复合桩基的研究现状及设计建议

刘同焰 （安徽省建筑科学研究设计院，安徽 合肥 230032）

就现目前而言，在我国复合桩基由于其能够带来巨大经济效益的原因，得到了高度的重视，在我国许多大型的工程项目都有复合桩基的身影，但不同的工程中需求不同，对于复合桩基的设计也就有所不同，

1 传统的复合桩基与现在桩基的异同

和现在的桩基设计方法不同，按照荷载能力极限的状态下进行设计的是传统的桩基设计的基本方法，也就是说需要把外负荷分配到每一个桩基上面，荷载再从桩基传递到桩的持力层里面，由此连接起桩基和承台板的这一构造，每一个桩基所分布承受的荷载加起来的总和就是这一结构所需要承受的总体荷载。这种方式的结构设计在工程项目中被广泛的应用，然而这种结构设计由于没有完全的考虑到承台、桩以及桩间土三者在实际运作时，同时对桩基产生一定的影响，从而该设计并不完全与桩基的工作原理吻合。《建筑桩基技术规范》（JGJ94-2008）中准确的描述记载了关于复合桩基的承荷力受承台效应、群桩效应的负面作用。鉴于此，在工程设计中如果能够更加详细分析，更多的把握住复合桩基的实际工作原理以及受力特征，将会推动复合桩基的结构设计上的完善。《建筑桩基技术规范》（JGJ94-2008）中还制定了必要的三个条件来约束土、群桩和承台三者共同作用的复合桩基：①非端承桩桩基数目大于3根；②承台底端与地面有效相连，即底面与地面紧密接触；③承台底面接触土体具有一定的承载能力，必须为非液化土、非湿陷性黄土、非高灵敏度软土、非欠固结土、非新填土或可能出现震陷、降水、沉桩过程产生高孔隙水压和隆起等土体。

这些都是由于承受太以及承受台底部土地所承担的外荷载是整个桩基下沉而保全建筑物的安全和其使用功能的前提下所建造出来的。然而承受端力的桩的底面非常硬，所以桩顶往下的下降不会有很多，也就是说承力桩对于底面的接触会比较小，用这样的原理，承力桩的顶部所承受的荷载主要是通过桩的底部传给土地层，而其所受的压力和荷载会随着桩底的增加而向周围扩散，鉴于此就不会让承力桩因为负载的增加而轻易变形，或者被破坏。各个基桩的承载力之和就是整个群桩所需要承载的力的总和，对于复合桩机的承台、桩底以及土面每个部分所起的作用，相关研究人员对它们都非常感兴趣，并且进行了许多相关的研究和探讨，其中有限元法中运用superSAP这一软件能够通过实验和其具体情况的分析，加之土面承载台及桩基的利用情况探讨出复合桩基对于整个工程的有益之处。

2 国内复合桩基的研究现状

我国现在对于复合桩基的设计方法主要有以下几种。

①变化刚度的设计方法，这一方法是由我国刘金砺等人研究实践出来的，他们通过土层的不同、桩原料的不同、桩长短的不同、两个桩之间的距离不同等实验研究得出了这样一个结论：土层一样，但复合桩的形状变化随着桩距的不同而发生变化，两个复合桩之间土体的压缩变形越多，说明其两个桩之间的距离越远，反之，被压缩变形的几率会降低。复合桩在土体中的部分压缩变形得多，说明其桩进入土体层的长度太浅了，反之，进入土体层越深，其压缩变形的几率越小，再者，桩进入土层的深浅的关系比线弹性的理论值会小很多。鉴于此，他们对桩的土层、土质、桩的长短、桩进入地面的深浅以及两个桩之间的距离等进行调整，根据其具体工程情况的需要，来设计出适用于不同场合和对象的复合桩基，适当的加强了一部分复合桩基的承载刚度，减小一部分桩基的承载刚度，让总体沉降的差异基本调和，不会出现太大的差异性。

