关于复合地基桩土应力影响因素及研究方法的讨论

2015-04-10卢芳蕊肖耀廷

四川水泥 2015年8期

关键词：桩帽垫层承载力

卢芳蕊肖耀廷

（湖北文理学院，湖北襄阳 441053）

关于复合地基桩土应力影响因素及研究方法的讨论

卢芳蕊肖耀廷

（湖北文理学院，湖北襄阳 441053）

复合地基问题看上去只是一个桩土相互作用的问题，但事实上，因为其影响因素很多，致使该问题分析起来具有很大的复杂性，关于复合地基的研究工作仍有很大的研究空间。复合地基的研究方法主要有试验的方法、数值计算和理论计算方法。但研究复合地基问题三种方法并不是孤立的，理论计算的完善促使数值计算的精度，数值计算的结果需要试验方法的检验，这也是符合人们认知实物的规律的。

复合地基；桩土应力；载荷试验；数值计算

0 引言

随着城市建设发展和社会经济的进步，建筑物行业得到前所未有的发展，人们除了对上部结构的设计提高了越来越高的要求之外，也对地基基础问题提出了更高的要求。对于地基基础问题，通常优先采用天然地基承载，天然地基承载具有施工简单、施工速度快和造价低的优点。但是随着建筑用地越来越紧张，建筑物形式越来越复杂，天然地基很大程度上已经无法满足建筑物承载力的要求，此时需要对天然地基进行处理。

当天然地基无法满足承载力和沉降要求时，通常的办法就是采用条形基础、筏板基础、桩基础和复合地基等形式。各种地基基础处理方式有着其各自的优势，但复合地基由于其具有施工造价较低、施工速度快，形式多样而被工程界广泛使用。

我国复合地基技术经过几十年的发展，其形式已经多达几十种，可处理各种土质以及复杂地形。目前关于复合地基的处理形式既有单桩型复合地基也有多桩型复合地基，既有不带桩帽的复合地基也有带桩帽的复合地基，既有等长等直径桩的复合地基也有不等桩长不等直径桩的复合地基，既有单一的复合地基也有桩体联合水平增强体的复合地基。对于桩体材料，既有散体材料桩、柔性桩也有刚性桩。总之复合地基经过几十年的发展，已经形成了各种各样的形式，可以很好的解决建筑物承载力和沉降问题。

虽然复合地基的形式多种多样，当工程中最为关心的问题仍是承载力和沉降问题，而这两个问题都离不开桩土应力。同时目前复合地基设计理论发展仍滞后于复合地基技术的发展，很多设计理论不够完善，故形成了本文探讨的问题。基于上述分析，本文首先针对复合地基桩土应力影响因素展开讨论，进而分析目前复合地基研究方法的特点。

1 复合地基的桩土应力的影响因素

如上节所述，复合地基的形式是多种多样的，各种复合地基桩土应力的影响因素也不同，但是大致归纳起来有如下一些影响因素。影响桩土应力的因素有垫层厚度、桩土相对刚度、下卧层的刚度、桩长、面积置换率、荷载大小、桩帽尺寸以及水平增强体的刚度等等，接下来分别针对以上影响因素进行分析。

垫层厚度是桩土应力最重要的影响因素之一。垫层厚度的大小对桩土应力分配影响非常敏感。而实际设计时往往对垫层厚度对桩土应力的影响认识不够，通常根据实际工作的经验确定垫层厚度，这样会对复合地基设计的合理性存在较大的不足。也有不少研究认为通过桩径与垫层厚度的比值也即径厚比确定较合理，但是目前还没有统一的关于垫层厚度确定方法。

桩土相对刚度是复合地基桩土应力另一个重要因素，同一个场地在进行复合地基处理时，采用刚性桩和柔性桩无论是承载力还是沉降特性都会存在很大的差异。刚性桩在承载力和沉降方面会好于柔性桩，但从设计合理性的角度来讲未必，刚性桩虽然具有较大的承载力，但如果发挥不充分，则会造成设计上的浪费，反之，柔性桩虽然承载力低，若能够刚好发挥完全，则设计上更合理。所以桩土相对刚度对复合地基桩土应力的影响是很复杂的。同时也正是基于这点，人们才逐步引入长短桩复合地基等等的多桩型复合地基，采用两种刚度有差异的桩型，分别调整复合地基的承载力和沉降特性。

