复合地基的设计理论及其计算方法研究

刘海

摘    要：近年来，我国的工程建设规模不断增大。传统地基的处理方法造价高，难以满足工程建设要求和大面积使用。研发高性能地基处理技术是国民经济发展的重大需求。本文基于复合地基理论体系，研发了高性能复合地基技术，满足了不同类型的工程建设需求，推动了建筑科技的进步。本文阐述了复合地基的设计理论。根据作用形式，设计了复合地基的承载力和沉降计算方法。

关键词：复合地基;设计;计算;承载力

1  引言

随着复合地基技术的发展和完善，两种不同类型的桩与地基土组成的复合地基被提出。随着不断深入地对桩基理论进行研究和实践经验的不断积累，复合地基也具备了充足理论依据。

2  讨论

复合地基是指天然地基在地基处理过程中部分土体得到增强，或被置换，或在天然地基中设置加筋材料，加固区是由基体和增强体两部分组成的人工地基 [1]。

2.1   复合地基的分类

复合地基一般分为水泥土搅拌桩复合地基、高压喷射注漿桩复合地基、砂桩地基、振冲桩复合地基、土和灰土挤密桩复合地基、水泥粉煤灰碎石桩复合地基及夯实水泥土桩复合地基[2]。

在荷载作用下，基体和增强体共同承担荷载的作用。基于复合地基荷载传递机理，我们将复合地基分为：竖向增强体复合地基和水平向增强复合地基。其中，竖向增强体复合地基包括：散体材料桩复合地基、柔性桩复合地基和刚性桩复合地基。

2.2  复合地基特点及形成条件

2.2.1  复合地基特点

首先，基体和增强体组成了加固区，地基是非均质、各向异性的;其次，在荷载作用下，基体和增强体共同直接承担荷载的作用。

2.2.2  复合地基的形成条件

增强体与天然地基土体通过变形协调共同承担荷载作用。垫层是保证形成复合地基的基本措施，但不是必要的。

2.2.3  复合地基的优点

（1）大幅度节约造价。

（2）强度高，可以用在高层和超高层之间的建筑。

（3）工期缩短近三分之一，而且工艺很简单。

（4）沉降小，沉降量在6mm～20mm之间，可以有效的解决不均匀沉降。

（5）可以应用在高层建筑、多层建筑、机场、大型储罐、堆场、路基、桥梁基础等多种建设工程。

（6）使用于需要采用桩地基或者是需要地基处理的土层。

（7）地基承载力的可补性大幅度提高了地基强度。

2.3   复合地基设计理论

根据地基土的物理力学特性及其分布情况，在复合地基当中设置的桩不仅能够提高承载力，而且可以减小压缩层变形。当基底以下存在较厚的软弱土层时，采用短桩对该区域土层进行加固，减小地基上层的沉降变形，同时也可提髙基底土层的承载力。长桩的主要作用是弥补经短桩加固后的地基承载力的不足，同时也减少了复合地基的沉降。复合地基的桩的强度必须满足承载力的要求。当基底以上存在理想的持力层时，如果我们把短桩端放在上层持力层，复合地基承载力能满足设计要求，但沉降计算结果偏大，不能够满足设计需求。如果我们把长桩端放在下层持力层，复合地基的承载力能满足设计需求，但工作量增大，花费高。在这种情况下，复合地基把基础的沉降控制在设计要求范围内，达到减小基础沉降量的目的。当采用刚性桩复合地基时，由于刚性桩与桩间土模量比较大，造成应力集中现象显著。因此，考虑用短桩增大桩间土的承载能力，减小刚性桩的应力集中，再与长桩共同作用。形成的长短桩复合地基来提高地基的承载能力。短桩能提髙地基的承载能力，还能增大地基土竖向刚度，减小复合地基加固区变形。长桩会抑制复合地基周围土体的隆起。

2.4  复合地基的设计

在设计中，长桩采用混凝土钻孔桩，短桩采用水泥土搅拌桩。分析复合地基计算模式后，结合实际情况，设计长桩为直径60cm钻孔灌注桩，强度为C25，有效桩长为38.m，桩端持力层进100cm，短桩与长桩间采用直径60cm水泥土搅拌桩，桩长为900cm。承载力标准值fsp。复合地基的承载力达到373kPa，满足设计要求。

3  复合地基承载力计算

根据复合地基情况分析，提出复合地基承载力的计算模式。基本计算流程如下：

（1）对短桩复合地基的承载力进行估算;（2）对长短桩复合地基承载力进行估算;（3）对短桩、长桩承载力标准值进行计算;（4）对承载力进行修正。

设计时，我们应当充分地考虑受荷后抗力达到极值，不应再考虑给对长桩的抗力留宽裕度。这样控制了基础的沉降，又充分发挥复合地基的承载力。

4  复合地基沉降的计算

分析土中附加应力的分布及复合地基复合模量的计算是复合地基沉降计算中的重要部分。首先，我们需要分析变形机理。对于长短桩复合地基，桩间土体和桩体共同沉降，桩体的变形模量大，土体和桩体不可能共同沉降。

复合地基的最终沉降S三部分压缩变形量组成，如式3：

5  结论

随着复合地基的出现，柔性桩复合地基承载力较低、工程造价较髙的问题被解决了。本文介绍了复合地基的设计理论，并提出了复合地基的承载力和沉降计算模式，在不同程度上满足了高层建筑承载力和沉降变形的要求。因此，在今后的建设中，复合地基值得进一步应用。

参考文献：

[1] 闫明礼，等.CFG桩复合地基在工程中的应用，建筑学会地基基础学术委员会学术会议论文集，1990：219～223.

[2]马骥，等.长短桩复合地基设计计算[J].岩土工程技术，2001（2）：86～91.