关于复合地基设计方法的分析研究

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摘要：本文首先讨论了目前复合地基设计的主要方法，理论分析法表达形式简单，容易掌握，而试验方法是实际工程中使用最多也是最可靠的方法，所以实际设计宜采用理论分析法结合载荷试验的方法，然后对影响复合地基桩土应力的影响因素进行了分析，指出求解复合地基的桩土应力问题，需综合考虑桩顶刺入量、桩身变形和桩端刺入量的影响。最后分析指出复合地基设计时，应利用载荷试验能体现多因素影响的优势，建立考虑垫层厚度、桩间土的刚度、桩刚度的计算方法。

关键词：复合地基、载荷试验、理论分析法、桩土应力

中图分类号：TU2文献标识码：A

0引言

复合地基的本质是通过协调变形使桩同发挥作用，较之荷载仅由桩体来承担的桩基更为经济与合理，这种优势促使了复合地基在房屋建筑、公路、铁路、堆场、机场、堤坝等工程建设中的广泛运用[2]。

复合地基由桩和桩间土组成，复合地基承载力的大小取决于桩和桩间土承载力的发挥。在复合地基设计中，总是希望桩体和桩间土都能最大限度的发挥其各自的承载力。在地基破坏时，桩和桩间土同时达到各自的极限承载力[1]。

本文首先讨论了目前复合地基设计的主要方法，指出宜采用理论分析法结合载荷试验的方法，然后对影响复合地基桩土应力的影响因素进行了分析，最后提出了复合地基的设计思路。

1复合地基设计方法的讨论

从目前的研究情况来看，对复合地基的设计方法的研究主要分成下面几类：试验法、有限元法、理论分析法。

试验方法是实际工程中使用最多也是最可靠的方法[2]，但也存在一些问题，如测量条件不能完全与实际条件一致导致测量数据偏差、测量机械简陋影响测量数据质量等等，同时试验费用较其他方法昂贵。

有限元法是一种可以求解复杂工程问题的数值方法,它是建立在现代计算机技术和工程问题基本理论基础上一种研究手段。在对复合地基研究的过程中，有限元能够较全面地反映复合地基中桩和桩间土的相互耦合作用及其非线性特征，同时还可以考虑桩、桩间土和褥垫层等不同介质的各种分布情况，在分析各种因素对复合地基力学性状的影响时具有较大的优越性。

但是有限元法存在接触面的处理，材料的本构，褥垫层的补充模拟，计算参数的选用等问题[2]。①接触面单元:虽然存在多种单元，但有的单元不能完全反映桩土间相互作用的力学机理，需要针对所研究的桩型选用恰当的单元形式来描述桩土间接触特性。②材料本构模型:由于土的非线性，到目前为止，还没有哪个本构模型可以体现土的各种特性，不同土的本构，往往针对某个问题才具有合理性，所以要根据所要研究的问题灵活选用土体本构。③计算参数选用：现场土体性质很不均匀，且各向异性，选取计算参数比较困难实际计算时,往往进行简化，认为在某一段范围内土体是均匀的，各向同性的，这将导致最终结果的失真。④褥垫层的补充模拟问题:复合地基的褥垫层通常是由散粒体材料构成，对复合地基起调节荷载，协调桩土变形的作用，有限元无法模拟出褥垫层的流动补充作用。

理论分析法在求解桩土应力比问题时，也存在较多问题，如土的本构的选取，桩土接触处摩擦力如何计算以及土中复杂的应力条件[3]等等，实际问题复杂的受力条件和边界条件，都会给理论分析法带来很大的困难。

尽管理论分析法存在很多问题，可是由于表达形式简单，容易掌握，更容易被工程人员接受，能更好的服务实际工程。

鉴于上述分析，因为试验方法是目前实际工程中最可靠的方法，所以实际设计不能完全脱离试验，应采用理论分析法结合试验方法的办法解决实际问题，理论分析法的结果一定要结合试验结果分析。

2复合地基桩土应力的影响因素及设计思路

复合地基设计中主要关心的问题是地基的沉降、承载力以及桩土应力分配问题。其中桩土应力分配对沉降和承载力有着直接的影响，也决定了复合地基设计的合理性。所以复合地基桩土应力的计算是复合地基设计中的重要问题。

2.1 复合地基桩土应力的影响因素分析

影响复合地基桩土应力的因素很多，如荷载水平、褥垫层厚度、桩土相对刚度、加固区下卧土层的刚度、桩长、置换率等等[4]。正是由于影响因素过多，想要准确的计算承载力发挥系数是困难的。

复合地基的根本特点就是桩同承担荷载，土的应力发挥离不开桩的位移和变形[5]。桩土应力主要是由桩顶刺入量、桩身变形和桩端刺入量决定。所以在研究桩土应力的时候，应全面考虑影响因素。

