复合地基桩型合理选用

复合地基设计桩型的合理选用一、前言当地基承载力或变形不能满足设计要求时，需做地基处理，复合地基方案在地基处理中用的非常普遍。复合地基的桩型很多，不同的桩型加固机理和加固效果是不同的，实际工程中如何针对设计要求合理选择桩型是方案选择的核心。本文仅就这一问题做一讨论。二、复合地基承载力分析（一）复合地基承载力可用下式表示：，式中，复合地基承载力特征值；天然地基承载力特征值；承载力提高幅度；挤密分量；置换分量。（二）按挤密和振密效果可将被加固土分为：（1）挤密效果好的土（如松散粉土、粉细纱）；（2）可挤密土（如塑性指数较小密度不大的粉质粘土）；（3）不可挤密土（如饱和软粘土、密度大的粘土、砂土）。（三）施工工艺可分为两大类：（1）无振动挤密作用的施工工艺；（2）有振动挤密作用的施工工艺（四）桩体可分为四种：（1）散体桩（如碎石桩）；（2）低粘结强度桩（搅拌水泥土桩、石灰桩等）；（3）中等粘结强度桩（夯实水泥土桩）；（4）高粘结强度桩（CFG桩）。从（1）到（4）桩的置换能力逐次增强。方案选择的实质是根据给定土性和承载力提高幅度，选择施工工艺和桩型：（1）对无振动挤密的施工工艺：挤密分量，承载力提高幅度唯一地取决于置换分量，即，当设计要求的承载力提高幅度较低时，可选择散体桩或低粘结强度桩，当设计要求的承载力提高幅度较高时，可选择中等或高粘结强度桩。（2）对有振动挤密的施工工艺：首先看土性：若土为不可挤密土则有挤密分量，同样承载力提高幅度唯一地取决于置换分量，即，当设计要求的承载力提高幅度较低时，可选择散体桩或低粘结强度桩，当设计要求的承载力提高幅度较高时，可选择中等或高粘结强度桩。（b）若土为可挤密或挤密效果好的土先预估挤密分量（此时认为挤密分量为已知），则置换分量为，当（）较小时可选择散体桩或低粘结强度桩，当（）较大时，可选择中等或高粘结强度桩。三、几种典型地基的桩型选择（一）不均匀地基桩型选择1、人工填土地基（1）压实填土地基在拟建场地遇有鱼塘、采砂坑，且鱼塘、采砂坑中有水、坑底有淤泥的时，通常应按如下方法进行回填处理：抽水→清除淤泥（当淤泥无法彻底清干净时抛石挤淤）→按填方工程分层回填素土夯实或碾压至设计标高。按上述程序施工后，压实填土地基承载力和变形一般可满足多层建筑荷载的设计要求。当建筑物荷载水平较高，预估压实填土地基不能满足设计要求、需进一步做地基处理时，要限定填土材料的粒径不宜过大，避免对地基处理施工带来不利影响。由于压实填土地基不存在湿陷性，也不存在欠固结状态，在压实填土地基上采用复合地基方案是可行的。当要求的复合地基承载力提高幅度较大时，宜首选刚性桩复合地基方案。但工程经常遇到的是拟建场地中的鱼塘或砂坑是随意填起来的，既没抽水，也没清淤，填筑材料也较复杂，有素土、河卵石、建筑垃圾和生活垃圾，回填过程没有进行夯实或碾压。特别是建筑垃圾含有较多的大体积混凝土梁板，不论做地基处理还是做桩基，都会给施工造成很大困难。（2）以建筑垃圾（无大体积混凝土梁板、无生活垃圾）为主要成分的杂填土地基当坑底土较好、坑底标高变化不大、坑底土和填土之间无淤泥时，填土在自重下已经稳定，不存在填土湿陷问题。（a）建筑物基础全部在填土上建筑物荷载比较均匀、荷载水平不高，可选择置换率较大的振冲碎石桩复合地基、柱锤夯扩桩复合地基、复合载体桩复合地基；周围环境允许也可采用强夯或强夯置换复合地基方案。(b)当建筑物基础一部分在填土上、一部分在强度较高的原状土上建筑物荷载比较均匀、荷载水平不高,可选用复合地基，按变形控制确定设计参数和选择桩型，使处理后的填土和原状土两部分承载力和模量基本相同，保证建筑物沉降均匀。为了有效地控制地基变形，宜选用模量较高置换能力强（中高粘结强度桩）的桩型。若建筑物荷载水平较高，坑底土和填土之间有较厚的淤泥，或基础跨填土和原状土两部分，采用复合地基方案有困难时，应采用桩基，复合载体夯扩桩对这样的填土地基具有较好的适用性，可列为首选方案。（3）含有大量生活垃圾的杂填土（无大体积混凝土梁板）地基由于杂填土中生活垃圾的存在，随着时间的延续，其中的有机质材料在物理、化学或生物的作用下，发生腐烂变质并产生昭气，土体变得松散、不稳定。在这样的填土地基上采用复合地基方案是不适宜的，通常宜采用桩基。比如，北京天通院东区杂填土地基采用桩基方案，中央美院杂填土地基先采用碎石桩将填土挤密，后采用复合载体桩基方案，均取得了令人满意的结果。2、局部含淤泥、淤泥质土的不均匀地基图1为局部含淤泥的不均匀地基，除②层淤泥外，其它各土层承载力和模量均较高。