刚性桩复合地基变厚径比设计

1、长短刚性桩复合地基桩、土承载性状与厚径比相关关系试验研究佟建兴，孙训海，杨新辉，王明山，罗鹏飞(中国建筑科学研究院地基基础研究所，北京 100013)摘 要：通过室内模型试验，实测得到了在等厚径比条件下，长短刚性桩复合地基长桩、短桩、桩间土的承载力发挥系数，得到了长桩、短桩、桩间土承载性状与厚径比的相关关系，长短刚性桩复合地基采用等厚径比，使长桩、短桩和桩间土承载力都得到充分发挥是很困难的，且短桩承载力发挥较长桩更为充分。在等厚径比试验结果基础上，对长短刚性桩复合地基变厚径比设计进行了研究探讨，认为长短刚性桩复合地基宜采用变厚径比设计，降低长桩厚径比、提高短桩厚径比，让长桩厚径比小于短桩。变厚

2、径比设计可采用等褥垫厚度变桩径（长桩桩径取大值）或等桩径变褥垫厚度（长桩选用较薄褥垫）来实现。关键词：长短桩；刚性桩复合地基；承载力发挥系数；厚径比；变厚径比设计中图分类号： 文献标识码： 文章编号：作者简介：佟建兴（1974），男，河北徐水人，博士，副研究员，现在中国建筑科学研究院地基基础研究所从事地基处理领域研究开发工作。Experimental study on pile soil bearing behavior and thickness-diameter ratio of long short pile composite foundationTONG Jian-xing, SUN

3、 Xun-hai, YANG Xin-hui, WANG Ming-shan, LUO Peng-fei(Institute of Foundation Engineering,China Academy of Building Research, Beijing 100013,China)Abstract: The bearing behavior such as long pile, short pile, load share ratio of soil between piles, pile-soil stress ratio and mobilization factor of be

4、aring capacity are measured in the indoor model tests of piles with constant thickness-diameter ratio. The bearing capacity of long pile, short pile and the soil between piles cannot be fully mobilized at the same time. Besides, the bearing capacity of short pile is mobilized more than that of long

5、pile. On the basis of the analysis of the constant thickness-diameter ratio test results, the design of long-short rigid pile composite foundation with varying thickness-diameter ratio is investigated. It is believed that varying thickness-diatmeter ratio, reduction of thickness-diameter of long pil

6、e and increase of thickness-diameter of short pile is suitable for the long-short rigid pile composite foundation. The varying thickness-diameter ratio can be realized by constant cushion thickness and varying pile diameter, in which the diameter of long pile is bigger. Otherwise it can be realized

7、by constant pile diameter and varying cushion thickness, in which the thinner cushion of long pile is selected.Key words: long short pile; rigid pile composite foundation; mobilization of bearing capacity; thickness-diameter ratio; varying thickness-diameter ratio design0 引 言复合地基中的竖向增强体习惯上称为桩，由两种或两种

8、以上桩型组成的复合地基称为多桩型复合地基。随着复合地基技术的发展和完善，基于对桩体在复合地基中荷载传递机理和变形控制的认识深入，2000年以来，多桩型复合地基开始常见于国内工程应用中，解决了某些情况下单一桩型复合地基所不能解决的问题，取得了良好的社会效益、经济效益和环境效益1-2。复合地基承载力由桩承载力和桩间土承载力组成，它的大小取决于桩和桩间土承载力的发挥。当荷载达到复合地基承载力特征值时，定义复合地基中桩承担荷载与单桩承载力特征值之比为桩承载力发挥系数，以表示；桩间土承担荷载与桩间土承载力特征值之比为桩间土承载力发挥系数，以表示。则有式（1）、式（2）： （1） （2）式中，Ra为单桩承

