復合地基的幾種優化設計方法探討

馮志威

摘要：由于建筑場地地形的復雜，地基處理一直是建筑施工的關鍵。隨著建筑業及復合地基的應用與發展，我國施工和設計人員進行了相關復合地基的優化，這些優化因為施工的簡便性及預算的大量減少，已逐漸被人們接受與學習，并廣泛應用推廣，有的甚至已寫入相關規范，下邊就對這些相關的優化設計進行簡單的介紹。

Abstract： Due to the complex terrain of construction sites， foundation treatment has been the key to the construction. With the development and application of construction industry and composite foundation， the construction and design staff have optimized the composite foundation. The optimization has been gradually accepted and learned by people for the simplicity of construction and a substantial reduction in budget， and has been widely used and promoted， and some even has been written to the relevant specification. This paper introduces the related technologies.

關鍵詞：復合地基；優化；變剛度；聯合應用

Key words： composite foundation；optimization；variable stiffness；joint application

中圖分類號：TU47 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2016）29-0131-03

0 引言

復合地基處理方法是在天然地基中設置一定比例的增強體（樁體），使樁、土共同承擔荷載，并具有密實法和置換法的效應。由于設置增強體的方法不同、選用的樁體材料不同，復合地基法的密實作用和置換作用對承載力的提高幅值占的比例也不相同。不同樁型的復合地基，其承載力和變形特性明顯不同，了解不同樁型承載特性的共同點以及它們之間的差異，對在實際工程中合理選擇復合地基中的樁型具有重要的積極意義[1-3]。由于實際工程中的復雜多變，設計、施工人員對相應的復合地基進行了大量的實踐，總結出大量的優化經驗，其中有幾種復合地基的聯合使用，有變剛度調平復合地基樁的設計等，以下就結合相應的工程實例對這幾種優化設計進行簡單的介紹。

1 幾種復合地基的聯合使用

復合地基按樁的類型可以劃分為三類。第一類為散體材料樁復合地基。其樁體是由散體材料組成，沒有粘結強度，只有依靠周圍土體的約束才能形成樁體。其中代表為碎石樁和砂樁復合地基。第二類為柔性樁復合地基。樁體具有較低的粘結強度，能單獨形成樁體，常見的有水泥土復合地基和灰土樁復合地基。第三類為剛性樁復合地基。樁體具有較高強度和剛度，目前，我們常用的有CFG樁和鋼筋混凝土樁復合地基。由于這三類復合地基的樁體材料不同，施工方法不同，用于不同土質情況，其作用機理不同，加固效果存在明顯的差異。對于散體材料復合地基主要是依靠土體的“圍箍”作用來提高地基的承載力，雖然地基的承載力提高較小，但卻有良好的排水作用；對于粘性材料樁復合地基主要依靠樁側阻力和端阻力把作用與樁體的荷載傳至深部土層，地基的承載力較大，但排水性能等其他特性不是特別突出。針對以上各種復合地基的特性，人們在工程選用時取長補短，使其更好地發揮各自優勢，把地基處理得更好[4-7]。

1.1 CFG樁和碎石樁的聯合使用

碎石樁和CFG樁在我國應用已久，是比較成熟的地基處理工藝。正如上邊提到：碎石樁是散體材料樁，樁體承載力主要依賴于樁間土的“圍箍”作用，對于提高復合地基的承載能力有限。但由于其良好的排水通道作用，對于處理軟粘土地基和消除地基土的地震液化具有得天獨厚的優勢；CFG樁是剛性樁，樁體剛度大，承載力高，可以大幅度的提高地基承載力和控制變形。當把這兩種樁型組合在一起使用時，可以產生明顯的優勢互補作用：利用碎石樁來提高淺層地基的承載力，并增大淺層地基土的復合模量，減少淺層土變形，同時建立排水通道消除地基土層液化；利用CFG樁尋找深層持力層，大幅提高地基承載力并控制沉降變形。如對于可液化的地基，既要求消除土體的液化，又要求有較高的承載力，當采用單一的碎石樁加固地基，雖然可以消除液化，但承載力提高幅度有限，達不到設計要求。此時，可采用碎石與CFG兩樁型復合地基方案，以達到既消除地基的液化又大幅度的提高地基承載力的目的。