建筑物荷载是均匀的，在荷载作用下地基将产生不均匀变形，建筑物会发生不均匀沉降。为消除地基不均匀变形需做地基处理，当采用复合地基方案时选择什么样的桩型是很重要的。图1局部含淤泥的不均匀地基首先讨论能否采用碎石桩或搅拌水泥土桩。碎石桩属散体桩，桩的置换能力（或称桩的效应）很弱，碎石桩靠桩间土的侧向约束传递垂直荷载，桩间土强度高，土对桩的侧向约束越好，淤泥、淤泥质土强度很低，对桩的约束作用很差，桩传递垂直荷载的能力很弱。当然，打桩后桩顶应力比桩间土表面应力大一些，即桩土应力比大于1，工程实践表明，若桩间土密度不变，靠桩的置换作用地基承载力只能提高20～60％。碎石桩采用振动施工工艺可挤密和振密桩间土提高地基承载力，当碎石桩要用于挤密效果好的土，地基承载力可提高100～200％或更高。也就是说，碎石桩主要是用于挤密效果好的土，对不可挤密的饱和软粘土碎石桩方案加固效果很差。对如图1所示局部含淤泥的不均匀地基，采用碎石桩加固方案，淤泥层中的桩承载力很低，淤泥又不能挤密，导致含淤泥部位的复合地基承载力很低，而不含淤泥部位的复合地基承载力较高。这就是说，采用碎石桩加固后的地基，仍然为不均匀地基，建筑物仍然可能发生倾斜或底板开裂。搅拌水泥土桩属桩身强度密切与原土性状相关的桩型，桩长范围内，土分几层就有几个不同的桩体强度，如图2所示。图2搅拌水泥土桩桩体强度变化示意图当水泥掺量相同时，土的塑性指数、含水量和空隙比越大桩体强度越低，图2的搅拌水泥土桩在②层淤泥段桩体强度fcu可能小于1MPa，淤泥段的桩体处于软塑状态。原设计意图是通过搅拌桩穿过淤泥层，把荷载传到④砂层，由于淤泥段桩体强度太低，荷载不能像刚性桩那样很好地传到砂层，单桩承载力和复合地基地基承载力都偏低。当图1所示的不均匀地基采用搅拌水泥土桩时，由于含淤泥部位的复合地基承载力低，而不含淤泥部位的复合地基承载力较高，加固后的地基仍为不均匀地基，建筑物同样会发生倾斜或底板开裂。若将图2中的搅拌水泥土桩换成刚性桩（如CFG桩），由于这种桩的桩体材料与原土无关，称之为与原土性状无关的增强体。它的特点是全桩长由同一材料组成，桩体强度高、传递垂直荷载的能力强。当图1所示的不均匀地基采用刚性桩时，地基承载力和模量会有较大提高，建筑物总沉降量小，不均匀沉降会大大减小。综上所述，局部含淤泥、淤泥质土的不均匀地基，采用碎石桩或搅拌水泥土桩复合地基方案，对提高地基承载力、减少地基变形和消除不均匀地基的不均匀变形的效果是有限的，刚性桩复合地基和桩基对减少地基变形和消除不均匀地基的不均匀变形具有显著效果。（二）、可液化地基饱和松散粉土、粉细砂在地震荷载或其它动荷载作用下，土体会发生液化，处理可液化地基可采用强夯法，也可用桩基，但用的比较多的是碎石桩法，按施工工艺的不同又可分为振动沉管挤密碎石桩和振冲碎石桩。可液化土层为粉土且厚度不大，沉管打桩机施工不困难时，可选用振动沉管挤密碎石桩，可液化土层为厚度较大的砂土，或可液化土层上面有承载力高的粘性土，振动沉管机施工有困难，应采用振冲碎石桩。实践表明，碎石桩法是消除地基液化的有效方法。当建筑物荷载较大而要求加固后的复合地基承载力较高，单一碎石桩复合地基方案不能满足设计要求时，可采用碎石桩和刚性桩（如CFG桩）组合的多桩型复合地基方案。通常，先施工碎石桩，后施工CFG桩。碎石桩主要用于消除地基液化，又使地基承载力有一定提高；CFG桩则主要用于大幅度地提高地基承载力。如图3所示。图3多桩型复合地基示意图（三）、具有两个好的桩端持力层的地基如图4所示，当地基土有两个好的桩端持力层，分别为②层砂和④层卵石。若采用CFG复合地基方案，《建筑地基处理技术规范》规定，桩距宜为3～5d（d为桩径），若桩端落在②层砂时，桩较短单桩承载力较低，采用规范限定的最小桩距3d,复合地基也不能满足设计要求。若桩端落在④层卵石时，桩较长单桩承载力较高，采用规范限定的最大桩距5d,复合地基承载力还还远高于设计要求，过于保守、不经济。此时，可考虑将部分桩的桩端落在②层砂上，另一部分桩的桩端落在④层卵石上，形成长短桩复合地基。图4有两个好的桩端持力层的地基由长、短CFG桩组成的复合地基，其技术性、经济性更为合理。四、结语由以上讨论可得到如下认识：复合地基桩型选择与被加固地基的土性和设计要求的承载力提高幅度有关。填土地基能否采用复合地基取决填土材料组成、是否已消除湿陷性、和固结稳定。桩基和刚性桩复合地基对减少地基变形和消除不均匀地基的不均匀变形具有显著效果。若可采用复合地基，应首选刚性桩复合地基，