07-长短桩复合地基设计计算分析和探讨.doc

长短桩复合地基设计计算分析和探讨摘要：本文主要对长短桩复合地基的应用特点、作用机理以及设计计算方法做了些分析和探讨。关键词：长短桩复合地基；设计；计算近年来,随着国内外桩基础研究的深入,发展了适用于深厚淤泥、淤泥质土、黏性土、粉土、砂土等不同地基的长短桩复合地基处理技术。如刚性长短桩复合地基和刚柔性长短桩复合地基等应用于深厚软土地基上,已取得了显著的工程效益。特别是在沿海深厚软土地区,近年来,经济发展迅速,大量的土木工程兴起,给长短桩复合地基带来了巨大的应用前景。长短桩复合地基在工程实践中的广泛应用,特别是在深厚软土地基上的应用,虽然现行规范中尚没有其承载力和设计计算,但由于近年来长短桩复合地基的地基处理理论进一步完善,根据工程经验形成半经验半理论的地基处理设计方法和承载力计算。应用于工程项目中能有效提高地基承载力,控制沉降,降低造价。一、长短桩复合地基的应用特点在深厚软土地区,按照常规理论设计，即利用统一长度的桩设计,会出现桩数过多、桩距太密,不仅提高了工程造价,同时也不利于单桩承载力的发挥。长短桩复合地基则充分利用桩间土的承载力,能有效地控制地基沉降,减少工程造价。长短桩复合地基中长桩能能将荷载向地基深处传送,减少压缩土层的变形，从而减少地基的沉降,以此来控制建筑物的沉降,很好的避免了常规桩基设计的一些缺点,也更符合外荷载作用下的地基应力场和位移场特性。短桩主要用来提高地基承载力,加固桩间土,增加桩体的摩擦阻力。随着桩基技术的应用发展，“桩”不是桩基础的专有，这就使“复合桩基”与“复合地基”区分更为模糊。随着当今共同作用设计理论的发展，基础更为重要的是概念性分析与概念性设计。（1）刚-柔性复合桩基具有高承载力、低沉降量，工程造价有较大节省，而工后沉降量通常与桩基础是等量的。可发挥“长桩疏布”的优势，利用刚性长桩控制沉降与承载的双重功能。利用地基处理方法，能有效提高复合桩基的安全度、可靠度。形成深、浅两个层面的空间应力状态，发挥地基土的潜在承载力。（2）长-短桩复合桩基当软弱地基土存在二个或二个以上的持力层可利用时，可考虑用长-短桩作复合桩基设计。利用长桩发挥下持力层控制沉降，利用短桩发挥上持力层承载力。采用长短桩发挥二个持力层的空间应力，可充分发挥地基土潜在承载力。（3）卸荷-组合复合桩基当软弱地基土工程存有地下室时，此时应采用水泥搅桩作复合体。可发挥刚性桩控制沉降与承载的双重功能。利用柔性水泥搅拌桩加固软弱地基土，能改善地下室的嵌固作用提高卸荷补偿能力。经水泥搅拌加固后，可改善地基土特性，基坑支护费用有着明显节约。二、长短桩复合地基的作用机理长短桩复合地基因长桩和短桩的间作设置，在复合地基中形成三个不同作用的工作区域，即以提高承载力为主的长、短桩联合工作区（1区），以减少沉降为目的的长桩工作区（2区），承受桩体荷载的持力土层（3），三者共同作用，以提高浅层地基承载力、减少地基沉降量，形成良好的长短桩复合地基2。具体如下图1。图1长短桩复合地基作用机理在长短桩复合地基中，长桩的主要作用是提高承载力、控制沉降量，它将荷载通过桩身向地基深处传递，减少压缩层变形，同时对柔性短桩起到“护桩”作用，并与短桩一起抑制地基周围土体的隆起。在1区深度范围内，桩体间将具有较明显的“挟持”和“遮挡”效应，桩间土体和桩体共同沉降；而在2区的长桩，由于土体和桩体不能同时沉降，其桩尖对桩端土体将有相当的刺入量。当基底以下存在较厚的软弱土层时，采用短柱对该区域土层进行加固，可提高基底软弱土层的承载力；若基底以下存在上、下两层较为理想的桩端持力层，将长、短桩分别落在下、上两层桩端持力层，充分发挥上下两层桩端持力层的特性，利用短柱提高复合地基的承载力，通过长桩减少变形，在满足设计要求的同时减少地基处理的工作量，达到经济合理的效果。褥垫层在复合地基中有着极为重要的作用，可以有效地调整复合地基的桩土荷载分配，充分发挥土体的承载能力特别是发挥浅层土体的承载作用。