刚性桩复合地基与复合桩基工作性状对比试验研究

2016-05-30李俊华

企业科技与发展 2016年10期

关键词：对比

李俊华

【摘要】在当前的建筑领域，刚性桩复合地基与复合桩基的应用越来越普遍，但是在施工中如何科学合理地选择这2种方式就需要对其工作性状进行充分的研究，从而更有效地将其应用在日常施工中。文章基于桩基工作的实践经验，对复合桩基和刚性桩复合地基进行比较和试验，通过试验数据对比，研究在一定的工作荷载下，复合桩基和复合地基的筏板外侧地面沉降、筏板沉降、筏板下桩土反力、桩端平面以下深层地基沉降的问题，以此得出了两者在工作性状上的不同之处，希望对相关工程施工有一定的帮助。

【关键词】刚性桩复合地基；复合桩基；工作性状；对比

【中图分类号】TU470 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2016）10-0058-04

现阶段，复合地基和复合桩基已经在我国工程建设领域得到了广泛的应用，并且也为社会发展带来了巨大的社会财富。然而，目前学术界对什么是复合地基和复合桩基及它们的分类尚存争议，但这并未影响其在工程实践中的应用。在工程的施工过程中，如何结合施工实际，选择更符合施工要求的技术是我们必须处理的问题，这就需要对复合桩基和复合地基的性质进行有效研究和分析，从而促进实际应用中的选择，提高施工质量，帮助施工企业实现最大效益。

1 刚性桩复合地基

复合地基可以分为3类：第一类是在对天然地基进行地基处理的过程中对部分土体进行了增强。第二类是在对天然地基进行地基处理的过程中对部分土体进行了置换。第三类是在对天然地基进行地基处理的过程中在部分土体中设置加筋材料，通常情况下，人工地基处理构建形成加固区，而人工地基主要则由增强体和基体这两个部分所组成，而荷载压力主要是由基体承担，同时加强体也共同承担了一定的荷载。事实上，复合地基是现实中较为常用和理想的一种地基处理方法，它通过利用天然地基的承载力来达到减少造价的目的，特别是对于刚性桩复合地基，比如CFG桩复合地基、混凝土桩复合地基、CM桩复合地基等。我们知道，因为刚性桩施工质量较高，其沉降是可控的，所以其运用前景被广泛看好。但是在我们的工程实践中，较好的复合地基设置思想是“缺多少补多少”[2]，也就是说要充分利用天然地基的承载力，当它不够时，超出部分须采用桩基来承担，这是一种相对理想的地基优化设计，能够对天然地基的承载力进行充分地利用，以非常节省的造价满足上部结构的需求，可以说是地基处理设计的一种最高境界。

2 复合桩基

所谓复合桩基，它是较承台体与端承作用较小的端承摩擦桩或大桩距（一般在5～6倍桩径以上）稀疏布置的摩擦群桩共同承载的桩基础，也被叫做附加摩擦桩的补偿基础。复合桩基主要被应用在大城市的高楼建设中，比如我国的上海、天津等城市。由于这种桩基投资较大，因此在对其进行选择时必须慎重，主要有以下2种情形：一是当天然地基的沉降和承载力无法满足施工需要的时候，就需要进行适量的补桩，从而弥补承载力的缺乏，并且需要将沉降降至限定值的范围之内，这种方法也被称为协力疏桩基础。二是当天然地基能够满足承载力需要的时候，此时沉降就会过大，因此需要减少桩，以少量桩的方法避免沉降过大，这种方法也被称为减沉桩。综上所述，选择疏桩的主要原因是由于其桩的设计往往高于每个单桩的承载力，而且桩的中心距超过桩径的6倍，同时偶尔还有可能达到单桩的极限值，这样桩的沉降就出现了明显的变化，进入理论上的非线性阶段。在此情况下，把复合桩基看做实体基础显然是不行的，因此我们不能采用现有的规范桩基沉降计算方法。

3 复合地基和复合桩基试验方案

本文采用的试验场地地势平坦。该试验场的空间分布非常均匀，属于典型的第四系冲洪积地层。通过试验，对每个层的地基力学指标进行试验，得出表1中的各项指标。为了便于对比数据，保证科学性，在实验时，2组实验采用的条件、模型及加载方式和测试元件等都是选择了相同的类型和数据指标，但需要说明的是，为了方便测量数据能够有效对比，在该复合地基的基础和桩顶之间设置了褥垫层，厚度大约在100 mm[3]。

3.1 模型试验设计

本次模型试验以原型工程为基础，该原型工程属于高层建筑，一共为23层（含地下1层），属于框剪结构，筏板基础，筏板平面尺寸为43 m×43 m，筏板基础厚度为1.5 m，自重为66 560 kN，基础埋深为5 m，其上部结构中心跨为核心筒剪力墙，框架柱网纵向为8 m，横向也为8 m，每边各5跨。上部结构的总荷载约325 000 kN。根据以上数据，本文将筏板分为核心筒区及核心核心筒区以外的两个区域（如图1所示）。

此次模型试验采用的比例是10∶1，使用螺锉连接模型的筏板和平面框架柱，从而达到固定模型支座的目的；同时，该模型的上部结构主要使用钢筋混凝土平面框架代替，从而保证刚度能够与上部的结构达到同等数值。复合地基褥垫层厚度为100 mm，并将砾砂作为垫层材料。

