复合地基的几种优化设计方法探讨

冯志威

摘要：由于建筑场地地形的复杂，地基处理一直是建筑施工的关键。随着建筑业及复合地基的应用与发展，我国施工和设计人员进行了相关复合地基的优化，这些优化因为施工的简便性及预算的大量减少，已逐渐被人们接受与学习，并广泛应用推广，有的甚至已写入相关规范，下边就对这些相关的优化设计进行简单的介绍。

Abstract： Due to the complex terrain of construction sites， foundation treatment has been the key to the construction. With the development and application of construction industry and composite foundation， the construction and design staff have optimized the composite foundation. The optimization has been gradually accepted and learned by people for the simplicity of construction and a substantial reduction in budget， and has been widely used and promoted， and some even has been written to the relevant specification. This paper introduces the related technologies.

关键词：复合地基；优化；变刚度；联合应用

Key words： composite foundation；optimization；variable stiffness；joint application

中图分类号：TU47 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2016）29-0131-03

0 引言

复合地基处理方法是在天然地基中设置一定比例的增强体（桩体），使桩、土共同承担荷载，并具有密实法和置换法的效应。由于设置增强体的方法不同、选用的桩体材料不同，复合地基法的密实作用和置换作用对承载力的提高幅值占的比例也不相同。不同桩型的复合地基，其承载力和变形特性明显不同，了解不同桩型承载特性的共同点以及它们之间的差异，对在实际工程中合理选择复合地基中的桩型具有重要的积极意义[1-3]。由于实际工程中的复杂多变，设计、施工人员对相应的复合地基进行了大量的实践，总结出大量的优化经验，其中有几种复合地基的联合使用，有变刚度调平复合地基桩的设计等，以下就结合相应的工程实例对这几种优化设计进行简单的介绍。

1 几种复合地基的联合使用

复合地基按桩的类型可以划分为三类。第一类为散体材料桩复合地基。其桩体是由散体材料组成，没有粘结强度，只有依靠周围土体的约束才能形成桩体。其中代表为碎石桩和砂桩复合地基。第二类为柔性桩复合地基。桩体具有较低的粘结强度，能单独形成桩体，常见的有水泥土复合地基和灰土桩复合地基。第三类为刚性桩复合地基。桩体具有较高强度和刚度，目前，我们常用的有CFG桩和钢筋混凝土桩复合地基。由于这三类复合地基的桩体材料不同，施工方法不同，用于不同土质情况，其作用机理不同，加固效果存在明显的差异。对于散体材料复合地基主要是依靠土体的“围箍”作用来提高地基的承载力，虽然地基的承载力提高较小，但却有良好的排水作用；对于粘性材料桩复合地基主要依靠桩侧阻力和端阻力把作用与桩体的荷载传至深部土层，地基的承载力较大，但排水性能等其他特性不是特别突出。针对以上各种复合地基的特性，人们在工程选用时取长补短，使其更好地发挥各自优势，把地基处理得更好[4-7]。

1.1 CFG桩和碎石桩的联合使用

碎石桩和CFG桩在我国应用已久，是比较成熟的地基处理工艺。正如上边提到：碎石桩是散体材料桩，桩体承载力主要依赖于桩间土的“围箍”作用，对于提高复合地基的承载能力有限。但由于其良好的排水通道作用，对于处理软粘土地基和消除地基土的地震液化具有得天独厚的优势；CFG桩是刚性桩，桩体刚度大，承载力高，可以大幅度的提高地基承载力和控制变形。当把这两种桩型组合在一起使用时，可以产生明显的优势互补作用：利用碎石桩来提高浅层地基的承载力，并增大浅层地基土的复合模量，减少浅层土变形，同时建立排水通道消除地基土层液化；利用CFG桩寻找深层持力层，大幅提高地基承载力并控制沉降变形。如对于可液化的地基，既要求消除土体的液化，又要求有较高的承载力，当采用单一的碎石桩加固地基，虽然可以消除液化，但承载力提高幅度有限，达不到设计要求。此时，可采用碎石与CFG两桩型复合地基方案，以达到既消除地基的液化又大幅度的提高地基承载力的目的。

从公开发表的文献看，在国内采用碎石与CFG两桩型复合地基的工程数不胜数，下边就举山西省财政厅办公楼工程。该工程利用碎石桩的挤密、振密作用，提高桩间土的密实度与强度，又利用其振动工艺使地基土受到一定时间与一定程度的多次重复预液化作用，并通过高渗透性碎石桩体，改善地基的排水条件，达到缩短排水路径、加速超静空隙水压消散、抑制液化发展、有效提高地基土的抗液化能力的效果。但考虑到仅仅采用碎石桩复合地基对该工程地基承载力的提高幅度有限，为进一步提高复合地基承载力，并增强对碎石桩的侧限约束作用以减少碎石桩顶部的压胀变形，避免产生鼓胀破坏的可能性，该工程又采用了CFG桩对地基进行进一步处理，形成了碎石与CFG两桩型复合地基。实践证明，能够充分发挥两种桩型的优势，具有良好的技术和经济效益。