由于垫层的流动性，桩在荷载作用下产生的应力集中使垫层发生侧向流动而产生向上刺入，结果让桩土间的应力重新分配，从而提高地基的承载性能，调节变形。三、长短桩复合地基承载性能分析3.1桩应力特性长短桩复合地基的长桩应力分布与一般刚性桩复合地基分布相同，桩身最大应力不在桩顶，而在桩顶以下一定深度处。这是因为在复合地基中，承台与桩顶之间设置了褥垫层，在承受上部荷载时，因长短桩变形模量大于桩间土，应力集中明显，桩顶在褥垫层中产生应力塑性区，随着荷载增加，桩将产生向褥垫层的“上刺入”，造成在复合地基桩土上部某一深度范围内竖向方向上，土体位移大于桩顶位移。3.2桩土应力、桩土应力比长桩和短柱的桩顶应力和桩土应力比一般均随总荷载的增加而增加，并且变形刚度大的长桩的桩顶应力和桩土应力比明显大于短柱桩土应力比。在加载过程中，长短桩桩顶应力比变化不大。3.3桩土荷载分担比桩间土的荷载分担比随着复合地基总荷载的增加而逐渐减少，而桩的荷载分担比则随总荷载的增加而逐渐增加。这说明褥垫层存在，桩间土在加载初期就发挥了较大的作用，桩的承载力及其在复合地基中的作用，需要达到一定荷载后才逐渐发挥出来。变形刚度较大的长桩的荷载分担比较大，而变形刚度较小的短桩的荷载分担比较小，两类桩的荷载分担比均随荷载的增加逐渐增加。四、设计计算方法应用探讨主要有半理论半经验公式法、理论分析方法和有限元分析法等。复合地基设计计算时，其承载力往往容易满足，而沉降却较大，这时为了减少沉降，可采取调整桩长和/或桩距的方法来控制。下面仅就半理论半经验公式法作一说明。4.1承载力计算的半理论半经验公式法1）直接计算法：用长桩、短桩与地基土参数直接计算复合地基承载力，此公式是利用面积加权原理推导而出。式（1）中：fsp,k为复合地基承载力特征值；、为长、短桩的置换率；fs,k为土体承载力特征值；,为长、短桩的桩截面积；、为短桩、土体强度发挥系数；,为长、短桩单桩承载力特征值，其计算公式如下：2）复合处理法：先按计算地基处理短桩深度的复合地基承载力，后视短桩复合地基为长桩的“土体”，再计算长短桩复合地基的承载力。式中：fsp,k1为长短桩复合地基承载力特征值；fsp,k2为短桩复合地基承载力特征值。其他符号同以上。复合地基的沉降可以由褥垫层、加固区和下卧层三部分的沉降组成。褥垫层可按弹性理论考虑，下卧层通常采用分层总和法计算。加固区的计算方法有复合模量法、应力修正法、桩身压缩量等。1） 复合模量法在常规的变形计算公式中，用各土层的桩土复合模量代替原土层模量。采用分层总和法计算复合地基加固区土层压缩s1；s1分为两部分，工作区一和工作区二的土层压缩sp1和sp2，表达式为：，和Ec,1s为各区土层的复合压缩模量，采用面积加权平均法计算得来，表达式为：Ep1，Ep2为长，短桩压缩模量；、为长、短桩的置换率；Es为土体压缩模量。2）应力修正法根据复合地基中土体分担的荷载，按照土体的压缩模量，采用分层总和法计算土层的压缩量，并作为加固区的压缩量。3）桩身压缩量法则根据作用在桩体上的荷载和桩体模量计算桩身压缩量，它和桩体上下刺入量之和即为加固区的压缩量。4.2计算方法应用分析半理论半经验公式法多源于弹性计算理论，但各公式中较多的经验系数也说明了该方法糅合了计算者的经验。理论分析法假设较多，不能完全反映桩、土、褥垫层的相互作用。这要求在满足工程精度要求的范围内，作出合理假设，反映长短桩复合地基的主要工作性状。但弹性理论法未能很好的描述桩-土接触面的力学特性，未能反映土体的非线性特性。若计算模型确定，有限元分析法拥有很高计算精度。确定计算模型是有限元数值模拟的关键，受计算机计算能力限制，数值模拟多用小面积基础模型，但小面积基础模型与实际有差别，不能完全反映长短桩复合地基性状。在国内外众多的三维有限元分析中没有完全体现长短桩复合地基的特性，有的没有考虑桩-土-褥垫层的接触特性，有的没有考虑土体的非线性特性，也有的没有考虑多元桩型。即使有限元