9、载力特征值（kN）；fsk为加固后桩间土承载力特征值（kPa）；Pp、ps分别为复合地基达到承载力时桩受的集中力（kN）和桩间土受的应力（kPa）。通常，对于单一桩型刚性桩复合地基，承载力可用式（3）表示： （3）式中，fspk为复合地基承载力特征值（kPa）；Ap为桩的截面积；A为单根桩承担的面积（m2）；As为桩间土面积（m2）；m为面积置换率。对于多桩型刚性桩复合地基，曾提出如下承载力计算公式1-5： （4）式中，fspk为复合地基承载力特征值（kPa）；fsk为加固后桩间土承载力特征值（kPa）；Ra1、Ra2分别为主控桩、辅桩单桩承载力特征值（kN）；Ap1、Ap2分别为主控桩、辅桩

10、的截面积（m2）；m1、m2分别为主控桩、辅桩的面积置换率；1、2、分别为主控桩、辅桩、桩间土承载力发挥系数。式（3）、式（4）中通过定义桩和桩间土承载力发挥系数，考虑了复合地基工作状态下桩和桩间土承载力发挥程度。复合地基达到承载力特征值时，桩和桩间土同时达到各自的承载力特征值是最理想的，此时=1（单一桩型）或1=2=1（多桩型）。问题是桩和桩间土承载力发挥系数与哪些因素有关，复合地基中桩、桩间土承载力发挥有何特点，如何调整复合地基参数来发挥桩的承载力，什么条件下才能保证桩和桩间土同时接近或达到各自的承载力特征值。试验表明6-9，足够刚度基础下，桩、桩间土承载力发挥系数与复合地基设计参数桩长、

11、桩径、桩距、褥垫厚度和桩间土性状等有关，其中，褥垫厚度与桩径之比（定义为厚径比）对桩、桩间土承载力发挥影响尤为显著。本文通过室内模型试验，实测得到在文中试验条件下，长短刚性桩复合地基的长桩、短桩、桩间土承载性状，给出长短刚性桩复合地基的长桩、短桩、桩间土承载力发挥与厚径比的相关关系，探讨长短刚性桩复合地基变厚径比设计思路。1 模型试验概述模型试验地点为中国建筑科学研究院地基基础研究所模型试验室，试验在人工填土地基中进行。试坑挖至-3.0m原状土层，回填土采用粘质粉土，过筛分层回填并用木夯夯实，控制含水量为16%，按每层虚铺25cm、夯实至20cm控制。取原状土和回填土做试验，测得土的物理力学指

12、标见表1。表1 土的基本物理力学指标Table 1 the basic physical mechanical properties of soil深度（m）比重G密度(g/cm3)干密度d(g/cm3)含水量w(%)孔隙比e液限Wl(%)塑限Wp(%)塑性指数Ip(%)压缩系数12(MPa-1)压缩模量Es(MPa)土性0.03.02.71.831.5815.80.71325.716.98.80.286.58粘质粉土3.03.52.72.021.6721.20.62024.816.28.60.1312.46粘质粉土试验内容包括天然地基载荷试验1台、CFG桩单桩载荷试验4台、单一桩型CFG桩复

13、合地基载荷试验4台、长短CFG桩复合地基载荷试验4台。长桩桩长为3.2m，短桩桩长为1.6m，桩径为150mm，桩身混凝土强度等级为C25，桩间距为3.5倍桩径，正方形布桩，采用人工洛阳铲成孔、灌注预拌混凝土并用振捣棒捣实成桩，养护龄期28天。挖槽铺设褥垫层形成侧限条件，铺设面积与承压板面积相同。褥垫层材料选用中、粗砂，过筛后以相同落距落下，夯填度按0.85控制。1-1#、1-2#、4-1#试验褥垫层厚度为10cm，1-3#1-7#试验褥垫层厚度分别为5cm、10cm、20cm、40cm和50cm。褥垫层铺设完毕后，承压板就位。用振弦式压力盒量测复合地基桩顶及桩间土应力，采用刚性变形标量测桩及

14、桩间土变形。用数据采集仪采集数据。先对天然地基和各单桩逐一进行加载，直至破坏，最后进行单一桩型复合地基和长短桩复合地基载荷试验。主要试验内容及参数见表2。表2 模型试验内容及参数Table 2 Model test programme and parameters试验分类试验编号试验类型承压板尺寸(m2)桩长（m）褥垫厚度(cm)天然地基4-2#天然地基1.575×1.575/单桩1-8#单桩/1.6/1-9#单桩/1.6/1-10#单桩/3.2/1-11#单桩/3.2/单一桩型复合地基1-1#4桩复合地基1.05×1.051.6101-2#4桩复合地基1.05×