下卧层的刚度会对桩体下端的向下位移影响较大，刚度较大的下卧层，使桩下端位移减小，从而减小桩土相对位移，会加大桩顶的应力集中现象，也即会增加桩土应力比。

桩长是复合地基设计时首先要确定的参数，通常桩长的选取原则是采用承载力较高的土层作为持力层。但相关研究显示，采用承载力一般的土层作为持力层也可以使桩土承载力发挥效果很好，主要是由于复合地基不同于桩基，复合地基依赖于桩土相互作用。但由于桩长是设计中的待定参数，需要达到合理设计需反复做方案对比，实际操作难度较大，故采用承载力较高的土层作为持力层。这样做既可以得到较好的承载力，也可以获得较好的沉降特征。

荷载的小大是桩土应力的一个重要影响因素。很多研究表明，随着荷载水平的增加，桩土应力比也是增加的，只是有些增加的缓慢，有些增加的快。分析其原因，主要是因为在荷载较低时，桩土相对位移较小，土分配较多荷载，随着荷载水平的增加，桩土相对位移增加，应力向桩顶集中，桩土应力比随着荷载的增加而增加。

面积置换率也是设计中的一个关键参数，实际设计时往往置换率会加以控制，因为过高的置换率会产生教高的造价，设计而言，过高的置换率也不一定会产生较好的设计效果。

目前发展的复合地基技术有一类桩顶是带有桩帽的，这种复合地基的桩土应力分配关系就和桩帽尺寸关系很大，某种程度上，桩帽实际上加大了桩顶截面，相当于增加了置换率，承载力自然会得到提升。但带桩帽的桩体又不同于大直径桩，其桩帽与桩间土接触部分，桩间土受到较大的压力，从而会影响到桩间土的受力，带桩帽的复合地基的研究目前相对于不带桩帽的复合地基较少。还需进一步研究。

还有一类发展起来的复合地基技术就是在复合地基上部设置一部分水平增强体，这部分水平增强因为较垫层具有更高的刚度，故承载力和沉降也得到了提高。但是由于水平增强体选用不同材料以及不同的厚度，其刚度也是变化的，不同刚度的水平增强体对桩土应力的影响也是不同的。关于这方面研究也在继续中。

上述分析可以看出，复合地基问题看上去只是一个桩土相互作用的问题，但事实上，因为其影响因素很多，致使该问题分析起来具有很大的复杂性，关于复合地基的研究工作仍有很大的研究空间。

2 复合地基的研究方法

复合地基的研究方法大致归纳起来主要有试验的方法、数值计算和理论计算方法。三种方法各有优缺点。试验的方法成本较高，但试验结果相对可靠。数值计算方法，成本低，但计算可靠性有待商榷。理论计算方法在解决一些简单问题或者局部问题具有可行性，可对于复杂问题由于影响因素过多，理论计算困难很大。

试验方法主要是指复合地基的载荷试验，研究时既可以采用模型试验也可以采用原位试验，当然原位试验的试验费用要高得多，故很多研究机构采用模型试验的方法。模型试验是将工程中的各个部件按照一定比例缩小的方法，然后在试验装置各个关心的位置设置一些量测设备进行数据采集。但模型试验由于并不是在现场直接进行试验，故测试的可靠度上较原位的载荷试验要低。但考虑到其试验成本，仍是目前主要的研究手段。原位的载荷试验是工程单位在确定复合地基承载力的最主要的方法，该方法也是目前最为可靠地方法。

数值计算方法也是目前复合地基研究的主要方法之一。目前的大型商业有限元软件都可以模拟复合地基问题。但软件也是基于程序执行，而程序的建立则是依靠计算理论的发展。关于复合地基问题中仍有很多问题还在继续探讨之中，故数值计算也有其很大的局限性。但如果研究对象是复合地基的影响因素等问题是，数值计算可以发挥很大的优势。需要指出的是，并不能单一的依靠数值计算的结果下结论，最终需要与试验结果进行对比。

如前面所说，理论计算方法的发展仍是核心，理论计算发展了，数值计算才能得到发展。所以试验的方法、数值计算和理论计算方法并不是孤立的，三者是相互促进的，理论计算的完善促使数值计算的精度，数值计算的结果需要试验方法的检验，这也是符合人们认知实物的规律的。