相對較軟土體，第二層厚度16m，模擬下部相對較硬土體。

1 墊層厚度的分析研究

墊層作為復合地基系統中一個重要的組成部分具有分擔荷載、均衡應力和協調變形的作用。墊層的厚度和模量在復合地基設計計算時一直是按經驗取值，本研究對復合地基的厚度和模量進行了計算分析。

圖1 墊層厚度對沉降的影響曲線圖

圖2 墊層厚度對剛性樁頂應力的影響曲線圖

圖3 墊層厚度對柔性樁頂應力的影響曲線圖

圖4 墊層厚度對土體頂面應力的影響曲線圖

圖5 墊層厚度對剛性樁土應力比的影響曲線圖

圖6 墊層厚度對柔性樁土應力比的影響曲線圖

由圖1至6可知當墊層厚度小于100mm時，荷載主要由剛性樁體承擔，柔性樁體能發揮作用，土體不受力或受力很少，所得的沉降量也較小，整體復合地基相當于群樁基礎而喪失了復合地基的本質。剛性樁體頂面荷載過大，還需要考慮樁體對底板的沖切作用。

墊層厚度大于300mm時，柔性樁體和土體的頂面荷載增加較多，可能使柔性樁體由于自身強度不足而破壞，但荷載仍主要由剛性樁體承擔。在圖3中，墊層厚度超過350mm后作為柔性樁體的攪拌樁會由于頂部強度超過2MPa而可能破壞。

墊層厚度在100mm-300mm之間，樁土分擔比較為穩定，不僅滿足土體和柔性樁體的強度要求且能參加荷載分擔、共同作用。

從沉降曲線圖1中可以看出，隨墊層厚度增加沉降也增加，原因有剛性樁體的部分荷載轉移到柔性樁體和土體上而使整個復合地基的沉降增加；墊層厚度增加使墊層本身的沉降也增加?；诖藟|層厚度薄有利于整個復合地基的變形控制，但可能增加剛性樁體的受力。

圖7 墊層模量對沉降的影響曲線圖

圖8 墊層模量對剛性樁頂應力的影響曲線圖

圖9 墊層模量對柔性樁頂應力的影響曲線圖

圖10 墊層模量對土體頂面應力的影響曲線圖

圖11 墊層模量對剛性樁土應力比的影響曲線圖

圖12 墊層模量對柔性樁土應力比的影響曲線圖

綜上分析，墊層的厚度取100mm-300mm之間為優，能達到復合地基工作所要求的分擔荷載、均衡應力的作用，建議常規的墊層厚度為200mm。

2墊層模量的影響

對于復合地基的墊層強度和剛度設計參數的取值一直是一個不確定的設計參數，從已有的文獻看，變形模量取值相差很大，在30MPa-300MPa之間，實際是模糊不清。這除了與上面分析的與墊層厚度有關外，還與采用的墊層材料和施工要求相關，下面做簡要分析。

墊層模量代表的是墊層的材料和密實程度。由圖7至12知道，剛性樁頂的應力隨墊層模量的增加而增加，而土體和柔性樁體頂面的荷載隨墊層模量的增加而減少，沉降隨墊層模量的增加而減少，樁土應力比隨墊層模量的增加而增加。

墊層模量過大時，荷載主要由剛性樁體承擔，柔性樁體、土體受力變少，沉降也變少。當模量增加到一定程度復合地基將會轉變成樁基礎。

當墊層模量較小時，會帶來柔性樁體和土體所受的應力較大，沉降增加。如同墊層厚度過大一樣，柔性樁體可能由于自身強度不足而破壞，如圖9中的柔性樁體。

樁土應力比隨墊層模量的增加而增加，沉降隨墊層模量的增加而減少，即墊層模量越大越易于發揮樁體的作用，越易于控制沉降。但是需要將剛性樁體的荷載最大限度的分擔到柔性樁和土體上去，達到復合地基的共同作用目的。

墊層需要選擇一個合理的模量，即選擇合理的材料和施工密實程度來保證復合地基的共同作用，來使復合地基中各承載要素（剛性樁、柔性樁和土體）的承載能力充分發揮，來使復合地基沉降控制在設計要求之內。墊層模量的選擇和地基土體，上部荷載大小有關，與所選墊層的材料及施工密實度的控制有關，需要很強的針對性。作者認為墊層的變形模量選擇150MPa-230MPa較為合理。

實際工程檢測得到中密粗砂墊層的變形模量為40MPa-60MPa，密實中砂墊層或中密砂石墊層的變形模量可達80MPa-100MPa，相當于強風化軟質巖的變形模量；密實砂石墊層的變形模量可達150MPa-200MPa。

3總結

墊層是整個復合地基系統的重要組成部分，起著均衡應力和協調變形的作用，墊層的作用主要與其厚度和模量的變化有關。若墊層厚度越薄模量越大（相當于向剛性承臺過渡），會使剛性樁體承擔的荷載變大，沉降減小，共同作用就越弱，復合地基越接近群樁基礎；墊層厚度越大模量越小，會使柔性樁體、土體承擔的荷載增大，沉降變大，共同作用變強。墊層過薄，剛性樁體荷載過大，需要考慮樁體對結構底板的沖切作用；柔性樁體、土體荷載過大需要考慮自身強度問題。

一般建議墊層厚度采用200mm-250mm。墊層變形模量選擇150MPa-200MPa較好。建議墊層采用中密或密實的砂石墊層。

參考文獻：

[1] 謝定義，林本海，邵生俊.巖土工程學[M].北京：高等教育出版社，2008.

[2] 閆明禮，張東剛.CFG樁復合地基技術及工程實踐[M].北京：中國水利水電出版社，2006.

[3] 方輝，林本海.剛性長短樁體復合地基及其工程應用[J].建筑監督檢測與造價，2008.11.

[4] 林本海，方輝.長短樁高強復合地基在高層建筑中的應用[J].巖土力學，2009.S02.

[5] 林本海，方輝.長短樁高強復合地基的承載模型研究[J].巖石力學與工程學報，2009.A02.