②减少沉降量的复合桩基础设计方法，我国有关专家认为，复合桩基的桩在软土的土层中布置量比较少时，承台底面下的厚而软的卧土层引起的沉降量必然过大，超过规范允许范围，为了让沉降值控制在规范允许范围，必须布置适量的桩。关于复合桩基础的沉降的计算方面的问题，我们主要应该注意以下两个方面：a.当桩距不大于6倍桩径时，沉降计算时不应考虑承台下土的作用，单桩承载力可以按照规范考虑承台下土的作用带来的提高，外荷载全部由桩基承担，此时按照桩基础进行沉降计算，只需要计算出桩端平面土体承担桩传递的附加荷载在土层中产生的附加应力，然后再按照分层总和的方法计算桩基础的沉降大小，计算沉降总量时应计入桩身压缩量；b.当桩距大于6倍桩径时，单桩承载力可以按照规范考虑承台下土的作用带来的提高，同时沉降计算时也应考虑土体的有利作用。如果承台直接接触的土层具有一定的承载力，荷载由桩筏基础中的桩和承台下土体共同承担。为安全起见，布置桩数量时，只考虑桩的承载力，不考虑土的承载力，此时沉降计算值可能会超过规范规定。那么沉降计算时，就可以先用天然地基中的应力计算方法计算承台下土承担的荷载在桩端平面土中产生的附加应力，附加应力计算可以按照承台下土层中承载力最小层土取值，然后计算桩承担的荷载在桩端平面土中产生的附加应力，桩端平面土中的附加应力为这两者之和，然后按照分层总和法计算桩筏基础的沉降。如果沉降值超过规范规定，则可以调整承台尺寸，而不是再增加桩的数量或长度，重新进行沉降计算，通过反复多次计算，直到沉降值满足规范规定为止，计算沉降总量时应计入桩身压缩量。

③减沉复合疏桩基础设计方法，对于在软土地基上建设多层建筑，地基承载力按照建筑底层平面面积计算基本满足要求时，为了控制沉降值满足规范要求，可以设置穿过软土层进入压缩模量相对较大的土层疏布置摩擦型桩。承载力计算时，可以考虑承台和桩的各自作用，即布置桩和承台时荷载由承台和桩共同承担。疏桩基础的沉降量为地基土承担荷载引起的沉降量和桩基承担荷载引起的沉降量之和。和的计算方法可分别参照一般天然地基浅基础与一般桩基础的沉降计算方法，计算时可以不考虑桩身压缩的影响。

3 研究成果和设计建议

桩的承载力一般由桩端承载力形成的端阻和桩身与土的摩擦形成的侧阻叠加而成，对于低承台桩，承台与土必然接触，土对承台必然有承载力。研究表明，桩基和承台土对于承载力一直起着共同承担作用，对于有侧阻的桩，当承台底部土质承载力相同时，承台土分担的荷载比例随着承台宽度与桩长比值的变化而变化，在比值较小阶段，承台土分担承载力比例随着承台宽度与桩长比值加大上升较快，比值到达一定数字后，承台土分担承载力比例上升明显变慢。说明，承台宽度与桩长比值有一个最佳值能够使得承台土承载力比例处于最佳状态。对于桩端有承载力很大且埋深较浅的土层，而上部土层承载力很小时，此时桩的端阻占绝对主导地位，为了减少工程造价，可以直接采用小桩距布桩法，承台较小，不按照复合桩基设计，所有荷载由桩承担，沉降计算一般情况下满足规范要求。当桩长较长且侧阻在桩承载力中所占比值较高时应进行方案比较分析，对于单承台下多余3根桩的情况，一种方法是不按照复合桩基设计，采用小桩距，所有承载力由桩承担，沉降计算时不考虑承台下土的作用，此时，承台较小。另一种方案时按照复合桩基设计，沉降计算时考虑承台下土的作用，承载力计算时可按照具体工程情况是否考虑承台下土的作用。从复合群桩基础受力特性来看，桩基的优化设计的目标是桩的布置满足承载力和沉降值要求，通过合理的桩基布置方案，使得桩基和承台的综合造价最优。