基础工程与复合地基处理探讨

刘福超

摘要: 本文通过几个工程实例分析复合地基与地基处理的相互关系, 复合地基与浅基础及深基础的关系, 复合地基与双层地基的区别, 复合地基与复合桩基的关系, 较深入地分析了复合地基在基础工程中的地位。

关键词: 基础桩基 地基处理; 复合地基发展前景

1地基处理技术及分类

地基处理技术分类方法很多, 按照加固地基的机理,常将地基处理技术分为六类: 置换, 排水固结, 振密、挤密, 灌入固化物, 加筋和冷、热处理。可以将采用各类地基处理方法处理形成的人工地基分为两类: 一类是天然地基土体的物理力学性质得到普遍的改良, 类似于均质地基。这类人工地基的承载力和沉降计算方法同天然地基, 不同的是地基土层的物理力学指标得到改善。另一类是在地基处理过程中部分土体得到增强, 或被置换, 或在天然地基中设置加筋材料, 形成复合地基。例如: 采用振冲置换法, 强夯置换法, 砂石桩置换法, 石灰桩法, 深层搅拌法, 高压喷射注浆法, 振冲密实法, 挤密砂石桩法, 土桩、灰土桩法, 夯实水泥土桩法,孔内夯扩桩法, 树根桩法, 低强度桩复合地基法, 钢筋混凝土桩复合地基法等, 均可形成复合地基。

复合地基在地基处理中的应用非常广泛, 而且呈发展趋势。浅基础的设计计算理论比较成熟, 而复合地基设计计算理论正在发展之中。从上述分析可以看到重视复合地基理论研究的必要性和重要性。同时也应该看到, 复合地基理论和实践的发展将进一步促进地基处理水平的提高。复合地基技术在地基处理技术中有着非常重要的地位。

2复合地基与双层地基

有的学者将复合地基视为双层地基, 将双层地基有关计算方法应用到复合地基计算中。事实上, 复合地基与双层地基在荷载作用下的性状有较大区别, 在复合地基计算中直接应用双层地基计算方法是不妥当的, 有时是偏不安全的, 下面作简要分析。

图1 ( a) 、( b) 分别为复合地基和双层地基的示意图。设复合地基加固区复合模量为E1 , 其他区域土体模量为E2 , 显然El > E2。设双层地基的上层土体模量为E1 , 下层土体模量为E2。双层地基上层土厚度与复合地基加固区深度相同, 记为H。以条形基础为例, 地基上荷载作用面宽度均为B而且荷载密度相同。现分析在荷载作用中心线下复合地基加固区下卧层中A点[见图1 ( a) ] 和双层地基中对应的B点[见图1 ( b) ] 竖向应力情况。不难看出复合地基A点竖向应力σA , 比双层地基中B点竖向应力σB大。如果增大El /E2值, 则σA值增大, 而σB值减小。理论上当El /E2趋向∞时, 双层地基中B点竖向应力σB趋向零,而复合地基A点竖向应力σA是不断增大的。由上述分析可以看出复合地基与双层地基在荷载作用下地基性状的差别是很大的。

图1复合地基与双层地基

根据前面分析, 在荷载作用下双层地基与复合地基中附加应力场分布及变化规律有着较大的差别, 将复合地基认为双层地基, 低估了深层土层中的附加应力值, 在工程上是偏不安全的。

3复合地基与浅基础及桩基础

当天然地基能够满足建筑物对地基的要求时, 通常采用浅基础; 当天然地基不能满足建筑物对地基的要求时,需要对天然地基进行处理形成人工地基以满足建筑物对地基的要求。桩基础是软弱地基最常用的一种人工地基形式。广义地讲, 桩基技术也是一种地基处理技术, 而且是一种最常用的地基處理技术。考虑桩基技术比较成熟, 而且已形成一套比较全面、系统的理论, 通常将桩基技术与地基处理技术并列, 在讨论地基处理技术时一般不包括桩基技术。采用的地基处理方法不同, 天然地基经过地基处理后形成的人工地基性态也不同。经过地基处理形成的人工地基多数可归属为两类: 一类是在荷载作用范围下的天然地基土体的力学性质得到普遍的改良, 如通过预压法、强夯法, 以及换填法等形成的土质改良地基。这类人工地基承载力与沉降计算基本上与浅基础相同, 因此可将其划归浅基础。另一类是在地基处理过程中部分土体得到增强, 或被置换, 或在天然地基中设置加筋材料, 形成复合地基。例如水泥土复合地基、碎石桩复合地基、低强度混凝土桩复合地基等。根据上述分析, 浅基础、复合地基和桩基础已成为工程建设中常用的三种地基基础型式。