3.2 加荷方法

该模型采用的是慢速维持的荷载方法，这种方法的加载装置选用的是钢梁反力架，利用36台千斤顶进行加载，同时利用錨桩提供反力，从而保证千斤顶加载值能够按照每个顶所处的位置的上部结构等进行荷载施加。试验中筏板不同区域的加载值见表2。

3.3 测试内容

3.3.1 沉降测试

本文介绍地基沉降测试的主要方法，即使用电子位移计对沉降进行有效的测量。

3.3.2 桩间土反力及桩身轴力测试

一般情况下，桩间土反力使用的是钢弦式压力盒进行测试，在测量的过程中，主要是埋设于筏板下素混凝土垫层底面。桩身轴力则是使用应力计算器进行测试，测量方法是埋设于桩身内钢筋进行测量[4]。

4 试验分析与结果

4.1 筏板的沉降分布

如图2所示，结合复合桩基和复合地基呈现的不同的筏板剖面位置沉降分布曲线图可以了解，在试验中不难发现，此次试验使用筏板沉降都是随着荷载力度的不断增加而逐渐递增的。并且，从图2中可以看出核心筒区筏板的沉降相对也是很大的，其外区域的筏板则相对沉降不均匀，图2中显示边桩位置的沉降比角桩位置的沉降更大[5]。

复合地基与复合桩基比较而言，复合地基的筏板角桩位置、核心筒内部及边桩的沉降全部比复合桩基同样位置的沉降大，这是区别之一。第二个区别则是复合地基筏板荷载在小于6级的时候，筏板之间的沉降差比相邻柱距的0.002倍要小，但复合桩基则大。如果要满足上述要求，则需要荷载等级不超过4级。综上所述，由以上数据和试验结果说明复合桩基在承载力稳定性方面，要差于复合地基，但这是在设置褥垫层减少筏板差异沉降的基础之上。

4.2 桩端平面以下地基土沉降及筏板外侧地面沉降

图3是两基在筏板核心筒区桩端平面下地基土沉降、筏板外侧地面沉降及筏板外侧地面下2 m深度处地基土沉降分布曲线。从图3中我们不难发现，随着筏板上作用荷载的不断增加，复合地基和复合桩基在横纵方向的沉降影响范围越来越广。在同一荷载水平的情况下，距桩端平面或筏板板边越近，其沉降就越大。而对于深层地基土沉降来说，在相同的荷载级别情况下，复合地基在桩端平面下不同深度的沉降量小于复合桩基对应位置的沉降量，复合地基在桩端平面深度筏板外沉降均大于复合桩基对应位置的沉降[6]。

4.3 筏板板底桩间土反力分布

图4为两基在筏板不同剖面位置桩间土反力分布曲线。从图4中我们不难发现，二者的桩间土反力都是随着筏板上荷载的增加而不断增加的。与复合桩基比较起来，筏板不同位置复合地基的桩间土反力均大于复合桩基对应位置的桩间土反力。在工作荷载为第4级时，复合地基桩间土反力值超过复合桩基，可以看出，筏板下桩间土反力发挥值的大小与筏板上对应位置的荷载大小密切相关，与筏板下有无褥垫层也有很大关系。

4.4 桩顶反力分布

图5为两基筏板不同剖面位置桩顶反力分布曲线。从图5中我们不难发现，桩顶反力是随着筏板上作用荷载的增加而不断增加的。与复合桩基比较而言，工作荷载达到第4级时，复合地基的桩顶反力在核心筒区超过复合桩基对应位置的桩顶反力，在筏板的边桩和角桩位置小于复合桩基对应位置的桩顶反力。与桩间土反力发挥规律是相同的，桩顶反力值的发挥与筏板上作用的荷载关系密切，与筏板下有无褥垫层也有关系。

5 结论

本文通过对带上部结构框架的两基载荷试验结果进行对比研究和分析，得出如下结论。

（1）在筏板的中心位置，两基的总沉降量大致相同，复合地基的沉降稍大一些；在筏板的边桩及角桩位置，复合地基的沉降明显比复合桩基大很多；综合来看，复合地基的筏板沉降相对较为均匀，差异沉降较小。

（2）复合地基在筏板外侧地面的沉降的影响范围大于复合桩基，则桩端平面以下沉降则刚好相反。

（3）复合地基的桩顶反力在筏板的边桩和角桩位置小于复合桩，在筏板核心筒区大于复合桩基。

（4）复合地基桩顶的下面部分可能有负摩阻，而在全桩段内则都是正摩阻；复合地基桩传递给桩周土的荷载明显比复合桩基大。

（5）复合桩基间土分担筏板荷载的比例随筏板上荷载的下降而下降，桩分担筏板荷载的比例随筏板上荷载的下降而增加；复合地基桩恰好相反[7]。

（6）復合桩基桩长范围内压缩量小于复合地基对应压缩量。

参考文献

[1]刘冬林，郑刚，刘金砺，等.刚性桩复合地基与复合桩基工作性状对比试验研究[J].建筑结构学报，2006（4）：121-128.

[2]倪克闯.成层土中桩基与复合地基地震作用下工作性状振动台试验研究[D].北京：中国建筑科学研究院，2013.

[3]王慧萍.刚性桩复合地基沉降计算方法的研究及其工作性状的有限元分析[D].天津：天津大学，2006.