复合桩基理论研究现状

1、浅述复合桩基理论研究现状土木六班 徐驹然 2008301550185桩基础是最古老的基础形式之一。 人类早在七、 八千年前的新石器时代, 就 懂得了在地基条件不良的河谷和洪积地带采用木桩支承房屋。 在漫长的探索和实 践过程中, 桩基的类型和工艺都有了很大的进展。 特别是近代由于新材料、 新机 械、 新工艺的出现, 为桩基的飞跃发展提供了条件。 随着我国经济快速增长以及 改革开放取得的巨大成就, 高层建筑更是像雨后春笋般纷纷出现。 目前我国已建 高层建筑面积超过 2500万平方米, 为桩基础的广泛应用提供了良好的平台。 桩筏、 桩箱基础由于其在控制沉降和承载力方面的可靠性而受到了越来越多的重视,

2、 桩 基设计理论也有了长足的进步和发展 . 随着我国城市基本建设的迅速发展, 高层 建筑越来越多, 天然地基己很难满足建筑物对地基承载力和变形的要求。 已往研 究结果和工程实践表明, 在地基土中打入桩后, 能明显地提高地基承载力和减少 建筑物沉降。 就桩顶与基础之间的构造型式来看, 大致可分为四类 n1:桩顶嵌 入基础, 桩间土与基础底板分离, 荷载由基础直接传递给桩, 再由桩将荷载传递 给桩周土和桩端土,构成桩基础;桩顶与基础或嵌固、或接触但不嵌固,桩间 土与基础底板直接接触, 荷载由基础直接传递给桩和桩周土, 构成复合桩基; 桩顶与基础之间设置褥垫层, 荷载由基础经褥垫层分配给桩和桩间土,

3、 此种情形 主要指包括 CFG 桩复合地基在内的刚性桩复合地基乜 1, 构成刚性桩复合地基; 桩顶与基础之间预留一定净空, 桩间土与基础底板直接接触, 构成桩顶预留净空 复合桩基。 对于桩顶与基础之间的构造形式, 由于桩间土与基础底板不直接接 触, 桩基础造价很高, 目前在高层建筑中应用极少; 对于桩顶与基础之间 的构造形式, 由于可以发挥桩间土承载力, 地基中桩的数量可以明显减少, 因此, 如何合理确定桩顶与基础之间的构造形式, 合理确定地基中的用桩量, 做到既经 济又安全, 是目前岩土工程界的重要研究课题之一。 与常规不考虑基底土反力的 桩基础相比, 复合桩基可发挥基底土地基承载力, 有效

4、地降低工程用桩量, 减少 建筑物沉降。1. 1复合桩基工作性状研究现状复合桩基分为常规桩距哺 1复合桩基 (桩径 6桩径 和大桩距复合桩基 (桩 径 >6桩径 ,大桩距复合桩基又称为减沉桩基础、疏桩基础和复合桩基。常规桩 距复合桩基和大桩距复合桩基的工作性状明显不同, 其承载力和沉降计算模式也 不同。 复合桩基是桩基础的一种, 它是高层建筑普遍采用的一种基础形式。 复合 桩基的设计一要满足承载力的要求, 二要满足建筑物对沉降变形的要求。 复合桩 基的计算理论主要有基于允许应力理论的定值设计方法和以概率理论为基础的 极限状态设计法。 前者为以往的桩基设计所采用, 后者为近年来制定的桩基规范

5、 所采用。 无论是哪一种复合桩基设计理论, 都是先以复合桩基的承载力进行控制, 然后再验算复合桩基沉降量是否满足设计要求。 复合桩基的承载特点表现为桩土 共同承担基础荷载,其承载性状受上部结构刚度、基础型式、荷载分布、地基土 性质、 布桩参数等多种因素影响, 与单桩承载性状明显不同。 由于群桩中桩土相 互影响、 基础和上部结构的共同作用, 使群桩中桩的工作特性与单桩有显著的不 同, 需要用共同工作的观点对其进行研究, 将上部结构一基础一复合桩基作为一 个整体,分析其沉降、桩土应力分布、桩土荷载分担比例、基础总沉降、差异沉 降及沉降影响范围, 通过考虑上部结构、 基础和复合桩基三者接触部位的位移

