基于等效天然地基理论的复合地基设计

【摘 要】笔者立足于我国地基理论研究的实际情况，简要就等效天然地基理论的复合地基设计等对其进行简单的介绍和论述。

【关键词】等效天然地基；复合地基设计；复合地基

引言

复合地基理论从荷载传递机理上揭示了复合地基中的桩间土与增强体共同承担上部结构传来的荷载的规律， 目前应用较多的是单一桩型的复合地基。某些情况需要两种或两种以上的桩型组成的复合地基，通常称之为多桩型复合地基或长短桩复合地基，也有些学者称之为混合桩型复合地基。其共同特点是都以充分发挥各桩型的优势， 提高地基承载力， 减小建筑物沉降为目的。

一、对复合地基的认识

通过分析浅基础、桩基础和复合地基在荷载作用下的荷载传递路线和传递规律可以较好认识复合地基的本质，并获得浅基础、桩基础和复合地基三者之间的关系。

对浅基础，荷载通过基础直接传递给地基土体。桩基础可分为摩擦桩基础和端承桩基础两大类。对摩擦桩基础，荷载通过基础传递给桩体，桩体主要通过桩侧摩阻力将荷载传递给地基土体；对端承桩基础，荷载通过基础传递给桩体，桩体主要通过桩端端承力将荷载传递给地基土体。因此对桩基础可以说，荷载通过基础先传递给桩体，再通过桩体传递给地基土体。对桩体复合地基，荷载通过基础将一部分荷载直接传递给地基土体，另一部分通过桩体传递给地基土体。

二、多桩型复合地基承载力计算

根据不同桩型荷载分担比， 将分担荷载最大的桩型定义为主控桩， 其余定义为辅助桩。由天然地基和主控桩形成复合地基， 将其视为一种新的等效天然地基， 其承载力特征值fspk1为：

式中：m1 为主控桩平均面积置换率；Ra1为主控桩单桩承载力特征值；Ap1为主控桩的截面积；α1 为桩间土承载力提高系数， 与土和桩的成桩工艺及桩径、桩距有关；β1 为桩间土承载力发挥系数， 一般β1 ≤1 ；f ak 为基础下天然地基土的承载力特征。

三、CFG 桩联合深层搅拌桩复合地基设计

（一）最初CFG 桩设计方案

该工程设计要求复合地基承载力特征值不低于240kPa ，同时对控制不均匀沉降也有严格要求。基础持力层为中粗砂， 桩间土的地基承载力特征值取100kPa（后发现承载力非常低）， 不能满足设计要求， 需进行处理。考虑到主裙楼的承载力要求不同， 设计了不同的布桩形式。

设计方案为单一CFG 桩， 桩径400mm ， 主楼平均桩间距1 300mm ， 均匀布置， 裙楼柱下独立基础范围桩间距1 800mm ， 梅花型布置。主裙楼桩长均为9 ～ 11m ， 桩端进入层⑥砾岩不小于0.5m ， 混凝土强度等级均为C20。单桩承载力特征值为400kN（据变更地质报告重新计算小于最初估算值250kPa）， 总桩数为662 根， 设计褥垫层厚度为200mm ， 夯填度为0.9 ， 褥垫层采用粒径5～ 16mm 碎石铺设。各层如下图二基础平面布置图。

（二）联合深层搅拌桩的补强设计

现场施工过程中发现， CFG 桩桩间土（基础持力层）实际主要为层③粉质粘土， 桩间土的天然地基承载力特征值仅为60kPa ， 原设计方案置换率低， 不能满足要求。由于原设计CFG 桩已施工完成40 %， 依据场区岩土的工程地质特征， 并结合建筑物特点， 在原设计CFG 桩桩长、桩径、桩位不变的前提下， 采用深层搅拌法对桩间土进行加固处理， 加固处理深度至层⑤粘土，深层搅拌桩桩长6 ～ 7.5m ， 桩径500mm ， 总桩数为661根， 采用三搅两喷施工工艺， 水泥掺入量为20 %， 设计参数见表1。这样就形成了两种不同性状复合地基联合加固方案， 即CFG 桩为主控桩， 深层搅拌桩为辅助桩。

CFG 桩即主控桩的单桩承载力特征值采用式（三）估算， 深层搅拌桩即辅助桩的单桩承载力特征值采用式（四）估算：

式中：up 为桩周长；qs 为桩周第i 层土的侧阻力特征值；li 为桩长范围内第i 层土的厚度；qp为桩端地基土未修正承载力特征值。下角1 代表主挖桩， 下角2 代表辅助桩。主控桩和辅助桩各物理参数见表1。

计算得Ra1 =360kN ， 且满足地基处理规范对桩体试块抗压强度平均值的要求， 即fcu ≥3Ra1/ A p1 。应用式（1）计算主控桩加固后的等效天然地基承载力特征值得fspk1 =210kPa ， 不满足设计承载力要求。

四、复合地基优化设计思路

复合地基型式的合理选用主要依据工程地质条件、荷载水平、上部结构及基础型式、加固地基机理，通过综合分析确定。对在复合地基中应用的不同类型的桩，提高桩的承载力的机理是不同的。对散体材料桩，桩的极限承载力主要取决于桩周土对它的极限侧限力。饱和黏性土地基中的散体材料桩桩体承载力基本上由地基土的不排水抗剪强度确定。对某一饱和黏性土地基，设置在地基中的散体材料桩的桩体承载力基本是定值。

对黏结材料桩，桩的承载力主要取决于桩侧摩阻力和端阻力之和，以及桩体的材料强度。刚性桩的承载力主要取决于桩侧摩阻力和端阻力之和，因此增加桩长可有效提高桩的承载力。柔性桩的承载力往往制约于桩身强度，有时还与有效桩长有关，因此有时增加桩长不一定能有效提高桩的承载力。对上述黏结材料桩，如能使由摩阻力和端阻力之和确定的承载力和由桩身强度确定的承载力两者比较接近则可取得较好的经济效益。基于这一思路，近年来各种类型的低强度桩复合地基得到推广应用。

五、结束语

随着复合地基技术在我国工程建设中的推广应用，复合地基理论得到了很大的发展。笔者衷心希望，以上关于对我国的等效天然地基理论的复合地基的相关研究，能够被相关负责人合理的吸收和采纳。

【参考文献】

[1]茅晓辉，付厚利，苏军一. 多桩型复合地基设计及工程应用[J]. 建筑结构，2010，02：103-105.

[2]茅晓辉，付厚利，苏军一. 基于等效天然地基理论的复合地基设计及应用[J]. 山东农业大学学报（自然科学版），2010，01：146-150.