在浅基础中, 上部结构荷载是通过基础板直接传递给地基土体的。按照经典桩基理论, 在端承桩桩基础中, 上部结构荷载通过基础板传递给桩体, 再依靠桩的端承力直接传递给桩端持力层。不仅基础板下地基土不传递荷载,而且桩侧土也基本上不传递荷载。在摩擦桩桩基础中, 上部结构荷载通过基础板传递给桩体, 再通过桩侧摩阻力和桩端端承力传递给地基土体, 而以桩侧摩阻力为主。经典桩基理论不考虑基础板下地基土直接对荷载的传递作用。虽然客观上大多数情况下摩擦桩桩间土是直接参与共同承担荷载的, 但在计算中是不予以考虑的。在复合地基中,上部结构荷载通过基础板直接同时将荷载传递给桩体和基础板下地基土体。对散体材料桩, 由桩体承担的荷载通过桩体鼓胀传递给桩侧土体和通过桩体传递给深层土体。对粘结材料桩由桩体承担的荷载则通过桩侧摩阻力和桩端端承力传递给地基土体。

由上面分析可以看出, 浅基础、桩基础和复合地基的分类主要是考虑了荷载传递路线。荷载传递路线也是上述三种地基基础型式的基本特征。简而言之, 对浅基础, 荷载直接传递给地基土体; 对桩基础, 荷载通过桩体传递给地基土体; 对复合地基, 荷载一部分通过桩体传递给地基土体, 一部分直接传递给地基土体。通过上述对浅基础、复合地基和桩基础荷载传递路线的分析, 可以认为复合地基是界于浅基础和桩基础之间的。摩擦桩基础中考虑桩间土直接承担荷载的作用, 也可属于复合地基。或者说考虑桩土共同作用也可将其归属于复合地基。

4复合地基与复合桩基

在深厚软粘土地基上按桩基理论设计摩擦桩基础时,为了节省投资, 管自立(1989年) 采用稀疏布置的摩擦桩基(桩距一般在5倍～6倍桩径以上) , 并称为疏桩基础。疏桩基础比按桩基理论设计的常规摩擦桩基础, 沉降量大,但考虑了桩间土对承载力的直接贡献, 以较大的沉降换取工程投资的节约。事实上桩基础的功能主要有两方面: 一方面可以提高承载力, 另一方面可以减小沉降。以前人们往往侧重利用采用桩基解决地基承载力不足的问题, 不重视采用桩基可以减小地基沉降的功能。将用于以减小沉降量为目的桩基础称为减少沉降量桩基。这里减小沉降量桩基一般是指摩擦桩基。减小沉降量桩基设计中考虑了桩土共同作用。在疏桩基础和减小沉降量两类桩基础中, 均考虑了桩和土共同承担荷载。事实上, 筏板基础下的摩擦桩基, 桩间土一般直接承担一部分荷载, 在经典桩基理论中只不过是主观上不考虑而已。以前主观上不予考虑的原因可能认为桩间土承担荷载比例小, 不值得考虑, 也可能是主动将其作为一种安全储备。还有一种可能是考虑到计算较困难, 不确定因素较多而不予考虑, 而且在工程上是偏安全的。近年来发展起来的桩土共同作用分析, 主要也是考虑桩间土直接承担荷载。在疏桩基础、减小沉降量桩基和考虑桩土共同作用的思路中都是主动考虑摩擦桩基础中客观上存在的桩间土直接承担荷载的性状。考虑桩土共同直接承担荷载的桩基称为复合桩基。是否可以说复合桩基实质上是主动考虑桩间土直接承担荷载的摩擦桩基, 而在经典桩基理论中, 摩擦桩基中是不考虑桩间土直接承担荷载的。