6、协调, 对其进行分析和求解。 上部结构一基础一复合桩基共同工作的研究方式主要 有三种:室内或室外模型试验法、 工程原位测试法和数值分析法。 20世纪 50年代, 国外学者对群桩工作机理开始进行系统研究,最初的研究主要集中于模型试验, Vesicu 在砂土中对不同桩距高低承台群桩进行了模型试验:hkinmusumn 用电镀钢 管做模型桩、 钢板模拟承台和浅基础, 在干砂地基中进行了高桩基础、 低桩基础 和浅基础模型试验, 研究了彼此之间的联系和区别; Patka和 Naborozykn 室内砂 槽模型和现场实测研究结果表明,带台桩和无台桩相比承载力可提高 30%一 -60%, 并提出了采用群桩效

7、率系数和沉降比来评价或估计群桩承载力和沉降量 的经验方法; Poulos 等人在 20世纪 60年代用弹性理论中的 Mindlin 应力解对群桩 沉降进行了理论研究, 80年代利用 Mindlin 公式提出了桩与地基土共同作用分析 的弹性理论法,推动了桩土与上部结构和基础共同作用研究的发展。我国对于群桩的研究始于上世纪 50年代末期, 在研究深度和广度方面都有较 大进展, 而且在原型试验研究等方面超过了国外。 我国的研究工作主要从试验研 究开始, 不仅进行了室内外模型群桩试验, 而且还进行了大规模野外大型群桩试 验。 上世纪 80年代初期, 黄委会山东河务局进行了接近真型的现场缩尺桩基试验,

8、涉及到关于桩台共同工作的内容相当丰富, 为开展桩土共同作用机理的研究提供 了可靠的资料, 介绍了山东河务局进行现场试验的分析结果:在一定条件下, 桩 侧阻发生“沉降硬化”和“沉降软化 " 现象,承台对侧阻起“削弱效应”,对端 阻起“增强效应”。赵锡宏教授等通过对上海地区大量实测资料的分析,认为只 要桩筏最大承载力大于建筑物上部荷载, 桩筏基础共同承担荷载的传递过程实质 上是桩与地基土承载力逐步发挥的过程, 其荷载分配过程与土的固结即孔隙水压 力的消散相联系,并随地基土固结或孔隙水压力的消散而趋于稳定 241。冯国 栋、 刘祖德教授也认为桩筏共同承载条件随着沉降的增加存在从量变到质变的

9、转 化, 提出了在不同地层与几何条件下桩间土分担基础荷载的判定依据瞳 51。 王明 恕等认为由于桩身混凝土的弹性模量比筏底地基土压缩模量高, 桩顶荷载传递到 地基深处, 筏底地基土经压缩下传的荷载比桩下传的荷载小, 桩端压应力下传扩 散重叠后与桩间土压力叠加,使桩能够“超前传递荷载 " ,即建筑物荷载首先由 桩承担,桩间土分担的荷载随荷载水平的提高而趋于某一常数与此观点相对应, 杨克己教授认为桩筏共同作用中, 桩间土在受荷过程中存在滞后作用, 桩间土分 担荷载随外荷载水平的提高而加大, 且主要发生在 50%复合桩基极限荷载之后心 71。 桩土荷载传递和荷载分担方面的不同结论反映了桩土

10、相互作用的复杂性, 是 结构、基础和复合桩基共同作用的综合反映。对于复合桩基的桩土荷载分担比, 姚仰平等通过对黄土地区高层建筑框剪结构一桩一筏一地基的共同工作原位实 测结果进行分析, 揭示了基桩的桩顶反力和筏底土反力的大小及其分布规律, 实 测结果表明, 桩间土分担荷载比例达 28. 6%以上, 且随着上部结构荷载的增加, 土分担的荷载比例降低心引; 国外的法兰克福大楼陋卅采用桩筏基础, 建筑物有 效总重量为 1700MN , 设计筏底地基土分担总荷载比例为 67%, 实际加荷为总荷载 的 30%、 50%和 65%时, 筏底地基土分担总荷载的比例分别为 39%、 29%和 25%, 可以看出

11、, 筏底地基土分担总荷载的比例与原设计相差很大, 也说明了复合桩基 中桩土共同承担荷载的复杂性。 对于复合桩基的沉降变形, 刘金砺等阳町通过对 粉土和软土中不同桩距、不同桩长原型与模型群桩在竖向荷载作用下的变形试 验, 结果表明均匀土层中群桩变形性状随桩距而变化, 桩间土压缩变形所占比率 随桩距增大而增大,桩端平面以下整体压缩变形和压缩深度随桩距增大而减小。 佟世祥 m1认为对于大间距的小群桩, 桩间土压缩量占总沉降的 95%, 且集中在承台下三分之一桩长范围内, 实质上是由承台底附加应力引起的。 关于复合桩基沉 降计算,国内外常用的理论分析方法有:(1弹性理论法弹性理论法由 Poulosb