從公開發表的文獻看，在國內采用碎石與CFG兩樁型復合地基的工程數不勝數，下邊就舉山西省財政廳辦公樓工程。該工程利用碎石樁的擠密、振密作用，提高樁間土的密實度與強度，又利用其振動工藝使地基土受到一定時間與一定程度的多次重復預液化作用，并通過高滲透性碎石樁體，改善地基的排水條件，達到縮短排水路徑、加速超靜空隙水壓消散、抑制液化發展、有效提高地基土的抗液化能力的效果。但考慮到僅僅采用碎石樁復合地基對該工程地基承載力的提高幅度有限，為進一步提高復合地基承載力，并增強對碎石樁的側限約束作用以減少碎石樁頂部的壓脹變形，避免產生鼓脹破壞的可能性，該工程又采用了CFG樁對地基進行進一步處理，形成了碎石與CFG兩樁型復合地基。實踐證明，能夠充分發揮兩種樁型的優勢，具有良好的技術和經濟效益。

1.2 碎石樁和水泥土攪拌樁聯合應用

我們都知道，在多種可液化地基處理加固方法中，干振碎石樁由于施工簡單、工程造價低、消除液化效果明顯等優點而應用較廣，并且積累了豐富經驗。但施工時的振動使易液化地基產生預先液化，而且軟弱土因排水固結對鄰近建筑帶來不利影響。從城市建設來講，碎石樁使用有局限性。根據文獻[1]第8.2.4條的規定，碎石樁處理地基的寬度應超出基礎的寬度不小于3～5m，這樣就更縮短了樁基與已有的建筑物的距離，對其鄰近建筑物產生的不利影響更加明顯，可能會造成局部傾斜、墻體開裂、道路塌陷等，甚至有時不得不放棄使用碎石樁而采用工程預制樁或灌注樁。

干振碎石樁與水泥深層攪拌樁聯合應用就是在碎石樁施工前，先在外圍采用深攪樁密排施工形成一道地下連續墻，其作用是：①使軟土和固化劑（水泥、石灰、粉煤灰等）強制攪拌后，經過一系列的物理化學反應形成具有一定整體性和穩定性的水泥土墻，既能減輕碎石樁施工產生的振動，又能切斷基礎內外地下水的聯系；②外圍設水泥深攪樁連續墻后，既減少了圍護樁的數量，樁間土的側限約束作用又得以增強，樁頂散粒部分的脹壓變形得到控制，復合地基承載力進一步的提高；③施工時對基坑可以起到支護作用，方便了狹小場地下的基礎施工，能降低工程造價。在工程中的相關案例就是徐州礦務集團一機廠18#住宅樓工程，該工程就是在天然地基為約19m厚嚴重液化粉砂土上，采用沉管灌注樁和碎石樁，有效的控制了沉降，防止了天然土的液化，提高的了地基的承載力。由此可見，在干振碎石樁處理液化土地基的施工中，聯合使用干振碎石樁與水泥深層攪拌樁，既擴大了碎石樁的應用范圍，又有利于復合地基承載力的大幅提高，具有一定的應用前景。

1.3 石灰樁和CFG樁的聯合使用

工程中，單獨應用石灰樁、CFG樁處理地基已有許多成功的先例。但有時只用一種方法還不能滿足地基的承載力及變形的要求，有時則施工困難或造價過高。采用石灰樁與CFG樁聯合應用的方案，即先用石灰樁處理，利用生石灰吸水、膨脹擠密作用，提高樁間土的承載力，增加樁間土對CFG樁的側摩阻力，同時迅速降低施工場地內地下水位，再利用CFG樁樁體強度高的特點，可大幅度提高復合地基承載力。這樣不僅可降低工程造價，還可消化電廠廢料粉煤灰，取得經濟和社會雙重效益。相關的工程案例為太原市某高層住宅樓設計，它的工程地質條件為場地土以第四紀松散堆積物為主，層位、厚度基本穩定，巖性主要為粉土、粉質粘土與中細砂，經計算，單用石灰樁不能達到承載力要求，而單獨采用CFG樁造價過高，且施工困難。故選用石灰樁與CFG樁聯合應用的方法。在設計計算時，由于相關計算參數取值的合理性與準確性才有了這種聯合應用的實現。

