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1、- 1 -刚性桩复合地基应用的几个误区闫明礼 1 初蕾 2 佟建兴 1（1.中国建筑科学研究院地基所 2.中建一局五公司）提要：本文针对刚性桩复合地基设计常见的几个问题，对足够刚度基础下复合地基的褥垫厚度、桩径和桩体强度的合理选用进行了讨论，并给出了相应的建议，供设计时参考。关键词：刚性桩 复合地基 误区1 前言在地基处理工程中刚性桩复合地基应用的越来越多，并取得了很好的经济效益和社会效益。但应用过程中也存在这样或那样的一些误区，比如，认为复合地基的褥垫层越厚越好、桩径越大越好、桩体强度越高越好。实际工程如何选择这些设计参数，对地基处理方案的合理性和经济指标具有明显影响。本文将对几个常见问题加
2、以讨论。2 刚性桩复合地基应用的几个误区2.1 误区之一：褥垫层厚度越厚越好。刚性桩复合地基中，褥垫层具有保证桩土共同承担荷载的重要作用，但有的设计人员在复合地基设计时偏向选用厚褥垫层，认为褥垫层厚度越厚越好。试验表明，褥垫层厚度与桩土承载力的发挥密切相关，褥垫层厚度的选用对复合地基承载力具有显著影响。通常，复合地基承载力可用如下表达式表示：（1）skpaskaspk fmARfRf )1(2121 式中， 为复合地基承载力特征值； 为单桩承载力特征值； 为桩的断面面积；spkf a pA为加固后桩间土承载力特征值； 为单根桩承担的面积； 为桩间土面积； 为面积skf sm置换率； 分别为单桩
3、承载力、桩间土承载力发挥系数，并有： 21、 aPR1； 分别为复合地基达到承载力时桩受的集中力和桩间土受的应力。skfp2sP、由（1）式可知，复合地基承载力由桩承载力和桩间土承载力组成。它的大小取决于桩和桩间土承载力的发挥。在荷载作用下，复合地基达到承载力时，桩、桩间土同时达到各自的承载力是最理想的。此时 1 21。问题是什么条件下才能保证桩、桩间土同时达到各自的承载力，单桩承载力发挥系数 1、桩间土承载力发挥系数 2 与哪些因素有关。试验表明，足够刚度基础下的刚性桩复合地基， 1、 2 与复合地基设计参数桩长、桩径、桩距、褥垫厚度、桩间土性状和基础刚度有关。其中，褥垫厚度与桩径之比（简称
4、厚径比）和基础刚度最为显著。其它条件不变时，基础刚度越小 1 越小，厚径比越小 1越大。表 1 给出了 CFG 桩复合地基，荷载达到复合地基承载力时桩、土承载力发挥系数。表 1 足够刚度基础下 CFG 桩复合地基桩、土承载力发挥系数（当荷载 p=fspk 时）- 2 -序号 桩数桩长 面积置换率 褥垫厚/cm 桩径/cm 厚径比 1 21# 93.2m 0.064 10 15 0.667 0.74 1.132# 92.0m 0.064 10 15 0.667 0.82 1.123# 41.6m 0.064 10 15 0.667 0.80 1.064# 43.2m 0.028 10 15 0.
5、667 0.69 1.155# 41.6m 0.064 50 15 3.333 0.37 1.116# 43.2m 0.064 5 15 0.333 1.54 0.617# 114m 0.031 20 400 0.500 0.87 1.15由表 1 可以看出：（1）厚径比大于 0.5 时桩间土承载力都能充分发挥（由于桩对土的侧向约束作用，负摩擦区桩起阻止桩间土向下的变形，桩间土承载力发挥系数大于 1 是正常的） 。（2） ）厚径比越大、桩承载力发挥系数越小，当厚径比等于 3.33 时，桩承载力发挥系数只有 0.37。（3）厚径比小于 0.333 时桩间土不能充分发挥，发挥系数 2 只有 0.6
6、1，而桩承载力发挥系数远大于 1。显然，褥垫厚度对桩、土承载力发挥系数的影响是非常显著的。综合考虑，足够刚度基础下的复合地基，合理的褥垫厚度宜取（0.450.5）d（d 为桩径） 。2.2 误区之二：桩径越大越好对刚性桩而言，桩长一定时，桩径越大桩侧面积越大，桩侧阻力越大，单桩承载力也就越高。此外，桩径大、桩的断面面积大，荷载一定时，桩体强度要求不高。桩径小桩侧面积小、单桩承载力小，桩体强度要求高。显然单纯考虑承载力的大小，桩径越大越好。但工程应考虑以下几个方面的因素：（1） 单方混合料提供的承载力的大小通常桩径越小比表面积越大，单方混合料提供的承载力也越高。表 2 给出了相同桩长、不同桩径、
7、不同桩数、混合料总方量相同条件下单方混合料提供的承载力。计算时，桩的侧阻特征值为 30kPa，桩的端阻特征值为 500 kPa。表 2 不同桩径单方混合料提供的承载力序号 桩径 /m 桩长 /m 桩数 单桩方量 /m3 总方量 /m3 总承载力/kN 单方混合料承载力 /kN/m31 2 10 1 31.4 31.4 3454 1102 1 10 4 7.85 31.4 5338 1703 0.5 10 16 1.96 31.4 9106 2904 0.4 10 25 1.26 31.4 10990 350由表 2 可以看出，桩径越小、单方混合料提供的承载力也越高。桩径越小、经济性越好。（2）