事实上也可以将复合桩基视为复合地基一种, 或者说将其归属复合地基, 有助于对复合桩基荷载传递规律的认识, 也有益于复合桩基理论的发展。

5复合地基技术发展前景

复合地基与浅基础及桩基础已成为土木工程建设中常用的三种基础形式。采用复合地基可以较充分利用天然地基和增强体两者的潜能, 具有较好的经济性。采用复合地基可以通过调整增强体的刚度、强度和复合地基置换率等设计参数以满足地基承载力和控制沉降量的要求, 具有较大的灵活性。因此复合地基具有一定的优势。展望复合地基的发展, 笔者认为, 在复合地基计算理论、复合地基形式、复合地基施工工艺、复合地基质量检测等方面都具有较大的发展空间, 都有很多工作需要做。复合地基的发展需要更多的工程实践积累, 需要工程实录的研究, 需要理论上的探索, 需要设计、施工、科研和业主单位共同努力。在复合地基计算理论方面, 既包括复合地基承载力和沉降计算的一般理论, 又指各种形式的复合地基承载力和沉降计算理论和方法。要发展各种形式的复合地基承载力和沉降计算理论, 需要加强对各种形式的复合地基荷载传递机理的研究, 进一步了解基础刚度, 桩土相对刚度, 复合地基置换率, 复合地基加固区深度、荷载水平等對复合地基应力场和位移场的影响, 提高各类复合地基应力场和位移场的计算精度。复合地基承载力和沉降计算水平的提高还有赖于工程实录的增加, 经验的总结。在发展复合地基计算理论中, 特别要重视沉降计算理论的发展。对桩体复合地基要发展按沉降控制计算理论, 特别要提高桩体复合地基沉降计算精度。强调提高沉降计算精度, 主要考虑下述两点: 其一, 不少工程采用复合地基主要是为了控制沉降; 其二, 前些年采用复合地基不当造成的工程事故主要是没有能够有效控制沉降。因此, 只有强调提高各类复合地基沉降计算水平, 才能较好地发展复合地基计算理论,有利于复合地基技术的推广。

与桩体复合地基相比较, 加筋土地基目前较多应用于提高地基稳定性, 要继续加强加筋土地基稳定性研究。加筋土地基沉降工程实录比桩体复合地基沉降工程实录要少,加筋土地基沉降计算更加复杂, 但也要对它进一步探索。当加筋土地基应用于深厚软弱地基时, 加筋土地基加固区软弱下卧层的厚度对加筋土地基的长期沉降影响是值得研究的课题。

近几年发展较快的是各类低强度桩复合地基在工程中应用。在工程中应用最多的是低强度混凝土桩复合地基。各类低强度桩复合地基的基本思路是让由桩身材料强度决定的桩承载力和由桩侧摩阻力提供的桩承载力两者靠近,以达到充分利用材料本身承载潜能的目的, 或者说是应用等强度设计的概念。低强度混凝土桩施工方便, 发展更快。对低强度桩复合地基在工程中应用的快速发展建议予以重视。

复合地基中桩体采用长短桩设置符合荷载作用下附加应力场的分布特征, 桩体受力合理, 对提高复合地基承载力和减少沉降都有好处。长短桩复合地基设计中应重视长短桩的协同作用, 重视长短桩复合地基的形成条件。长短桩复合地基中的长桩和短桩不仅在施工阶段要能够保证协同作用, 而且在工后阶段也要保证协同作用。在地基产生大面积沉降的情况下, 也要能保证长桩和短桩协同作用。总之长短桩复合地基的形式很好, 但要重视其应用条件,重视长短桩复合地基的形成条件, 保证长桩和短桩能长期协同作用, 需要合理设计。

随着多种复合地基形式的出现, 复合地基施工工艺也得到了很大发展。近年来多种形式的孔内夯扩桩的出现就是证明。渣土桩技术、夯实水泥土桩技术、冲锤成孔碎石桩技术、强夯置换碎石墩技术等发展很快。低强度桩施工工艺也在不断发展, 另外, 增强体材料在充分利用地方材料, 消除环境影响方面也有很大发展。

随着多种复合地基技术的应用, 复合地基质量检测近年来也得到发展。但相比较复合地基质量检测方面存在的问题和困难多一些, 需要继续努力。作为复合地基整体质量检测, 不仅是桩体质量检测, 还应包括桩间土的测试,以及桩土复合体的性能测试。

6结语

复合地基技术的推广应用产生了良好的经济效应和经济效益。在推广应用过程中也产生一些问题。如未能合理控制工后沉降量, 导致工后沉降过大造成工程事故。复合地基工程实践发展很快, 复合地基理论远远落后于工程实践的发展, 应加强复合地基设计计算理论研究。遵循实践一理论一实践, 不断发展、提高的思路。展望复合地基技术的发展, 可以相信在最近几年在理论和工程实践两个方面我国都有长足的发展。

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。