我国复合地基理论及工程应用初探
| 1.建筑工程都是从基础开始建造，而基础又位于地基之上。以往由于受到生产技术条件的限制，尽量选择较好的工程地质条件而把主要重点放在基础工程和上部结构工程。近年来，随着我国经济建设的持续快速的发展，基本建设规模不断扩大。现代工业、城市布局、交通及高层重型建筑物等的发展，对地基和基础工程提出了更高的要求，且愈来愈多的工程需要对天然地基进行人工处理。以满足结构物对地基承载力和变形的要求，保证结构物的安全和门常使用。地基处理作为一门实用性很强的学科，其理论与实践正处于不断发展、完善之中，且日益受到了工程界及学术界的重视。各种软弱地基在我国分布很广，在工程建设中地基处理费用所占比例往往很高。我国从七十年代开始采用复合地基加固软土地基。复合地基具有提高地基的承载力，减少地基沉降量及沉降差，提高地基抗地震液化能力，所以是现代快速加固软弱地基的一种行之有效的方法，也是土力学中一个较有生命力的分支。复合地基技术以其工艺简单、施工方便、造价低廉等优势，在工程建筑的地基处理中也得到了广泛应用。 2.复合地基理论的研究现状 自20实际60年代，国际上首次使用“复合地基”（Composite Foundation）一词以来，复合地基理论已成为许多地基处理方法的理论分析及公式建立的基础和根据。且被大量运用到如碎石桩、水泥土搅拌桩、旋喷桩、石灰桩和灰土桩等加固地基的理论分析中。近年来，水泥粉煤灰碎石桩(CFG桩)、树根桩及疏桩基础也被引入复合地基理论范畴。复合地基理论的研究已得到国内外岩土工程界和学术界的重视。 复合地基的出现虽然才40多年，但其工程应用却有着长远的历史。天津市在修建公园时曾在清代道台衙门的旧址下，挖出长300~500mm的石灰桩。复合地基理论是地基处理技术的理论升华。地基处理技术是伴随着人类文明的起源而兴起的。但现代地基处理技术起源于欧洲。1835年法国工程师设计了最早的砂石桩。设计桩长2m，直径20cm，每根桩的承载力为10kN。后来德国S. Steuerman在1930年提出采用振冲法加密砂性土原理。1933年，德国J.Keeller制成了第一台振冲器，并于1935年在纽伦堡用于加固松散粉砂地基。后来在美国、欧洲、日本等地得到应用。1960年左右在英国开始将振冲法应用于加固粘性土地基。不久，在德国、美国和日本也用于加固软粘土地基。1976年下半年，南京水利科学研究所和交通部水运规划设计院共同研究振冲法加固软填土地基技术，1977年试制出我国第一台13kw的振动水冲器，1977年9月首先用于南京船厂船体车间软粘土地基加固，加固深度13~18m。20世纪80年代末由中国建筑科学研究院地基所开发了CFG桩复合地基成套技术，1992年通过了建设部组织的专家鉴定，并在国内得到了广泛的应用。 当前复合地基理论研究的最新发展表现为：①多元复合地基的出现和大量应用；②工前、工中、工后地基处理方式的灵活应用；③一次型施工与工后加固方式的有机结合；④增强承载力与减少沉降相结合，对于不同的目的采用不同的思路。 3.复合地基的分类 复合地基可以根据增强体的方向分为竖向增强体复合地基和水平向增强复合地基。 竖向增强体习惯上称为桩，竖向增强体复合地基通常也被称为桩体复合地基。桩体复合地基根据竖向增强体的性质又可分为三类：散体材料桩复合地基、柔性桩复合地基和刚性桩复合地基。水平向增强体复合地基主要包括由各种加筋材料，如土工聚合物、金属材料格栅等形成的复合地基。 散体材料桩复合地基的桩体是由散体材料组成的，桩身材料没有粘结强度，单独不能形成桩体，必须依靠周围土体的围箍作用才能形成桩体。散体土类桩复合地基的承载力主要取决于散体材料的内摩擦角和周围地基土体能够提供的桩侧阻力。柔性桩复合地基的桩体刚度较小，但具有一定的粘结强度。柔性桩复合地基的承载力由桩体和桩间土共同承担，其中绝大多数情形为桩体的置换作用。刚性桩复合地基主要是通过桩体的置换作用来提高地基的承载能力，由于桩体本身强度较高，所以承载能力比散体桩、柔性桩复合地基提高很多。中国建筑科学研究院地基基础研究所于1992年开发成功的CFG桩复合地基即为中国最早的刚性桩复合地基。 根据复合地基工作机理可将复合地基作如此分类：（见图1） 4．复合地基理论的工程应用 4.1复合地基承载力计算 桩体复合地基承载力的计算思路通常是先分别确定桩体的承载力和桩间土的承载力，然后根据一定的原则叠加这两部分承载力得到复合地基的承载力。