谈复合地基技术

王 丽 平

(太原科技大学，山西 太原 030024)

谈复合地基技术

王 丽 平

(太原科技大学，山西 太原 030024)

从概念、分类、发展历史等多方面阐述了复合地基技术,对复合地基的加固机理、承载特点、破坏模式等进行了总结，对比分析了天然地基、复合地基与桩基的联系与区别,以期促进复合地基技术的推广应用。

复合地基，加固，承载

自20世纪60年代“复合地基”这一概念开始使用以来，它逐渐成为分析众多地基处理手段的理论基础。经过几十年的科研和工程实践，复合地基技术从应用于多层建筑发展到广泛应用于高层和超高层建筑地基处理，并成为某些地区应用最普遍的地基处理方法之一。鉴于复合地基技术的应用之广，本文针对其基本概念及理论做一梳理，与大家探讨学习。

1 复合地基概述

1.1 概念及分类

复合地基是在天然地基中设置一定比例的增强体，由原地基土和增强体共同承担上部结构荷载的一种人工地基。根据天然地基中增强体设置方向的不同，复合地基分为水平向增强体复合地基和竖向增强体复合地基(即桩体复合地基)两大类，我们通常所说的复合地基多指竖向增强体复合地基。根据桩体材料的不同，竖向增强体复合地基又可分为散体材料桩(如砂桩、碎石桩等)复合地基和胶结材料桩(水泥土桩、旋喷桩、CFG桩等)复合地基；根据桩身强度的不同，竖向增强体复合地基又可分为柔性桩复合地基、半刚性桩复合地基、刚性桩复合地基。

1.2 复合地基形成条件

增强体与原地基土是否能够形成“复合地基”，关键在于两者是否能够协调变形、共同承载。

现就图1中四组不同的竖向增强体布置方式讨论其与原土是否能够形成复合地基。

图1a)中竖向增强体未穿透软土，在上部荷载作用下，其竖向增强体若为柔性桩，则桩体将发生鼓胀使得桩间土与桩体始终能够保持共同承载，可形成复合地基；其竖向增强体若为刚性桩，由于桩体未贯穿软土，桩身与桩间土协调变形，亦可形成复合地基。

图1b)中竖向增强体穿透软土，在上部荷载作用下，其竖向增强体若为柔性桩则发生鼓胀，同样可与软土形成复合地基；其竖向增强体若为刚性桩，则桩体与桩间土仅在受载初期可共同承载，但随着土体固结和蠕变的发生，土体所承担的荷载将逐渐减小，最终全部由桩体承载，将不能形成复合地基。

图1c)中竖向增强体穿透软土且在竖向增强体顶部设置柔性垫层，此种情况在荷载作用下，若桩体为柔性桩，则桩土变形协调、共同承载，可形成复合地基；若桩体为刚性桩，由于垫层可调整桩土应力分配，能够较好地发挥桩间土的承载力，故也可以形成复合地基。

图1d)中竖向增强体穿透软土且未在竖向增强体顶部设置柔性垫层，此种情况在荷载作用下，若桩体为柔性桩，则桩土变形协调、共同承载，可形成复合地基；若桩体为刚性桩，由于地基土及桩体中的应力大致按刚度进行分配，则需考虑桩间土、桩体及下卧较好土层三者之间的模量关系，桩土是否能够共同承载，最终决定其是否能形成复合地基。

2 复合地基技术的发展

复合地基技术源于19世纪30年代的欧洲。1935年法国工程师为处理松散的砂土地基,设计了砂石桩(桩长2 m，桩径0.2 m，每根桩的承载力为10 kN)，此为最早的复合地基。但由于设计理论和施工工艺滞后,其发展缓慢。二战后，前苏联在砂石桩设计理论、计算方法及施工机械等方面取得了较大成就；日本于1958年提出了振动重复拔管的砂石桩施工法，极大地提高了砂石桩的应用水平。

土桩挤密法由前苏联的阿别列夫教授于1934年首创，用于湿陷性黄土的深层处理；振冲石桩法由德国的S.Steuerman于1936年提出,最初用于振密松砂地基,后来其用于粘性土地基加固；深层搅拌桩地基处理技术由二战后的美国发明，时称MIP工法，于20世纪70年代在日本得到完善和推广。与此同时，日本将高压喷射技术用于地基加固和防水帷幕(CCP工法)，即高压旋喷法。

地基处理技术在国内的发展始于20世纪50年代。1950年我国从前苏联引进砂石桩地基处理技术用于上海重型机器厂地基处理；土桩挤密法于50年代中期引入国内用于处理西北黄土地区的湿陷性黄土，之后我国工程人员成功发明了灰土挤密桩法；进入20世纪70年代中后期，我国开始引进并应用高压旋喷法、振冲碎石桩法、水泥搅拌桩法、粉喷桩等加固地基，先后在南京船厂船体车间、塘沽新港、上海宝山钢铁总厂等软土加固中得到了成功应用。