2 復合地基的變剛度調平設計

復合地基的變剛度調平設計，顧名思義就是通過在一個工程中的不同位置變換地基的剛度來達到復合地基優化設計的方法，其中有變樁的疏密、樁的長短、樁的粗細等方法。我們都知道，如今高層建筑是目前普遍的結構形式，它不但最大限度利用了空間，而且可以更高效的提供各種社會服務。為了豐富使用功能和提高建筑物自身穩定性的要求，主樓旁往往帶裙樓，形成塔樓大底盤結構。塔樓大底盤之間剛度差異和荷載作用差異無疑是巨大的，即便是在上部荷載均勻分布、復合地基等剛度布置，但由于樁一土間的相互作用會導致復合地基的豎向支承剛度分布發生內弱外強的改變，從而使得地基變形出現內大外小的碟形分布，基底反力出現內小外大的馬鞍形分布，為解決這類高層建筑地基承載力和變形兩大核心問題，變剛度調平設計應運而生，且已寫入相關的《建筑地基處理技術規范》（JGJ 79-2012）中。

2.1 長、短樁復合地基的聯合應用

如今，長、短樁所形成的新型復合地基已經開始在工程中得到應用，并越來越顯示出其技術上的優越性和經濟上的合理性。長、短樁復合地基可有效地提高地基強度，減少沉降，并降低造價。當地基承受垂直荷載時，樁和樁間土都要發生變形。因樁的模量比土的模量大，樁的變形比土的變形小，為此在基礎下面設置了一定厚度的褥墊以使在變形過程中樁可以向上刺入褥墊層。隨著這一變化，褥墊層不斷調整著樁、樁間土間的應力分布，以保證在任一荷載下，樁和樁間土始終共同參與工作。同單純的短樁或長樁相比較，長、短樁采用長樁和短樁間隔布置的方式，由于加固范圍全場地通過應力等值線，被加固的樁間土處于有利的三向應力狀態，從而使天然土積極參與工作。長短樁復合地基在豎向上利用了樁的有效工作長度（剛度越小，其有效工作長度越短），設計成剛性樁為長樁，柔性樁為短樁，從而在豎向上形成3個剛度梯度，人工構成了3層地基。即在基底以下，第一剛度：剛性樁+柔性樁+土；第二剛度：剛性樁+土；第三剛度：原天然土。這種長短樁的布置方式，改變了剛性樁與柔性樁復合地基的變形場，天然土層的普遍規律是上部土層弱，下部土層強，長短樁復合地基恰好達到了弱者多補，強者少補的效果。因此，剛性樁、柔性樁及樁間土組成的復合地基可以使強度得到顯著提高，并且有效地減少了變形。

相關的工程實例為：徐州市某小區1#住宅樓工程，該工程采用長、短樁復合地基，其中長樁采用素混凝土沉管灌注樁，混凝土強度等級為C20，樁徑450mm，樁長16.0m；短樁采用深層水泥土攪拌樁，樁徑500mm；樁長9.0m。長、短樁在平面上成排交叉布置。共用長樁152根，樁徑450mm，沉管灌注樁；短樁180根，樁徑500mm，水泥土攪拌樁。28d后，對復合地基進行了靜載試驗，試驗的總沉降均小于20mm，遠遠小于相關規范要求，且沉降隨時間、荷載的變化都是均勻的。未達到極限承載力狀態，安全儲備還很大。由此可見，長、短樁復合地基根據樁的設置特點，合理地改善了平面的剛度組合與豎向剛度組合，形成了土的三維應力狀態。通過復合地基載荷試驗數據可以看出，這種復合地基最大限度地利用了兩種樁的特點，提高了樁間土的參與作用，有效地提高了地基強度，減少了沉降，加快了施工速度，并降低了造價，具有較好的應用前景。

2.2 疏、密樁復合地基聯合使用

疏、密樁復合地基和長、短樁復合地基相相似，是通過改變樁的粗細達到變剛度的設計要求，也常用于主樓與裙樓之間，在這里不對其運用原理進行詳細介紹，主要的工程實例是青島市萬達影都的工程，由于對相關樁基進行了載荷試驗，對影都酒店區的一部分樁的間距由原來的一米二變為了一米五，這樣大大減少了工程造價，初步估計可節省幾千萬元。

當然，在工程實際應用中也有改變樁粗細變剛度的方法，除此之外，還有這幾種變剛度方法的聯合應用，不管哪種方法，對方法運用后沉降計算至關重要，最終到達沉降的均勻性是這幾種方法的目的。

3 結語

復合地基的優化設計是現在巖土工程的研究前沿，不論哪種優化方法，都是以控制建筑物的沉降為核心的，隨著技術的不斷發展，復合地基的優化設計結論已逐漸被廣泛推廣，有的甚至已寫入相關的規范，但對復合地基的優化技術的應用還是存在很多的不足的。所以，還需要我們不斷改進與創新。

參考文獻：

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