刚柔性长短桩组合复合地基垫层的分析研究

方辉1 林本海1-2

1.广州大学建筑设计研究院 广州 510006；2.广州大学地下工程与地质灾害研究中心 广州 5100061

摘要：刚柔性层长短桩组合高强复合地基因其高承载力、经济性好和施工灵活并工期短的特点，应用越来越广泛。垫层作为复合地基均衡应力、协调变形的重要组成部分，垫层厚度和模量大小对刚柔性长短桩组合高强复合地基的承载力、沉降、桩顶应力、桩土应力比具有重要影响，对其研究具有重要意义。本文采用笔者研究的复合地基计算模型，对刚柔性长短桩组合复合地基的垫层进行研究，为高强复合地基的优化设计和工程应用提供依据。

关键词：刚柔性高强复合地基；垫层、刚柔性桩；垫层；应力；桩土应力比

刚柔性长短桩组合高强复合地基的刚度随深度增加而降低的梯度性变化，与荷载附加应力在地基中向深部传递的应力扩散而减小的趋势相一致，使得长短桩刚柔性桩布置的复合地基在充分发挥桩体承载能力的同时调动桩间不同深度的土体参与工作，相比于桩基础可以显著减少桩端应力[1] [2]。刚柔性长短桩组合高强复合地基具有承载力高、经济性优、施工灵活和工期短的特点，是地基处理技术的升华，高强复合地基在广东已应用于高层建筑甚至超高层建筑的地基处理，是对传统桩基础的巨大挑战[3]。

笔者考虑桩体应力协调，符合实际多层地基土体成层分布的特点，为实现不同长度桩体之间的剪切位移法相互作用的分析计算，曾将刚性长桩在短桩深度处拟断开，分为上下两段分别计算，通过桩周土体的等效刚度参数K，实现长桩、短桩、土体同时受荷时各部分之间的完全相互作用；通过桩体相互作用影响系数，考虑刚性长桩、柔性短桩和土体之间相互作用的区别，建立长短桩刚柔桩组合高强复合地基相互作用承载模型并编写计算程序实现，通过与其它相互作用计算模型和实测数据对比，证明所建立的承载计算模型合理可行，具体可见相关文献[4]和[5]。

垫层作为复合地基均衡应力、协调变形的重要组成部分，垫层厚度和模量大小对刚柔性长短桩组合高强复合地基的承载力、沉降、桩顶应力、桩土应力比具有重要影响，对其研究具有重要意义。

本文以笔者建立的承载模型和计算程序，通过对垫层厚度和模量的研究，对刚柔性长短桩组合高强复合地基的沉降、桩顶应力、桩土应力比进行分析，进一步总结刚柔性长短桩组合高强复合地基的工作机理，为刚柔性高强复合的深入研究提供指导，为地基优化设计提供依据，为工程推广应用积累经验。

计算模型中对短桩采用有代表性的柔性桩体--水泥搅拌桩，分析计算时假设下卧层为弹性压缩。刚性桩采用直径500mm的 C20素混凝土灌注桩，长约22m；柔性桩采用直径500mm的水泥搅拌桩，长约6m；垫层采用碎石砂材料的200mm厚度，垫层变形模量取140MPa；桩体按照1600mm的间距正方形布置。

土层简化为两层，第一层厚度6m，模拟浅层的相对较软土体，第二层厚度16m，模拟下部相对较硬土体。

1 垫层厚度的分析研究

垫层作为复合地基系统中一个重要的组成部分具有分担荷载、均衡应力和协调变形的作用。垫层的厚度和模量在复合地基设计计算时一直是按经验取值，本研究对复合地基的厚度和模量进行了计算分析。

图1 垫层厚度对沉降的影响曲线图

图2 垫层厚度对刚性桩顶应力的影响曲线图

图3 垫层厚度对柔性桩顶应力的影响曲线图

图4 垫层厚度对土体顶面应力的影响曲线图

图5 垫层厚度对刚性桩土应力比的影响曲线图

图6 垫层厚度对柔性桩土应力比的影响曲线图

由图1至6可知当垫层厚度小于100mm时，荷载主要由刚性桩体承担，柔性桩体能发挥作用，土体不受力或受力很少，所得的沉降量也较小，整体复合地基相当于群桩基础而丧失了复合地基的本质。刚性桩体顶面荷载过大，还需要考虑桩体对底板的冲切作用。

垫层厚度大于300mm时，柔性桩体和土体的顶面荷载增加较多，可能使柔性桩体由于自身强度不足而破坏，但荷载仍主要由刚性桩体承担。在图3中，垫层厚度超过350mm后作为柔性桩体的搅拌桩会由于顶部强度超过2MPa而可能破坏。

