刚性桩复合地基褥垫层工作性状分析

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1　引言

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(天然地基土体或被改良的天然地基土体)和增强体两部分组成的人工地基。在荷载作用下，基体和增强体共同承担荷载的作用。根据复合地基荷载传递机理将复合地基分成竖向增强体复合地基和水平向增强复合地基两类，又把竖向增强体复合地基分成散体材料桩复合地基、柔性桩复合地基和刚性桩复合地基三种。

复合地基在荷载作用下，天然土体和桩体共同承担上部结构传来的荷载。对于散体材料或低粘结强度桩复合地基，在荷载作用下，桩体产生侧向变形，桩体和桩间土体的变形可以保证它们能够共同承担上部结构传来的荷载，因此可以形成复合地基。

对于刚性桩复合地基，如果基础直接作用在复合地基上，由桩体模量远远大干桩周土模量，在上部荷载的作用下，桩周土的压缩变形远远大于桩体压缩变形，则荷载大部分由桩体承担，桩周土的承载能力发挥受阻，桩土不能共同工作，无法形成复合地基。

试验研究表明，在基础和复合地基之间加设―定厚度的散体材料组成的褥垫层，则受力情况会发生很大的变化。

2　褥垫层作用及工作原理

刚性桩复合地基碎石褥垫层的概念来源于八十年代末，九十年代初，研究发现在未设置褥垫层的情况下，土体仅能发挥10～20％的作用，于是黄熙龄院士创造性地提出碎石褥垫层概念，土体承载作用显著提高，如图2.1、2.2。

有了褥垫层，垫层下土层顶部就能够承受上部荷载传下来的压力。若没有垫层，采用桩基形式，上部荷载首先垒部传到桩上，桩间由桩土摩图2.2。

褥垫层作用及工作原理主要体现在以TJL方面：

(1)使桩、同承担竖向荷载

褥垫层设置后，能使桩体的顶部和桩端都有上下刺入变形条件，在给定荷载作用下，桩承担较多的荷载，随着时间增长，桩产生一定沉降，荷载逐渐向桩间土体转移，即使桩端地基士很好，桩端变形小，但桩顶也有向褥垫层刺入条件，所以有了褥垫层能保证桩土较好的共同承担外荷载，如图2.2。

(2)减小基础的应力集中

当褥垫层厚度趋干零时，近似钢筋混凝土桩和承台的作用，这时承台基础要验算冲切承载力。加了褥垫层后起到扩散应力作用，同时桩顶和桩间士应力之比值显著降低，随着荷载增加应力比趋于一常数值。

(3)使基础底面压力分布更均匀

通过散体褥垫层的调整，随着荷载增加或变化，能使基底压力更均匀分布。如图2，3。

图2，3基底应力集中和褥垫层厚度关系

(4)抗水平力作用

类似地震作用的水平荷载，刚性桩复合地基主要是通过基础与褥垫层之间的摩擦力和基础侧面土压力承担，褥垫层又是散体结构，所以传递到桩体的水平力较小或为零，这就是桩体可不配筋的缘由。

3　褥垫层最佳厚度分析

在进行褥垫层厚度对比过程中发现，随着垫层厚度从零开始增加，桩间土承担的荷载先增大后趋于稳定值，这个稳定值接近桩阀土的承载力，于是就出现了最佳垫层厚度的概念。

褥垫层厚度H=0，此时复合地基工作性状类似于桩基础，在给定的荷载作用下，桩体通过负摩阻力和桩端阻力承担大部分荷载，随着时间的增加，桩顶有―定的沉降，荷载逐渐转向土体。

当桩端落在承载力较高的坚硬岩层上时，桩沉降较小，桩间土的作用很难发挥，当桩端落在承载力较小，沉降较大的土层上时，沉降随着时间增加，此时桩间土能发挥一定的作用。

褥垫层厚度H>0，即当基础和桩之间设置了_定厚度的褥垫层时，基础承受外荷载后，不论桩端落在何种土层上，桩和桩间土都要发生沉降变形，由于桩身变形模量远比桩周土的变形模量大，因而桩比土的变形小得多，此时，桩可以向上刺入褥垫层，伴随这一过程，垫层材料不断调整补充到桩间土上，以保证基础始终将一部分荷载传到桩间土上，即可保证在任一荷载下桩和桩间土始终参与工作。研究表明当褥垫层厚度大于300mm的时候，桩间土分担的荷载增加有限，达到其极限承载力，因此，褥垫层一般厚度可取200～300mm。

4　褥垫层对桩土应力比的影响

下表为某褥垫层试验对桩土应力比影响数据

由上表可知：

(1)当垫层厚度一定时，在同一级压力下，在其它条件不变时，粒径大亦即刚度大的材料的桩土应力比较大。

(2)随着荷载的增加，桩土应力比有下述变化规律：在加荷初期，由于桩顶的褥垫层更容易被压缩，因此，刚性桩发挥了更大的作用，桩土应力比较大；随着荷载的增加，桩体发生了反向的刺入，此时桩间土逐渐开始发挥作用，桩土应力比开始减小；随着压力的增加，桩端向持力层刺入，此时桩又承担了较大的荷载，桩土应力比增大。

(3)在垫层厚度相同的情况下，随着褥垫层模量的增加，褥垫层的刚度增大，桩土应力比也随之增大，这是由于较大的垫层刚度使得地表的变形受到约束，从而桩分担的荷载较大，而桩间土分担的荷载较小。

(4)垫层材料不同，即褥垫层的刚度不同，褥垫层的作用也不完全相同，垫层粒径大小(即刚度大小)具有调整桩土应力比的作用。若要充分发挥桩的承载力，可铺设碎石垫层，若要充分发挥桩间土的承载力，可铺设中粗砂垫层。

5　结语

本文简要的介绍了复合地基的特性，并对其性状主要影响因素褥垫层进行了分析，介绍了褥垫层的工作机理及作用，对褥垫层的最优厚度进行了分析，通过一试验数据分析了褥垫层厚度对桩土应力比的影响并得到T--些有益的结论。

参考文献

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