首先对桩顶刺入量进行分析，桩顶刺入量主要是由垫层厚度决定。在不考虑桩体压缩和桩端刺入的情况下，在基底压力作用下，就会产生桩顶的向上刺入，随着桩顶的刺入，基地压力就会向桩间土转移。大量试验表明，垫层厚度越大，桩顶刺入量越大，桩间土应力越大，发挥越充分。所以桩的刺入量主要受垫层刚度控制，也即垫层厚度越大，垫层土越软，越容易刺入。

然后对桩身变形进行分析，当桩端土层较硬，桩端无法刺入，同时假设桩顶垫层厚度为零。对于刚性桩和柔性桩，在荷载作用下，桩土应力发挥是不同的，对于刚性桩，由于其变形很小，桩顶和桩端均无法刺入，此时类似于桩基础，则土的发挥将很有限，绝大多数的应力有桩承受。对于柔性桩，由于桩身在外力作用下可以变形，则随着桩身的压缩，土的应力会逐步发生。

对于桩端刺入量，主要取决于桩底土层的刚度，桩底刚度越大，桩向下刺入越困难，土的应力也难发挥，桩底刺入越大，土的承受的应力越大。

而桩顶刺入量、桩身变形和桩端刺入量并不是不是同时发挥的，在荷载水平较小时，桩身压缩量很小，桩顶应力也无法传入桩底，此时桩体发生向上刺入，随着外荷载的增加，当桩顶刺入到一定程度，越来越困难的时候，此时主要是依靠桩身变形来协调桩土应力，当荷载继续增加时，桩顶荷载传入桩底，从而发生向下刺入。也就是说，一般情况下，桩顶刺入量先于桩身变形，而桩身变形又先于桩端刺入。

基于上述分析，复合地基的桩土应力问题，需综合考虑桩顶刺入量、桩身变形和桩端刺入量的影响。

2.2 复合地基的设计思路

目前复合地基的设计主要集中在对垫层厚度的设计，垫层厚度对复合地基桩土应力有着重要的影响，由上面的分析可知，复合地基桩土应力不仅与垫层厚度有关，还与桩的刚度和桩端土的刚度有关，所以仅考虑垫层厚度的设计方法存在一定缺陷。

由前面分析可知，桩土应力主要是由桩顶刺入量、桩身变形和桩端刺入量决定。桩顶刺入量取决于垫层厚度，桩身变形与桩端刺入量之和为桩顶沉降，可由单桩载荷试验的P-s曲线反映。

同时复合地基应力与变形也与桩间土刚度有关，复合地基在应力作用下，桩顶发生向上的刺入，此时应力往桩间土转移，在同一荷载水平作用下，刚度大的桩间土要比刚度小的土，更难压缩。也就意味着，桩间土的刚度越大，桩间土将会受到更大的作用，保证复合地基桩土的相互工作。

对于复合地基而言，桩土应力是受垫层厚度、桩间土的刚度和桩的刚度相互影响，垫层厚度、桩间土的刚度和桩的刚度决定了桩顶刺入量、桩身的变形和桩端刺入量的大小，所以计算复合地基应力及变形时，应综合考虑垫层厚度、桩间土的刚度和桩刚度。

载荷试验是实际工程中最为可靠的确定承载力以及描述变形的方法，同时也能从宏观上体现桩、土、复合地基应力和变形的关系。天然土载荷试验的P-s曲线反映了天然土应力与变形的关系，体现了天然土的刚度，单桩载荷试验的Q-s曲线，从宏观上反映了桩身刚度、桩侧土以及桩端土刚度的影响，体现了桩的刚度。

基于上述分析，复合地基设计时，应利用载荷试验能体现多因素影响的优势，建立考虑垫层厚度、桩间土的刚度、桩刚度的计算方法。

3结论

（1）理论分析法表达形式简单，容易掌握，易被工程人员接受，试验方法具有较高的准确性，所以复合地基设计应采用理论分析法结合试验方法。

（2）对影响复合地基桩土应力的影响因素进行了分析，指出复合地基的桩土应力是受桩顶刺入量、桩身变形和桩端刺入量影响。

（3）复合地基设计时，应利用载荷试验能体现多因素影响的优势，建立考虑垫层厚度、桩间土的刚度、桩刚度的计算方法。

参考文献：

[1]赵幸，赵德富，赵其华等，CFG桩复合地基沉降量计算及沉降影响因素探析，工业建筑[J]

[2] 孙训海. 基础刚度、褥垫厚度对刚性桩复合地基桩土承载性状的影响[J].中国建筑科学研究院博士论文, 2010.

[3]李进军, 黄茂松, 史三元等. 复合地基桩土应力比与褥垫层厚度关系的试验研究[J]. 工程勘察, 2003，4 (01): 1114.

[4]郭忠贤,霍达.刚性桩复合地基桩土应力比计算及承载特性分析［J］.岩土力学,2006，27 (增刊):79-802

[5]朱世哲，徐日庆，杨晓军等.带垫层刚性桩复合地基桩土应力比的计算与分析［J］．岩土力学，2004 5(5):814-817．