1.2 碎石桩和水泥土搅拌桩联合应用

我们都知道，在多种可液化地基处理加固方法中，干振碎石桩由于施工简单、工程造价低、消除液化效果明显等优点而应用较广，并且积累了丰富经验。但施工时的振动使易液化地基产生预先液化，而且软弱土因排水固结对邻近建筑带来不利影响。从城市建设来讲，碎石桩使用有局限性。根据文献[1]第8.2.4条的规定，碎石桩处理地基的宽度应超出基础的宽度不小于3～5m，这样就更缩短了桩基与已有的建筑物的距离，对其邻近建筑物产生的不利影响更加明显，可能会造成局部倾斜、墙体开裂、道路塌陷等，甚至有时不得不放弃使用碎石桩而采用工程预制桩或灌注桩。

干振碎石桩与水泥深层搅拌桩联合应用就是在碎石桩施工前，先在外围采用深搅桩密排施工形成一道地下连续墙，其作用是：①使软土和固化剂（水泥、石灰、粉煤灰等）强制搅拌后，经过一系列的物理化学反应形成具有一定整体性和稳定性的水泥土墙，既能减轻碎石桩施工产生的振动，又能切断基础内外地下水的联系；②外围设水泥深搅桩连续墙后，既减少了围护桩的数量，桩间土的侧限约束作用又得以增强，桩顶散粒部分的胀压变形得到控制，复合地基承载力进一步的提高；③施工时对基坑可以起到支护作用，方便了狭小场地下的基础施工，能降低工程造价。在工程中的相关案例就是徐州矿务集团一机厂18#住宅楼工程，该工程就是在天然地基为约19m厚严重液化粉砂土上，采用沉管灌注桩和碎石桩，有效的控制了沉降，防止了天然土的液化，提高的了地基的承载力。由此可见，在干振碎石桩处理液化土地基的施工中，联合使用干振碎石桩与水泥深层搅拌桩，既扩大了碎石桩的应用范围，又有利于复合地基承载力的大幅提高，具有一定的应用前景。

1.3 石灰桩和CFG桩的联合使用

工程中，单独应用石灰桩、CFG桩处理地基已有许多成功的先例。但有时只用一种方法还不能满足地基的承载力及变形的要求，有时则施工困难或造价过高。采用石灰桩与CFG桩联合应用的方案，即先用石灰桩处理，利用生石灰吸水、膨胀挤密作用，提高桩间土的承载力，增加桩间土对CFG桩的侧摩阻力，同时迅速降低施工场地内地下水位，再利用CFG桩桩体强度高的特点，可大幅度提高复合地基承载力。这样不仅可降低工程造价，还可消化电厂废料粉煤灰，取得经济和社会双重效益。相关的工程案例为太原市某高层住宅楼设计，它的工程地质条件为场地土以第四纪松散堆积物为主，层位、厚度基本稳定，岩性主要为粉土、粉质粘土与中细砂，经计算，单用石灰桩不能达到承载力要求，而单独采用CFG桩造价过高，且施工困难。故选用石灰桩与CFG桩联合应用的方法。在设计计算时，由于相关计算参数取值的合理性与准确性才有了这种联合应用的实现。

2 复合地基的变刚度调平设计

复合地基的变刚度调平设计，顾名思义就是通过在一个工程中的不同位置变换地基的刚度来达到复合地基优化设计的方法，其中有变桩的疏密、桩的长短、桩的粗细等方法。我们都知道，如今高层建筑是目前普遍的结构形式，它不但最大限度利用了空间，而且可以更高效的提供各种社会服务。为了丰富使用功能和提高建筑物自身稳定性的要求，主楼旁往往带裙楼，形成塔楼大底盘结构。塔楼大底盘之间刚度差异和荷载作用差异无疑是巨大的，即便是在上部荷载均匀分布、复合地基等刚度布置，但由于桩一土间的相互作用会导致复合地基的竖向支承刚度分布发生内弱外强的改变，从而使得地基变形出现内大外小的碟形分布，基底反力出现内小外大的马鞍形分布，为解决这类高层建筑地基承载力和变形两大核心问题，变刚度调平设计应运而生，且已写入相关的《建筑地基处理技术规范》（JGJ 79-2012）中。