12、等人于上世纪 60年代提出,在对单桩进行分析的基础 上, 根据弹性理论应力叠加原理, 把弹性介质中两桩的分析结果通过 “相互作用 影响系数”扩展到一组群桩中。 Geddes , J . D .口铂基于 Mindl in 解得到单桩荷 载下由桩端阻力、 桩侧均布摩阻力和三角形分布摩阻力引起的土中任一点的应力 计算式, 刘金砺等对 Geddes 解进行了改进, 得到可考虑桩径影响的三个影响系数, 尚守平、 杜运兴在求解桩侧摩阻力与桩端阻力时考虑了桩的弹性压缩, 艾智勇利 用 Hankel 积分导出了层状地基中的 Mindlin 解。 将弹性理论法与有限元法相结合, 可进行群桩相互作用分析,如中国建

13、筑科学研究院 PKPM 系列软件中的 ZJ 、 SFS 程 序 H ¨、南京工业大学 SRPSFL 程序瞄引、湖南大学 SPB(R FIA程序、澳大利亚悉 尼大学的桩筏岩土工程分析程序 GARAP6等 m1。(2剪切位移法剪切位移法由 Randolphn3L 1等人于上世纪 70年代提出,与弹性理论法一 样, 也是从两根桩相互作用的情况入手, 分析桩土相互影响, 然后再扩展到群桩 分析中; 与弹性理论法不同的是该法在桩长方向采用解析方法, 建立群桩的柔度 系数矩阵,分析群桩桩土相互作用。(3有限单元法它是在计算机技术兴起后逐渐发展起来的一种计算方法, 计算时首先把复合 桩基离散成不同

14、的桩单元和土单元, 单元之间仅靠节点联系, 通过计算不同单元 的力和位移,对复合桩基进行分析,它可模拟土的非线性和各向异性 1。 1971年 E1liyon , R . D . 分析了平面条件下桩的荷载与变形, Desai , C . S . 、 Trochanics, At Chow, Y . K .等人先后对桩土相互作用进行三维非线性有限元分析, 2001年 Prakoso . W . A .对桩筏基础进行了线弹性和非线性有限元分析,陈仁朋等采用 复合单桩法简化筏底群桩, 降低了桩筏基础有限元分析的规模。 (4半解析半数 值法该方法是近年来发展较快的一种分析方法, 它是在有限元的基础上,

15、将空间 域沿某个方向离散, 进行多项式插值, 在另两个方向引入解析函数族, 从而将高 维问题降为一维问题, 其中荷载传递法和有限层法是两种常用的分析方法。 荷载 传递法由 Seed &Reese 根据试验结果提出,将桩离散成许多单元,每一单元与一 “弹簧” 相连, 表示桩土联系, 由桩土之间应力与应变关系形成传递函数; Chow将传递函数和弹性理论相结合, 研究了桩土之间的相互影响; 王旭东对 f y 曲线 进行了修正, 较好地反映了桩侧土的非均质性和非线性; 国内对传递函数法的研 究还有很多, 均取得了较好的成果。 Small 和 Booker 提出了有限层分析方法, Lee 采用有

16、限层方法分析了非均质、 各向同性和正交各向异性土层中单桩轴向受荷情 况, 张问清、 宰金珉等对有限层方法进行了拓展, 可以计算任意力系作用下层状 各向同性的半空间,梅国雄对固结有限层理论进行了研究。目前,国外的J . C . Small 和 L . D . Ta 等用该方法对桩筏基础进行分析,能够对不同桩径、不 同桩长和不同桩距桩筏基础的工作性状进行研究, 实现桩筏基础的优化设计。 对 于大桩距复合桩基,宰金珉汹 1根据大尺寸模型试验和非线性数值分析,形成桩 土荷载分担明确的整体承载力与沉降量双重控制的复合桩基设计方法; 导出了复 合桩基承台底土的极限承载力由于桩的遮帘作用而获得提高的理论解,