垫层厚度在100mm-300mm之间，桩土分擔比较为稳定，不仅满足土体和柔性桩体的强度要求且能参加荷载分担、共同作用。

从沉降曲线图1中可以看出，随垫层厚度增加沉降也增加，原因有刚性桩体的部分荷载转移到柔性桩体和土体上而使整个复合地基的沉降增加；垫层厚度增加使垫层本身的沉降也增加。基于此垫层厚度薄有利于整个复合地基的变形控制，但可能增加刚性桩体的受力。

图7 垫层模量对沉降的影响曲线图

图8 垫层模量对刚性桩顶应力的影响曲线图

图9 垫层模量对柔性桩顶应力的影响曲线图

图10 垫层模量对土体顶面应力的影响曲线图

图11 垫层模量对刚性桩土应力比的影响曲线图

图12 垫层模量对柔性桩土应力比的影响曲线图

综上分析，垫层的厚度取100mm-300mm之间为优，能达到复合地基工作所要求的分担荷载、均衡应力的作用，建议常规的垫层厚度为200mm。

2垫层模量的影响

对于复合地基的垫层强度和刚度设计参数的取值一直是一个不确定的设计参数，从已有的文献看，变形模量取值相差很大，在30MPa-300MPa之间，实际是模糊不清。这除了与上面分析的与垫层厚度有关外，还与采用的垫层材料和施工要求相关，下面做简要分析。

垫层模量代表的是垫层的材料和密实程度。由图7至12知道，刚性桩顶的应力随垫层模量的增加而增加，而土体和柔性桩体顶面的荷载随垫层模量的增加而减少，沉降随垫层模量的增加而减少，桩土应力比随垫层模量的增加而增加。

垫层模量过大时，荷载主要由刚性桩体承担，柔性桩体、土体受力变少，沉降也变少。当模量增加到一定程度复合地基将会转变成桩基础。

当垫层模量较小时，会带来柔性桩体和土体所受的应力较大，沉降增加。如同垫层厚度过大一样，柔性桩体可能由于自身强度不足而破坏，如图9中的柔性桩体。

桩土应力比随垫层模量的增加而增加，沉降随垫层模量的增加而减少，即垫层模量越大越易于发挥桩体的作用，越易于控制沉降。但是需要将刚性桩体的荷载最大限度的分担到柔性桩和土体上去，达到复合地基的共同作用目的。

垫层需要选择一个合理的模量，即选择合理的材料和施工密实程度来保证复合地基的共同作用，来使复合地基中各承载要素（刚性桩、柔性桩和土体）的承载能力充分发挥，来使复合地基沉降控制在设计要求之内。垫层模量的选择和地基土体，上部荷载大小有关，与所选垫层的材料及施工密实度的控制有关，需要很强的针对性。作者认为垫层的变形模量选择150MPa-230MPa较为合理。

实际工程检测得到中密粗砂垫层的变形模量为40MPa-60MPa，密实中砂垫层或中密砂石垫层的变形模量可达80MPa-100MPa，相当于强风化软质岩的变形模量；密实砂石垫层的变形模量可达150MPa-200MPa。

3总结

垫层是整个复合地基系统的重要组成部分，起着均衡应力和协调变形的作用，垫层的作用主要与其厚度和模量的变化有关。若垫层厚度越薄模量越大（相当于向刚性承台过渡），会使刚性桩体承担的荷载变大，沉降减小，共同作用就越弱，复合地基越接近群桩基础；垫层厚度越大模量越小，会使柔性桩体、土体承担的荷载增大，沉降变大，共同作用变强。垫层过薄，刚性桩体荷载过大，需要考虑桩体对结构底板的冲切作用；柔性桩体、土体荷载过大需要考虑自身强度问题。

一般建议垫层厚度采用200mm-250mm。垫层变形模量选择150MPa-200MPa较好。建议垫层采用中密或密实的砂石垫层。

参考文献：

[1] 谢定义，林本海，邵生俊.岩土工程学[M].北京：高等教育出版社，2008.

[2] 闫明礼，张东刚.CFG桩复合地基技术及工程实践[M].北京：中国水利水电出版社，2006.

[3] 方辉，林本海.刚性长短桩体复合地基及其工程应用[J].建筑监督检测与造价，2008.11.

[4] 林本海，方輝.长短桩高强复合地基在高层建筑中的应用[J].岩土力学，2009.S02.

[5] 林本海，方辉.长短桩高强复合地基的承载模型研究[J].岩石力学与工程学报，2009.A02.