15、1.053.2101-7#4桩复合地基1.05×1.053.2504-1#9桩复合地基1.575×1.5753.210长短桩复合地基1-3#长短4桩复合地基1.05×1.051.6、3.251-4#长短4桩复合地基1.05×1.051.6、3.2101-5#长短4桩复合地基1.05×1.051.6、3.2201-6#长短4桩复合地基1.05×1.051.6、3.2402 试验结果分析2.1 天然地基、单桩、复合地基载荷试验图1为CFG桩单桩荷载-沉降曲线，1.6m短桩、3.2m长桩单桩承载力特征值分别为12.5kN、25kN。图2为天

16、然地基和单一桩型CFG桩复合地基荷载-沉降曲线，按相对变形值s/b=0.01确定承载力特征值10-11，天然地基、1-1#、1-2#、1-7#和4-1#试验承载力特征值分别为110kPa 、138kPa、182kPa、127kPa、175kPa。图1 单桩Q-s曲线Fig. 1 Q-s curves of single pile图2 天然地基、单一桩型复合地基p-s曲线Fig. 2 p-s curves of natural and composite foundation本次试验长短CFG桩复合地基荷载-沉降曲线见图3，按相对变形值s/b=0.01确定复合地基承载力特征值见表3。可以看出，随

17、着褥垫层厚度增加，长短桩复合地基承载力降低。图3 长短CFG桩复合地基p-s曲线Fig. 3 p-s curve of long short CFG pile composite foundation表3 长短桩复合地基厚径比、承载力特征值Table 3 Bearing capacity characteristic value and thickness-diameter ratio of long short pile composite foundation试验编号褥垫厚度（cm）桩径（mm）厚径比fspk（kPa）1-3#51500.3331771-4#101500.6671621-5

18、#201501.3331521-6#401502.6671332.2 单一桩型复合地基桩、土承载力发挥表4给出了不同厚径比条件下，单一桩型刚性桩复合地基达到其承载力特征值时，桩、桩间土承载力发挥系数。表中MD-1#、MD-3-4#、5#均为室内模型试验2,6，4#楼为工程实测12。表4 单一桩型刚性桩复合地基桩、土承载力发挥系数Table 4 Pile soil bearing capacity mobilization factor of rigid pile composite foundation试验编号褥垫厚度(cm)桩径（cm）厚径比MD-1#62150.1332.070.674#楼

19、121541.50.3611.060.881-1#10150.6670.801.061-2#10150.6670.811.095#210150.6670.681.15MD-3-4#610150.6670.811.014-1#10150.6670.901.051-7#50153.3330.371.11可以看出：厚径比越大，桩承载力发挥系数越小；当厚径比0.361时，桩承载力能够充分发挥，桩间土承载力不能充分发挥，如厚径比为0.133时，达到2.07，达到自由单桩的极限承载力，而仅为0.67；厚径比0.667时，桩间土承载力都能充分发挥，桩承载力发挥系数均小于1；当厚径比等于3.333时，桩承载力

20、发挥系数只有0.37。图4 单一桩型复合地基桩、土承载力发挥与厚径比关系曲线Fig. 4 Relation between mobilization of pile soil bearing capacity and thickness diameter ratio图4为单一桩型刚性桩复合地基达到其承载力特征值时，桩、桩间土承载力发挥系数与厚径比关系曲线。可以看出，褥垫厚度增加即厚径比增加，桩间土承载力发挥系数提高；桩承载力发挥系数减小。单一桩型刚性桩复合地基最佳厚径比为0.40.6之间；厚径比在此范围内为0.820.98，为0.931.06。2.3 长短桩复合地基桩、土承载力发挥表5给出了不

