关于长短桩复合地基设计的研究
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摘要：本文介绍了长短桩复合地基的适用范围，阐述了长短桩复合地基承载力和变形计算方法，并指出计算方法的局限性。
关键字：长短桩复合地基；复合地基承载力；沉降变形计算
中图分类号：S611文献标识码： A 文章编号：
0 前言
随着复合地基在土木工程中广泛应用，对复合地基理论认识的逐渐提高。近年来，提出了由两种或几种不同类型(或同种类型而长度差别较大)的桩与土组成的多元组合型复合地基。这种新型复合地基形式从目前研究与应用情况来看，基本形式大多为两种或几种不同类型长短桩复合地基。长短桩复合地基处理技术(又称为多桩型复合地基、多元复合地基)是一种较新的复合地基处理形式，它一般是利用刚性或半刚性长桩和柔性短桩相结合对地基进行的综合处理（即长桩主要控制沉降变形，短桩主要提供承载力）[1]，并铺设柔性垫层，使桩体、土、承台共同作用。这种新型的复合地基已经开始在工程中应用,比其它复合地基表现出其独特的优越性和经济性。
1. 长短桩复合地基的适用条件
长短桩复合地基的适用条件大致分为两种情况：
(1)当建筑的基底以下存在厚度不大的(局部)软弱土层时，完全采用间距较大长桩不能完全满足承载力要求，这时可以在间距较大长桩中间增加短桩对基底软弱土层进行补强加固，不但可以提高厚度不大软弱土层的承载力，而且能够消除局部软弱土层引起的不均匀沉降。通过分析勘察报告、基坑开挖验槽、轻便触探等手段来确定短桩的加固深度、加固范围。在这种情况下短桩可采用夯实水泥土桩、旋喷桩等形式与长桩间作形成多桩型复合地基[2]。
(2)当基底以下存在上下两层较为理想的桩端持力层时,单纯采用短桩方案,将桩端放在上层持力层,复合地基承载力能够满足设计的需要,但是加固区较浅,沉降变形量较大；单纯采用长桩方案,将桩端放在下层持力层,复合地基承载力、变形计算均能够满足设计要求,但地基处理工作量比较大,费用较高。因此可采用长短桩复合地基,长、短桩分别落在下、上两层理想的桩端持力层上,充分发挥上下两层桩端持力层的特性,这样既可以提高复合地基的承载力,又能够减少沉降变形,在满足设计要求的同时减少地基处理的工作量，并且降低地基处理的费用[2]。
2. 长短桩复合地基承载力和变形计算
2.1 长短桩复合地基承载力计算
长短桩复合地基设计理论目前仍处于研究阶段,从近年来的研究成果来看，最普遍的方法是参照同一桩长复合地基承载力、变形计算方法：先计算短桩复合地基承载力,然后将短桩复合地基视为长短桩复合地基的“桩间土”, 最后计算长短桩复合地基的承载力,再进行变形计算。具体计算过程如下[3]：
2.1.1 短桩复合地基的承载力可用下面的公式进行计算[4]:
（1-1a）
将其变形为：
（1-1b）
式中:
—短桩复合地基承载力特征值，
—天然地基承载力特征值；
—短桩分担的面积；
—短桩截面积；
—短桩置换率，；
—桩间土强度提高系数；
—桩间土强度发挥度
—短桩承载力特征值。
2.1.2 将短桩视为“桩间土”然后再计算长短桩复合地基承载力:
（2-1）
式中：
—长短桩复合地基承载力特征值，；
—短桩复合地基承载力特征值，；
—长桩分担总面积；
—长桩截面总面积；
—长桩承载力特征值。
2.1.3短桩、长桩单桩竖向承载力特征值可按下式计算，取其值较小者:
式中：
—折减系数，取0.3-0.33;
—桩体28天立方体试块强度，MPa；
—单桩截面面积，m2；
—桩的周长m；
—第i层土与土性和施工工艺有关的极限侧阻力，kPa，按《建筑桩基技术规范》的有关规定取值；
—第i层土厚度；
—与土性和施工工艺有关的极限侧阻力，kPa，按《建筑桩基技术规范》的有关规定取值；
或者，当用单桩静载实验求得单桩极限承载力Ru后，可按下式计算：
（K取2）
当考虑基础宽度和深度对地基承载力标准值进行修正时,根据《建筑地基处理技术规范》（JGJ 79-2002）的规定：一般宽度不作修正, 其基础宽度地基承载力修正系数取零, 深度可作修正, 其基础埋深地基承载力修正系数取1.0[5]。在深宽修正后复合地基承载力标准值：
式中：
—基础底面以上土的加权平均重度，KN/m3，地下水位以下取浮重度；
—基础埋置深度，一般自室外底面标高算起。
复合地基承载力计算时需满足建筑物荷载要求，当在轴心荷载作用时
式中：—相应于荷载效应标准组合基础底面处的平均压力值。
当在偏心荷载作用下,除满足上式外,尚应满足下式要求[2]：
式中：—相应于荷载效应标准组合基础底面边缘的最大压力值。
2.2长短桩复合地基变形计算
长短桩复合地基变形计算采用复合模量法，沉降计算模型如下图所示，建筑物基底区域的沉降计算分为两部分:长短桩复合区域(短桩区域)1、长桩区域(短桩桩端至长桩桩端区域)2、上部两个区域的沉降计算采用《建筑地基基础设计规范》(GB50007—2011)中的方法,不考虑软弱下卧层的沉降, 复合地基最终变形量的计算公式为:
图1 长短桩复合地基变形计算示意图
式中：
Sc—计算沉降量；
SL1—区段L1的计算沉降量；
SL2—区段L2的计算沉降量；
—沉降计算修正系数；
—基础底面处的附加压力，kPa；
—天然土层与桩形成的复合模量，MPa；
—分别为基础底面至i，i-1土底面的距离；
—分别为基础底面计算点至层i，i-1土底面范围内平均附加应力系数；
n1，n2—分别为区段L1，L2内的土层数。
区段L1，L2内的复合模量公式如下：
式中：
—分别为区段H1，H2内的复合模量；
—分别为长桩、短桩和天然土的压缩模量；
—分别为长桩、短桩的置换率。
该公式以长短桩复合地基允许沉降量为控制指标,考虑长短桩与土的共同作用来确定长桩的布桩量,而复合地基承载力强度是否满足,则通过复合地基承载力验算来核定或调整。由于长短桩复合地基中设置了褥垫层,以此来协调桩同变形,发挥桩间土的承载力,对于垫层的沉降,该公式将其计算在加固区1中。但上述公式中在计算沉降时没有把下卧层土体沉降考虑在内,因此该公式较适用于长桩打在较好的土层中的情况。
结语：
随着技术进步和对地基处理要求的提高, 对复合地基理论认识的逐渐的提高。从单一方法向同时运用多种处理方法发展是地基处理技术发展的趋势。复合地基设计不仅是根据承载力和变形确定设计参数, 而且在设计时必须综合考虑建筑物对变形的适应能力、现场土层的特定及施工等诸多因素。根据土质情况采用长短桩相结合的复合地基方案并选择合理的施工工艺是一种有效的地基处理方法, 值得进一步研究和推广。
参考文献
《长短桩复合地基承载力计算新方法》，低温建筑技术，2009，12：91-93
马骥 张东刚 张震 阎明礼，《长短桩复合地基设计计算》，岩土工程技术，2001，2：87-91
长短桩复合地基设计理论研究.陈丽萍.武汉理工大学.2007.5
GB50007—2011，建筑地基基础设计规范
JGJ 79-2002，建筑地基处理技术规范