复合地基的极限承载力Pcf[1]可表示为：（见图2） 式中，ppf为单桩极限承载力（kPa）；psf为天然地基极限承载力（kPa）；k1为反映复合地基中桩体实际极限承载力与单桩极限承载力不同的修正系数；k2为反映复合地基中桩间土实际极限承载力与天然地基极限承载力不同的修正系数；1为复合地基破坏时，桩体发挥其极限强度的比例，称为桩体极限强度发挥度；2为复合地基破坏时，桩间土发挥其极限强度的比例，称为桩间土极限强度发挥度；m为复合地基置换率，m=Ap/A，其中Ap为桩体面积，A为对应的加固面积。 复合地基的容许承载力pcc计算式为（见图3） 式中，K为安全系数。 当复合地基加固区下卧层为软弱土层时，按复合地基加固区容许承载力计算基础的底面尺寸后，尚需对下卧层承载力进行验算。 式（1）中，桩体极限承载力可通过现场试验确定。如无试验资料，对刚性桩和柔性桩的桩体极限承载力可采用类似摩擦桩的极限承载力计算式估算。散体材料桩桩体的极限承载力主要取决于桩侧土体所能提供的最大侧限力。 散体材料桩在荷载作用下，桩体发生鼓胀，桩周土进入塑性状态，可通过计算桩间土侧向极限应力计算单桩极限承载力。其一般表达式可表示为[2]（见图4）。 式中，ru为桩侧土体所能提供的最大侧限力（kPa），KP为桩体材料的被动土压力系数。 计算桩侧土体所能提供的最大侧向力常用方法响Brauns计算式，圆筒形孔扩张理论计算式等。式（1）中，天然地基的极限承载力可以通过载荷试验确定，也可以采用Skempton极限承载力公式进行计算。 水平向增强体复合地基主要包括在地基中铺设各种加筋材料，如土工织物、土工格栅等形成的复合地基。加筋土地基是最常用的形式。加筋土地基工作性状与加筋体长度、强度、加筋层数以及加筋体与土体间的勃聚力和摩擦系数等因素有关。水平向增强体复合地基破坏可具有多种形式，影响因素也很多。到目前为止，水平向增强体复合地基的计算理论尚不成熟，其承载力可通过载荷试验确定。 在复合地基设计时有时还需要进行稳定分析。如路堤下复合地基不仅要验算承载力，还需要验算稳定性。稳定性分析方法很多，一般可采用圆弧分析法计算。 4.2复合地基沉降计算 在各类实用计算方法中，通常把复合地基沉降量分为两部分，复合地基加固区压缩量和下卧层压缩量，如下图所示。图中h为复合地基加固区厚度，Z为荷载作用下地基压缩层厚度。复合地基加固区的压缩量记为S1，地基压缩层厚度内加固区下卧层厚度为（Z-h），其压缩量记为S2 。于是，在荷载作用下复合地基的总沉降量S可表示为这两部分之和[3]（见图5）。 复合地基加固区土层的压缩量S1的计算方法主要有下述三种：复合模量法（Ec法）、应力修正法（ES法）和桩身压缩量法（Ep法）)。三种方法中复合模量法应用较多。加固区下卧层土层压缩量S2的计算常采用分层总和法计算。在工程应用上，作用在下卧层上的荷载常采用下述三种方法计算：压力扩散法、等效实体法和改进Geddes法。 复合地基的沉降计算也可采用有限单元法。在几何模型处理上大致上可以分为两类：①把单元分为增强体单元和土体单元两类，增强体单元如桩体单元、土工织物单元等，并根据需要在增强体单元和土体单元之间设置或不设置界面单元；②可以把单元分为加固区复合土体单元和非加固区土体单元两类，复合土体单元采用复合体材料参数。 5．结论与展望 复合地基已成为土木工程建设中常用的基础形式之一。采用复合地基可以比较充分利用自然地基和增强体两者的潜能，并且可以通过调整增强体的刚度、长度、和复合地基置换率等设计参数以满足地基承载力和控制沉降量的要求，具有较大的灵活性。因此复合地基具有一定的优势。展望复合地基的发展，在复合地基计算理论、复合地基形式、复合地基施工工艺、复合地基质量检查等方面都具有较大的发展空间，都有很多工作需要做。复合地基的发展需要更多的工程实践经验的积累，需要工程记录的研究，需要理论上的探索，需要设计、施工、科研和业主单位共同努力。 可以认为在以下几个研究方面应予以重视：①各类地基载荷规律，应力场和位移场特性；②各类复合低级承载力和沉降计算方法及计算参数研究；③按沉降控制复合地基设计理论；④给类复合地基优化设计理论；⑤动力载荷和周期载荷作用下给类复合地基性状；⑥复合地基测试技术等。同时，与竖向增强体复合地基相比较，水平向增强体复合地基的工程实践积累和理论研究相对较少。随着土工合成材料的发展，水平向增强体复合地基工程应用肯定会得到越来越大的发展，要积极开展水平向增强体复合地基的承载力和沉降计算理论的研究。展望复合地基技术的发展，可以相信在最近几年在理论和工程实践两个方面我国都会有长足的发展。 |