8、 桩土共同工作性状刚性桩复合地基中，桩对桩间土具有侧向约束作用，与无桩条件下的地基相比，这种作用使得桩间土侧向变形减少，桩间土的竖向变形也就相应减小，即桩的存在，使得桩间土承载力会有所提高。桩对桩间土的约束作用与基础下桩的数量有关，桩数越少桩对桩间土的约束作用越小。比如，基础面积为 50m2，如果选用表 2 所示的设计参数，桩径越小、桩数越多，桩对桩间土约束作用越好，表 2 中桩对桩间土的约束作用从序号 1 到序号 4 逐次增大。- 3 -刚性桩复合地基中，由于褥垫层的设置，桩和桩间土都能充分发挥作用。通常，桩顶应力大于桩间土应力，由于桩的变形模量远大于桩间土的模量，距桩顶深度为 z 的桩长范
9、围桩间土的位移大于桩的位移，即存在一个负摩擦区（如图 1 所示） 。负摩擦区对桩受力是不利因素，对桩间土是阻止土向下变形的力，是有利因素。由于复合地基是桩土共同承担荷载，负摩擦区的综合效应对复合地基变形是有利的。显然，基础面积一定时，桩径越小、桩数越多，桩对桩间土向上的作用力越大。此外，桩径越大，褥垫厚度也越大。若桩径太小，施工质量不容易控制，或桩体强度要求偏高。综上所述，刚性桩桩径取 350mm600mm 为宜。某些情况，比如框架筒体结构，核心筒荷载很大，用 600mm 桩径桩身强度不能满足荷载要求时，桩径可适当加大。 p桩土 土 负 摩 擦 区 s s桩 土土图 1 负摩擦区示意图2.3
10、误区之三：桩身强度越高越好复合地基中刚性桩的承载力与桩长、桩径、桩侧桩端土的性状和桩体强度相关，通常，桩体不发生破坏（桩体强度满足要求）的前提下，桩越长、桩径越大、桩侧桩端土越好，桩的承载力越高。当桩长和桩径一定、桩体不发生破坏时，桩的承载力只与桩侧桩端土的性状有关，即桩的侧阻、端阻越大，桩的承载力越高。图 2 是相同桩长、相同桩径不同桩体强度条件下单桩复合地基静载荷试验 PS 曲线。其中 1、2、3曲线分别代表桩长 1.95m 桩径 150mm 桩体强度为 2.5MPa、6 MPa、10 MPa 在压缩模量为 3 MPa 的粉质粘土中的试验结果，可以看出，当桩体强度不小于某个数值（对上述试验
11、为 2.5MPa）时，增加桩体强度对提高复合地基承载力是无意义的。因此，桩体强度设计主要是保证建筑物使用荷载条件下，桩体不发生破坏。- 4 -05101520253035400 20 40 60 80 100 120 140 160p/kPas/mm1#2#3#图 2 不同桩体强度、相同桩长单桩复合地基 p-s 曲线需要指出的是，桩体强度设计需考虑如下几个因素：（1）和桩基不同，复合地基承载力可以做深度修正，基础两侧的超载越大（基础埋深越大） ，深度修正的数量也越大，桩承受的竖向荷载越大，设计的桩体强度应越高。（2）刚性桩复合地基，由于设置了褥垫层，从加荷一开始，就存在一个负摩擦区，因此，桩的
12、最大轴力作用点不在桩顶，而是在中性点处，即中性点出的轴力大于桩顶的受力。（3）复合地基检测最大加载量不应小于设计要求压力的 2 倍，在最大加载压力作用下，桩和土不一定同时达到各自的极限承载力。有可能在未达到最大加载压力桩就已经破坏。综合以上因素， 建筑地基处理技术规范JGJ79-2002 规定，桩体试块（边长 15cm 立方体）标准养护 28d 抗压强度平均值不小于 3Ra/Ap（R a 为单桩承载力特征值，A p 为桩的断面面积） 。如果基础埋深很大，还应考虑深度修正量的大小，根据桩实际受力，验算桩体强度是否满足建筑物在使用荷载作用下，保证桩体不发生破坏。3 结语（1）刚性桩复合地基，桩、土
13、承载力的发挥与褥垫厚度与桩径之比（简称厚径比）和基础刚度密切相关，足够刚度基础下的复合地基褥垫厚度取 0.450.5 倍桩径为宜。（2）足够刚度基础下的复合地基，桩径取 350600mm 为宜，单桩承载力高时取大值。对框架筒体结构，核心筒荷载很大、复合地基承载力和单桩承载力很高，为不使桩体强度设计的过高，也可适当增大桩径。（3）刚性桩桩体强度以满足建筑物使用荷载和施工检测桩体不发生破坏为设计条件。当满足桩体不发生破坏时，增加桩体强度对复合地基承载力提高没有作用。参考文献1 建筑地基处理技术规范（JGJ79-2002） 北京：中国建筑工业出版社，20022 闫明礼，张东刚编著CFG 桩复合地基技
14、术及工程实践北京：中国水利水电出版社，20013 闫明礼，杨军，吴春林等 CFG 桩复合地基试验研究报告北京：中国建筑科学研究院地基所，1992.8- 5 -4 王明山，多桩型复合地基试验研究中国建筑科学研究院博士研究生论文2005.3第一作者简介：闫明礼，中国建筑科学研究院研究员，博士生导师，国际土力学会会员，中国建筑学会地基基础分会理事，中国土木工程学会地基处理学术委员会委员， 岩土工程学报 、 工程勘察 、 地基处理等编委。多年从事土的本构关系、土工试验设备改进与研制、土动力特性、地基处理等领域的研究工作。获省部级奖励 5 项，参编标准规范 5 部，编著著作 3 部，在国内外刊物发表论文 70 余篇。通讯地址：100013 北京市北三环东路 30 号中国建筑科学研究院地基所。联系地址：北京市北三环东路 30 号中国建筑科学研究院地基所联系人：佟建兴联系电话：84270522（佟建兴） ，84281661（闫明礼）E-mail：（佟建兴）