3 复合地基的加固机理、承载特点与破坏模式

3.1 复合地基的加固机理

复合地基根据桩体材料与地基土质的不同，其作用机理不同,加固效果也存在明显差异。综合而言，主要有五个方面：

1)桩体作用：在荷载作用下，由于复合地基中桩体刚度大于桩身周围天然地基土，根据应力按刚度分配原理，复合地基中桩体将承担大部分上部荷载，此即为复合地基中的桩体作用。2)垫层作用：桩体与桩间土形成的复合地基可看作受力整体,能起到类似垫层的换土、调整应力分布、增大压力扩散角等作用。3)加速固结作用：复合地基中的散体材料增强体(如碎石桩、砂桩等)透水性较好,可形成排水通道使地基中产生的超孔隙水压力得到消散,从而加速地基的固结沉降。4)挤密作用：从两个方面加以体现，一是施工作业过程中产生的振动压密桩间土体；二是施工结束后桩体自身的膨胀挤密桩间土体。5)加筋作用：复合地基中的增强体有类似于土工筋带的作用，提高土体抗剪强度等力学性质。

3.2 复合地基的承载特点

桩体材料的不同导致复合地基承载特性大不相同，本文选取碎石桩、水泥土桩及CFG桩分别代表柔性桩、半刚性桩和刚性桩来探讨复合地基的承载特性，详见表1。

表1 复合地基的承载特点

3.3 复合地基的破坏模式

复合地基中桩体的破坏模式大致分为四类，详见图2。

根据桩体材料及地基土性质的不同，复合地基的破坏模式不同：碎石桩等散体材料桩受荷后多为鼓胀破坏(见图2a))，而CFG桩等高粘结强度桩多发生刺入破坏(见图2b))；同一桩型在不同土层条件中的破坏模式亦不相同：碎石桩浅部存在软土层而下部土层密实坚硬时，受荷后可能在浅部发生整体剪切(见图2c))或鼓胀破坏，而当浅部土层密实坚硬而深层局部存在软土层时，则可能在深层局部发生鼓胀破坏及刺入破坏。可见，桩体与桩间土的特性决定了复合地基的破坏模式，且桩体的性质对其影响较大。

4 天然地基、复合地基、桩基础的联系与区别

从概念上讲，天然地基与复合地基同属地基范畴,而桩基础属于基础范畴，这是其本质上的区别，而复合地基与桩基础的共同点为均以桩的形式来对天然地基进行加固。从构造上讲，复合地基中桩体与基础之间须设置砂石垫层，并不直接相连；而桩基础中桩体直接与基础连接形成整体。从承载特性上讲，复合地基是桩与桩间土共同承载，而桩基则主要依靠桩体来承载。复合地基的主要受力层为复合地基加固体，而桩基则是在桩端下一定范围内的土体。从理论研究上讲，复合地基假定桩与土协调变形,因而理论上桩的负摩阻力问题不存在于复合地基；由于复合地基理论以桩土加固体为研究对象，且假定各加固体互相独立，因而类似桩基中的群桩效应也不存在于复合地基中。

5 结语

复合地基技术发展至今已近半个世纪，理论发展相对成熟，工程应用也十分广泛，但在实际应用中，笔者发现有部分同志对于复合地基理论的基本概念理解上存在欠缺，因此将所学进行梳理，愿与大家共同学习，使其在工程中得以更好地推广与应用。

[1] 地基处理手册编写委员会.地基处理手册[M].北京:中国建筑工业出版社,2008.

[2] 韩 杰，叶书麟.复合地基概论[J].工程勘察,1992(6):1-5.

[3] 龚晓南.复合地基若干问题[J].工程力学，1997(S2):86-93.

[4] 陈善维.复合地基桩型的合理选择[J].土工基础,1995,6(1):1-7.

[5] 张爱军，谢定义，哈岸英.复合地基理论研究的历史与最新发展[J].土工基础,2004,12(6):64-67.

[6] 黄光明.复合地基应用进展[J].山西建筑,2007,33(12):103-104.

[7] 化建新.复合地基技术及应用[J].岩土工程技术,2001,2(2):73-79.

Discussion on composite foundation technology

WANG Li-ping

(Taiyuan University of Science and Technology, Taiyuan 030024, China)

This paper elaborated the composite foundation technology from the concept, classification, development history and other aspects, summarized the reinforcement mechanism, bearing characteristics, failure modes etc. of composite foundation, compared and analyzed the relationship and difference of natural foundation, composite foundation and pile foundation, in order to promote the popularization and application of composite foundation technology.

composite foundation, reinforcement, bearing

1009-6825(2014)36-0050-02

2014-10-19

王丽平(1962- )，女，工程师

TU449

A