21、同厚径比条件下，长短CFG桩复合地基荷载水平达到其承载力特征值时，长桩、短桩和桩间土承载力发挥系数。表5 长短CFG桩复合地基桩、土承载力发挥系数Table 5 Pile soil bearing capacity mobilization factor of long short CFG pile composite foundation试验编号褥垫厚度（cm）桩径（cm）厚径比121-3#5150.3331.541.710.611-4#10150.6670.650.961.171-5#20151.3330.490.711.081-6#40152.6670.400.670.91可以看出，等厚

22、径比下，长短桩复合地基荷载达到其承载力特征值时，长桩、短桩和桩间土承载力不能同时得到充分发挥（接近、达到或稍高于其承载力特征值），且短桩承载力发挥较长桩更为充分。厚径比为0.333时，长桩和短桩承载力均出现过量发挥，接近甚至达到其自由单桩极限承载力，桩间土承载力发挥系数仅为0.61；厚径比为0.667时，长桩、短桩承载力发挥系数分别为0.65和0.96，桩间土承载力发挥系数为1.17，短桩承载力发挥适宜，桩间土承载力发挥充分，而长桩承载力仍有较大发挥空间；厚径比1.333时，长桩、短桩承载力发挥系数均较低，桩的承载能力均未得到充分发挥。图5为长短桩复合地基荷载水平达到其承载力特征值时，长桩、短

23、桩和桩间土承载力发挥系数与厚径比关系曲线。可以看出，等厚径比下，长短CFG桩复合地基适宜的厚径比应在图中粗线范围内，为0.50.6之间。在此范围内，长桩承载力发挥系数1为0.750.98，短桩承载力发挥系数2为1.041.25，桩间土承载力发挥系数为0.981.12。图5 长短桩复合地基桩、土承载力发挥与厚径比关系曲线Fig. 5 Relation between mobilization of pile soil bearing capacity and thickness diameter ratio通过上述长短桩复合地基桩、土承载力发挥与厚径比相关关系的分析，长、短桩复合地基采用等厚径比

24、，当长短桩复合地基荷载达到其承载力特征值时，可以得出以下三点认识：（1）厚径比为0.50.6下，桩间土承载力发挥适宜，短桩承载力出现过量发挥，长桩承载力仍有较大发挥空间；（2）调整厚径比大小使得长桩、短桩和桩间土承载力都得到充分发挥是很困难的；（3）短桩承载力发挥较长桩更为充分。3 长短刚性桩复合地基变厚径比设计综上所述，长短刚性桩复合地基采用等厚径比下，长桩、短桩和桩间土承载力不能同时得到充分发挥；厚径比为0.50.6下，桩间土承载力发挥适宜，短桩承载力出现过量发挥，而长桩承载力仍有较大发挥空间。不妨对长桩和短桩采用不同厚径比的变厚径比设计，即降低长桩厚径比、提高短桩厚径比，让长桩厚径比小于

25、短桩，使长、短桩承载力均能得到较好的发挥。长短桩复合地基变厚径比设计主要有两种思路：一是褥垫层厚度一定，通过长、短桩采用不同桩径来改变厚径比；二是桩径一定，长桩、短桩分别采用不同厚度褥垫层，改变厚径比。此外，长桩、短桩也可分别采用不同的褥垫层厚度和桩径，来改变厚径比。图6（a）为按变褥垫层厚度设计的长短刚性桩复合地基示意图。图中d为长桩和短桩直径，H1、H2分别为为长桩和短桩处理面积范围内褥垫层厚度。也可按图6（b）简化设计。 （a）按长、短桩处理面积变褥垫层厚度（b）仅短桩桩顶变褥垫层厚度图6 变褥垫层厚度长短刚性桩复合地基示意Fig 6 Schematic diagram of long

26、short rigid pile composite foundation with varying cushion thickness图7（a）为按变桩径设计的长短刚性桩复合地基示意图。图中H为褥垫厚度，d 1、d 2分别为长桩和短桩直径。此外，如图7（b）所示，褥垫层厚度一定，长、短桩桩径相同，但是长桩为带帽桩，通过增大桩顶截面面积获取较小厚径比，也属于变桩径设计。 （a）长、短桩桩径不同（b）桩径相同、长桩带帽图7 变桩径长短刚性桩复合地基示意Fig. 7 Schematic diagram of long short rigid pile composite foundation wi