17、 同时对复 合桩基的沉降量进行了研究; 采用塑性支承桩概念设计理念将复合桩基应用于南 京建筑工程学院图书馆, 取得了良好的经济效益。 杨敏教授对大桩距复合桩基进行了研究, 并在上海进行了应用。 郑刚教授通过对天津地区大桩距复合桩基的试 验研究, 提出了复合桩基承载力设计方法, 分析了复合桩基安全度, 并在天津市 进行了工程应用。 刘利民等将有限元和无限元相结合, 分析了复合桩基的侧阻力 和发挥效率。综合以上研究成果,复合桩基的工作性状如下:(1复合桩基中桩对减少基础沉降效果明显,但增减少量的桩对基础沉降影 响很小; 对于均质土, 当达到一定的 L /D 时, 再增大桩长对减少沉降效果不明显;

18、(2复合桩基中桩土共同承担基础荷载,桩土荷载分担比与基础型式、桩距 和上部结构形式有关;(3增大桩距会改变复合桩基中的桩土反力分布,加大基础沉降;(4上部结构刚度对基础的平均沉降几乎没有影响,但可减少差异沉降,它 对桩土反力分布和基础内力分布有影响;(5基础对复合桩基中桩身上部侧摩阻力有削弱作用,随桩距、桩长和基础 形式而变化。1. 2刚性桩复合地基工作性状研究现状刚性桩复合地基因具有承载力高和变形小的特点被广泛地应用于地基处理 工程中, 刚性桩复合地基的设计思想由中国建筑科学研究院黄熙龄院士提出, 并 于 1992年开发成功的 CFG 桩复合地基成为最早的刚性桩复合地基。 之后, 阎明礼、

19、吴春林、 张东刚等对 CF6桩复合地基进行了系统的研究, 阎明礼对 CFG 桩的作用机 理、设计方法进行了全面的阐述,吴春林等讨论了 CFG 桩复合地基承载力简易计 算方法, 并在工程中进行了应用, 张雁对复合地基性状进行了分析。 褥垫层技术 是刚性桩复合地基的核心技术, 杨军对褥垫层的作用进行了讨论, 阎明礼研究了 CFG 桩复合地基褥垫层,王长科考虑了基础一垫层一复合地基共同工作时垫层的 调整作用, 娄国充考虑了带垫层复合地基各部分的工作特性和相互影响, 李宁用 数值方法对复合地基中褥垫层的作用机理进行了研究, 刘润分析了带褥垫层复合 地基的作用机理, 并进行了现场试验, 毛前、 化建新也

20、对褥垫层的作用进行了讨 论。 随着建筑物对地基承载力要求的增高, CFG 桩复合地基己不能满足工程要求, 复合地基中桩体强度由低向高逐渐增大,刚性桩复合地基逐渐由 CFG 桩转变为低 标号素混凝土桩和普通素混凝土桩。 傅景辉推导出桩端土层为文克尔地基时桩土 应力比的计算公式, 郑刚教授讨论了刚性桩复合地基承载力检验方法, 刘妍对刚 性桩复合地基的工作性能进行了研究, 李宁础采用数值试验模型对复合地基相 互作用机理、 荷载传递性状及附加应力分布进行了有限元分析, 邢仲星采用平面 三角形单元和邓肯一张模型对刚性复合地基进行了有限元分析, 温晓贵对复合地 基进行了三维数值分析,韩煊等对复合地基中群桩

21、相互机理进行了数值试验研 究。对于群桩刚性桩复合地基,池跃军、宋二祥、金淮等对刚性桩复合地基应力 场分布进行了试验研究, 宋二祥等提出了一种分析刚性桩复合地基一筏板基础相 互作用体系内力和变形的实用方法,该方法将筏板基础划分为 Mindlin 板单元, 桩一土体系的支撑刚度利用 Boussinnesq 解和 Mindlin 解及有限压缩层模型确定, 对垫层则近似用分布弹簧模拟, 梁发云等也对竖向荷载作用下筏板基础刚性桩复 合地基进行了数值分析。 刘奋勇等通过现场试验, 对混合桩型复合地基进行了研 究; 葛忻生等用有限元方法对长短桩复合地基进行了分析, 并对长短桩复合地基 设计计算方法进行了探讨

