刚性桩复合地基应用的几个误区

刚性桩复合地基应用的几个误区闫明礼1 初蕾2 佟建兴1（1.中国建筑科学研究院地基所，北京100013；2.中建一局五公司，100024）提要：本文针对刚性桩复合地基设计常见的几个问题，对足够刚度基础下复合地基的褥垫厚度、桩径和桩体强度的合理选用进行了讨论，并给出了相应的建议，供设计时参考。一、 前言在地基处理工程中刚性桩复合地基应用的越来越多，并取得了很好的经济效益和社会效益。但应用过程中也存在这样或那样的一些误区，比如，认为复合地基的褥垫层越厚越好、桩径越大越好、桩体强度越高越好。实际工程如何选择这些设计参数，对地基处理方案的合理性和经济指标具有明显影响。本文将对几个常见问题加以讨论。二、 几个误区（一）误区之一：褥垫层厚度越厚越好。刚性桩复合地基中，褥垫层具有保证桩土共同承担荷载的重要作用，但有的设计人员在复合地基设计时偏向选用厚褥垫层。认为褥垫层厚度越厚越好。试验表明，褥垫层厚度对桩土承载力的发挥密切相关，褥垫层厚度的选用对复合地基承载力具有显著影响。通常，复合地基承载力可用如下表达式表示：(1)f='1'a+X4sf m^a+人(1-m)f(1)spk A 1A2 skP式中，f-复合地基承载力特征值;spkRa一单桩承载力特征值;A—桩的断面面积；fsk一加固后桩间土承载力特征值；A一一根桩承担的面积；As一桩间土面积；m—面积置换率；人、人一分别为单桩承载力、桩间土承载力发挥系数，并有：人=px=p1 2 1R2f［、P,一分别为复合地基达到承载力时桩受的集中力和桩间土受的应力。由（1）式可知，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。在荷载作用下，复合地基达到承载力时，桩、桩间土同时达到各自的承载力是最理想的。此时入］=入2=1。问题是什么条件下才能保证桩、桩间土同时达到各自的承载力，单桩承载力发挥系数入］、桩间土承载力发挥系数入2、与哪些因素有关？试验表明，足够刚度基础下的刚性桩复合地基，入］、入2与复合地基设计参数桩长、桩径、桩距、褥垫厚度、桩间土性状和基础刚度有关。其中，褥垫厚度与桩径之比（简称厚径比）和基础刚度最为显著。其它条件不变时，基础刚度越小入1越小，厚径比越小入1越大。表1给出了CFG桩复合地基，荷载达到复合地基承载力时桩、土承载力发挥系数。表1足够刚度基础下CFG桩复合地基桩、土承载力发挥系数（当荷载p=fspk时）序号桩数X桩长置换率m褥垫厚cm桩径cm厚径比入11#9X3.2m0.06410150..6670.741.132#9X3.2m0.06410150..6670.821.123#1X1.6m0.06410150..6670.81.064#4X3.2m0.02810150..6670.691.155#1X1.6m0.06450153.3330.371.116#1X3.2m0.0645150.3331.540.617#1X11m0.031204000.5000.871.15由表1可以看出：（1） 厚径比大于0.5时桩间土承载力都能充分发挥（由于桩对土的侧向约束作用，负摩擦区桩起阻止桩间土向下的变形，桩间土承载力发挥系数大于1是正常的）。（2） ）厚径比越大、桩承载力发挥系数越小，当厚径比等于3.33时，桩承载力发挥系数只有0.37。（3） 厚径比小于0.333时桩间土不能充分发挥，发挥系数入2只有0.61，而桩承载力发挥系数远大于1。显然，褥垫厚度对桩、土承载力发挥系数的影响是非常显著的。综合考虑，足够刚度基础下的复合地基，合理的褥垫厚度宜取（0.45〜0.5）d（d为桩径）。（二）误区之二：桩径越大越好对刚性桩而言，桩长一定时，桩径越大桩侧面积越大，桩侧阻力越大，单桩承载力也就越高。此外，桩径大、桩的断面面积大，荷载一定时，桩体强度要求不高。桩径小桩侧面积小、单桩承载力小，桩体强度要求高。显然单纯考虑承载力的大小，桩径越大越好。但工程应考虑以下几个方面的因素：（1）单方混合料提供的承载力的大小通常桩径越小比表面积越大，单方混合料提供的承载力也越高。表2给出了相同桩长、不同桩径、不同桩数、混合料总方量相同条件下单方混合料提供的承载力。