27、th varying pile diameter4 结论本文以模型试验为基础，对长短刚性桩复合地基桩、土承载性状与厚径比相关关系进行了研究。在本文试验条件下，得到以下几点主要结论：（1）单一桩型刚性桩复合地基最佳厚径比为0.40.6之间；厚径比在此范围内，荷载达到复合地基承载力特征值时，有=0.820.98，=0.931.06。（2）足够刚度基础下，长短刚性桩复合地基的厚径比对长桩、短桩、桩间土承载性状影响非常显著。（3）长短刚性桩复合地基采用等厚径比，使长桩、短桩和桩间土承载力都得到充分发挥是很困难的，且短桩承载力发挥较长桩更为充分；厚径比为0.50.6下，荷载达到复合地基承载力特征值时，有

28、1=0.750.98，2=1.041.25，=0.981.12。（4）为使长桩、短桩、桩间土承载力均得到充分发挥，长短刚性桩复合地基宜采取变厚径比设计，降低长桩厚径比、提高短桩厚径比，让长桩厚径比小于短桩。变厚径比设计可采用等褥垫厚度变桩径（长桩桩径取大值）或等桩径变褥垫厚度（长桩选用较薄褥垫）来实现。本文提出的长短刚性桩复合地基变厚径比设计方法、参数、施工及检测等，将另文进行深入讨论。参考文献：1 闫明礼，张东刚，CFG桩复合地基技术及工程实践（第二版）M，中国水利水电出版社，2006. (YAN Ming-li, ZhANG Dong-gang. CFG pile composite fo

29、undation technology and engineering practice M. 2nd ed. Beijing: China Water Power Press, 2006. (in Chinese)2 王明山，复合地基桩土承载力发挥系数的研究D，中国建筑科学研究院，2005. (WANG Ming-shan. Study on the effect of piles and soil in composite foundationD. Beiing: China Academy Of Building Research, 2005. (in Chinese)3 闫明礼，王明山

30、，闫雪峰，张东刚，多桩型复合地基设计计算方法探讨J，岩土工程学报，2003(5):352-355. (YAN Ming-li, WANG Ming-shan, YAN Xue-feng, ZhANG Dong-gang. Study on the calculation method of multi-type-pile composite foundationJ. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2003(5): 352-355. (in Chinese)4 闫明礼，王明山，闫雪峰，张东刚，对“多桩型复合地基设计计算方法探讨”讨论的答

31、复J，岩土工程学报，2003(6):770-771. (YAN Ming-li, WANG Ming-shan, YAN Xue-feng, ZhANG Dong-gang. Closure on “Study on the calculation method of multi-type-pile composite foundation”J. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2003(6):770-771. (in Chinese)5 王明山，王广驰，闫雪峰，等，多桩型复合地基承载性状研究J，岩土工程学报，2005(10):1142

32、-1146. (WANG Ming-shan, WANG Guang-chi, YAN Xue-feng, et al. In-situ tests on bearing behavior of multi-type-pile composite subgradeJ. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2005(10):1142-1146. (in Chinese)6 闫明礼，杨军，吴春林，等，CFG桩复合地基试验研究R，中国建筑科学研究院，1992. (YAN Ming-li, YANG Jun, WU Chun-lin, et al.

33、 Experimental study on CFG pile composite foundationR. Beiing: China Academy Of Building Research, 1992. (in Chinese)7 佟建兴，局部矩形超载下CFG桩复合地基侧向土压力、及桩土承载力发挥与厚径比相关关系试验研究D，中国建筑科学研究院，2007. (TONG Jian-xing. Experimental study on lateral pressure under local rectangle surcharge and relation between thickness-diameter ratio and pile-soil exertion of CFG pile composite foundationD. Beiing: China Academy Of Building Research, 2007. (in Chinese)8 佟建兴，孙训海，闫明礼，等，柔性基础下CFG桩复合地基桩土发挥试验研究J，建筑结构，