22、; 陈龙珠等通过长短桩复合地基现场测试, 对长短桩复 合地基在高层建筑中的应用进行了试验研究;之后,梁发云等基于虚拟桩模型, 采用积分方程法对混合桩型复合地基进行分析,以 Winkler 分布弹簧模拟垫层的作用, 建立求解所需的第二类 Fredholm 积分方程组, 通过数值计算得到包括垫层 压缩量、 桩土荷载分担、 沿桩身的荷载传递特性以及地基土应力分布等主要性状, 用有限元方法和试验结果验证了该方法的正确性, 并考察了桩长对复合地基性状 的影响。 对于刚性桩复合地基承载力计算, 文献认为桩体复合地基承载力计算通 常是先确定桩体承载力和桩间土承载力, 然后根据一定的原则叠加这两部分承载 力再

23、得到复合地基承载力。 对于刚性桩复合地基沉降计算, 通常把复合地基沉 降量分为两部分, 即复合地基加固区压缩量和下卧层压缩量, 对于复合地基褥垫 层的压缩量,通常认为在施工过程中已经基本完成,因此,可以忽略不计。复合 地基加固区土层的压缩量计算方法主要有:复合模量法 (Ec法 、应力修正法 (Es法 和桩身压缩量法 (ED法 ,其中,复合模量法应用较多。在复合模量法中,将 加固区中桩体和桩间土两部分视为一复合土体,采用复合压缩模量 Ecs 来评价复 合土体的压缩性, 并采分层总和法计算加固区土层的压缩量。 加固区下卧层土层 压缩量的计算通常采用分层总和法, 在工程应用上作用在下卧层上的荷载常采

24、用 下述三种方法计算:压力扩散法、 等效实体法和改进 Geddes 法。 采用压力扩散法 时, 要注意复合地基中压力扩散角与双层地基中压力扩散角的数值是不同的; 采 用等效实体法计算时, 要注意对侧摩阻力值的选用; 特别当桩土相对刚度比较小 时, 侧摩阻力值变化很大, 选用比较困难。 复合地基的沉降计算也可采用有限元 法,在几何模型处理上大致可分为两类:一是把单元分为增强体单元 (或桩体单 元 和土体单元,并根据需要在增强体单元和土体单元之间设置或不设置界面单 元; 二是把单元分为加固区复合土体单元和非加固区土体单元, 复合土体单元采 用复合材料。综合以往研究成果,刚性桩复合地基具有以下特点:

25、(1刚性桩复合地基具有承载力高、沉降变形小的特点;(2刚性桩复合地基在荷载传递上具有桩体上部为负摩阻,桩体下半部分为 正摩阻;(3刚性桩复合地基能很好地将桩顶荷载向深部地基传递,通过增大桩长, 减小下卧层沉降量可以降低复合地基沉降量:(4刚性桩复合地基承载力和变形与基础型式、 上部结构刚度、 场地质条件、 复合地基布桩方式有关;(5刚性桩复合地基承载力和沉降分析方法可采用复合模量法、应力修正法 和桩身压缩量法, 也可采用有限元法、 数值分析法, 各种沉降计算方法的精度均 有待完善。(6采用混合桩复合地基和长短桩复合地基可对刚性桩复合地基进行优化, 对刚性桩复合地基进行优化和按沉降控制设计理念对

26、刚性桩复合地基进行设计 是今后复合地基发展的一个方向。1. 3桩顶预留净空复合桩基工作性状研究现状针对框架 (或外框内筒、 框架剪力墙 结构建筑物经常出现边柱沉降小、 中柱 或内筒沉降大的情况, Fleming 等 玎于 1990年首次提出了在边柱下设置具有一定 模量的可压缩垫块, 使边柱产生较大的沉降, 从而减小边柱与内柱的沉降差。 提 出这样的概念后,国内外再未见进一步的研究文献发表,直到 1998年, Cao 等针 对地震区或可能承受较大风荷载的减少沉降量桩基, 为减少桩身过高的竖向应力 和水平荷载,提出了将桩脱离筏板一定高度 (称为 disconnected pile的做法 , 并进行了放置在硬粘土上桩筏基础的筏板一桩一土相互作用分析。 研究表明, 当 桩顶与筏板脱离一定高度时,桩对减少筏板沉降和弯矩的作用并没有显著变化,而作用在桩顶上的水平力则相应减小。之后，Cao、Wong，IH等于2004年进 行了离心模型试验，研究了桩筏脱离情况下不同桩长、不同布桩方式筏板一桩一 土的相互作用，研究成果表明，桩身上