计算时，桩的侧阻特征值为30kPa,桩的端阻特征值为500kPa。表2不同桩径单方混合料提供的承载力序号桩径（m）桩长（m）桩数单桩方量（m3）总方量（m3）总承载力（KN）单方混合料承载力（KN/m3）1210131.431.420410650211047.8531.439250125030.510161.9631.476930245040.410251.2631.4957703050由表2可以看出，桩径越小、单方混合料提供的承载力也越高。桩径越小、经济性越好。（2）桩土共同工作性状刚性桩复合地基中，桩对桩间土具有侧向约束作用，与无桩条件下的地基相比，这种作用使

得桩间土侧向变形减少，桩间土的竖向变形也就相应减小，即桩的存在，使得桩间土承载力会有所提高。桩对桩间土的约束作用与基础下桩的数量有关，桩数越少桩对桩间土的约束作用越小。比如，基础面积为50m2,如果选用表2所示的设计参数，桩径越小、桩数越多，桩对桩间土约束作用越好，表2中桩对桩间土的约束作用从序号1到序号4逐次增大。刚性桩复合地基中，由于褥垫层的设置，桩和桩间土都能充分发挥作用，通常，桩顶应力大于桩间土应力，由于桩的变形模量远大于桩间土的模量，距桩顶深度为z的桩长范围桩间土的位移大于桩的位移，即存在一个负摩擦区（如图1所示）。负摩擦区对桩受力是不利因素，对桩间土是阻止土向下变形的力，是有利因素。由于复合地基是桩土共同承担荷载，负摩擦区的综合效应对复合地基变形是有利的。显然，基础面积一定时，桩径越小、桩数越多，桩对桩间土向上的作用力越大。此外，桩径越大，褥垫厚度也越大。若桩径太小，施工质量不容易控制，或桩体强度要求偏高。z图1负摩擦区示意图综上所述，刚性桩桩径取350mm~600mm为宜。某些情况，比如框架〜筒体结构，核心筒荷载很大，用600mm桩径桩身强度不能满足荷载要求时，z图1负摩擦区示意图（三）误区之三：桩身强度越高越好复合地基中刚性桩的承载力与桩长、桩径桩侧桩端土的性状和桩体强度相关，通常，桩体不发生破坏（桩体强度满足要求）的前提下，桩越长、桩径越大、桩侧桩端土越好，桩的承载力越高。当桩长、桩径一定、桩体不发生破坏时，桩的承载力只与桩侧桩端土的性状有关，即桩的侧阻、端阻越大，桩的承载力越高。图2是相同桩长、相同桩径不同桩体强度条件下单桩复合地基静载荷试验P~S曲线。其中1#、2#、3#曲线分别代表桩长1.95m桩径150mm桩体强度为2.5MPa、6MPa、10MPa在压缩模量为3MPa的粉质粘土中的试验结果，可以看出，当桩体强度不小于某个数值（对上述试验为2.5MPa）时，增加桩体强度对提高复合地基承载力是无意义的。0p(kPa)402040608010012014016010151#2#3#图2不同桩体强度相同桩长单桩复合地基p~s 曲线比较0520300p(kPa)402040608010012014016010151#2#3#图2不同桩体强度相同桩长单桩复合地基p~s 曲线比较05203035s25因此，桩体强度设计主要是保证建筑物使用荷载条件下，桩体不发生破坏。需要指出的是，桩体强度设计需考虑如下几个因素：（1） 和桩基不同，复合地基承载力可以做深度修正，基础两侧的超载越大（基础埋深越大），深度修正的数量也越大，桩承受的竖向荷载越大，设计的桩体强度应越高。（2） 刚性桩复合地基，由于设置了褥垫层，从加荷一开始，就存在一个负摩擦区，因此，桩的最大轴力作用点不在桩顶，而是在中性点处，即中性点出的轴力大于桩顶的受力。（3） 复合地基检测最大加载量不应小于设计要求压力的2倍，在最大加载压力作用下，桩和土不一定同时达到各自的极限承载力。有可能在未达到最大加载压力桩就已经破坏。综合以上因素，《建筑地基处理技术规范》JGJ79-2002规定，桩体试块（边长15cm立方体）标准养护28d抗压强度平均值不小于3Ra/Ap（Ra为单桩承载力特征值，Ap为桩的断面面积）。如果基础埋深很大，还应考虑深度修正量的大小，根据桩实际受力验算桩体强度是否满足建筑物在使用荷载作用下，保证桩体不发生破坏。三、结语（1） 刚性桩复合地基，桩、土承载力的发挥与褥垫厚度与桩径之比（简称厚径比）和基础刚度密切相关，足够刚度基础下的复合地基褥垫厚