2.1 长、短桩复合地基的联合应用

如今，长、短桩所形成的新型复合地基已经开始在工程中得到应用，并越来越显示出其技术上的优越性和经济上的合理性。长、短桩复合地基可有效地提高地基强度，减少沉降，并降低造价。当地基承受垂直荷载时，桩和桩间土都要发生变形。因桩的模量比土的模量大，桩的变形比土的变形小，为此在基础下面设置了一定厚度的褥垫以使在变形过程中桩可以向上刺入褥垫层。随着这一变化，褥垫层不断调整着桩、桩间土间的应力分布，以保证在任一荷载下，桩和桩间土始终共同参与工作。同单纯的短桩或长桩相比较，长、短桩采用长桩和短桩间隔布置的方式，由于加固范围全场地通过应力等值线，被加固的桩间土处于有利的三向应力状态，从而使天然土积极参与工作。长短桩复合地基在竖向上利用了桩的有效工作长度（刚度越小，其有效工作长度越短），设计成刚性桩为长桩，柔性桩为短桩，从而在竖向上形成3个刚度梯度，人工构成了3层地基。即在基底以下，第一刚度：刚性桩+柔性桩+土；第二刚度：刚性桩+土；第三刚度：原天然土。这种长短桩的布置方式，改变了刚性桩与柔性桩复合地基的变形场，天然土层的普遍规律是上部土层弱，下部土层强，长短桩复合地基恰好达到了弱者多补，强者少补的效果。因此，刚性桩、柔性桩及桩间土组成的复合地基可以使强度得到显著提高，并且有效地减少了变形。

相关的工程实例为：徐州市某小区1#住宅楼工程，该工程采用长、短桩复合地基，其中长桩采用素混凝土沉管灌注桩，混凝土强度等级为C20，桩径450mm，桩长16.0m；短桩采用深层水泥土搅拌桩，桩径500mm；桩长9.0m。长、短桩在平面上成排交叉布置。共用长桩152根，桩径450mm，沉管灌注桩；短桩180根，桩径500mm，水泥土搅拌桩。28d后，对复合地基进行了静载试验，试验的总沉降均小于20mm，远远小于相关规范要求，且沉降随时间、荷载的变化都是均匀的。未达到极限承载力状态，安全储备还很大。由此可见，长、短桩复合地基根据桩的设置特点，合理地改善了平面的刚度组合与竖向刚度组合，形成了土的三维应力状态。通过复合地基载荷试验数据可以看出，这种复合地基最大限度地利用了两种桩的特点，提高了桩间土的参与作用，有效地提高了地基强度，减少了沉降，加快了施工速度，并降低了造价，具有较好的应用前景。

2.2 疏、密桩复合地基联合使用

疏、密桩复合地基和长、短桩复合地基相相似，是通过改变桩的粗细达到变刚度的设计要求，也常用于主楼与裙楼之间，在这里不对其运用原理进行详细介绍，主要的工程实例是青岛市万达影都的工程，由于对相关桩基进行了载荷试验，对影都酒店区的一部分桩的间距由原来的一米二变为了一米五，这样大大减少了工程造价，初步估计可节省几千万元。

当然，在工程实际应用中也有改变桩粗细变刚度的方法，除此之外，还有这几种变刚度方法的联合应用，不管哪种方法，对方法运用后沉降计算至关重要，最终到达沉降的均匀性是这几种方法的目的。

3 结语

复合地基的优化设计是现在岩土工程的研究前沿，不论哪种优化方法，都是以控制建筑物的沉降为核心的，随着技术的不断发展，复合地基的优化设计结论已逐渐被广泛推广，有的甚至已写入相关的规范，但对复合地基的优化技术的应用还是存在很多的不足的。所以，还需要我们不断改进与创新。

参考文献：

[1]龚晓南，主编.地基处理手册[M].三版.北京：中国建筑工业出版社，2008.

[2]林宗元，主编.岩土工程治理手册[M].四版.北京：中国建筑工业出版社，2005.

[3]刘松玉，钱国超，章定文.粉喷桩复合地基理论与工程应用[M].北京：中国建筑工业出版社，2006.

[4]周国钧主编.岩土工程治理新技术[M].北京：中国建筑工业出版社，2009.

[5]叶书麟，叶观宝.地基处理[M].二版.北京：中国建筑工业出版社，2004.

[6]郑俊杰.地基处理技术[M].武汉：华中科技大学出版社，2004.

[7]建筑地基处理技术规范（JGJ79-2012）[S].北京：中国建筑工业出版社，2012.