复合桩基的研究现状以及成果

复合桩基论文姓名：赵军学院：土木建筑工程学院学号：2008301550176摘要：本文对复合桩基的概念及作用机理进行了阐述，并对桩、土、承台三者共同作用的产生条件、作用机理进行了初步分析，同时对群桩一土一承台结构共同作用的目前上较为流行的几种分析方法以及使用条件进行了略述，而且对复合桩基在国内外历史与现阶段的异同做了简述特别是对公路桥梁上复合桩基的应用可能及发展前景进行了展望。

关键词：复合桩基承台、作用机理公路桥梁沉降第一部分复合桩基的概念承、载力确定、设计思想等一、复合桩基的概念础设计中，经常会遇到下述情况：如果用天然地基上浅基础方案，地基强度要示能基满足或相差不大，但地基变形验算结果，往往沉降过大无法满足设计要求，这是就可考虑采用沉降控制复合桩基(也称减少沉降量桩基、疏桩基础等)方案。

它是一种介于天然地基上浅基础和常规桩基(按单桩设计承载力确定桩数)之间的一种基础类型，和常规桩基不同，沉降制复合桩基主要根据建筑物容许沉降量要求确定桩数。

1979年童羽湘基于群桩基础工作机理的分析，提出了分不同情况按沉降设计桩基础的初步设想。

80年代中后期黄绍铭等人，提出了减少沉降的设计思想与方法，1991年在《减少沉降桩基础的设计与初步实践》一文中进行了阐述，认为减少沉降量桩基实际上是以变形控制为原则，考虑桩与承台共同作用，介于天然地基上浅基础与桩基础的一种型式。

自1987年开始管自立开始进行桩基设计新探索，提出用桩来补偿天然地基，改善天然地基的新构思，从而利用天然地基承载力来减少桩基和疏化桩基，使桩基与天然地基达到互补效应。

并称之为疏桩基础。

90年代初宰金珉教授提出了复合桩基的设计方法，并将复合桩基定义如下：按大桩距布置的低承台摩擦群桩或端承作用较小的端承摩擦群桩承台底土体共同承载上部荷载，纯桩基础与天然地基之间的新型基础形式。

二、复合桩基作用机理桩基是以桩与桩间土共同作用为前提，以沉降控制为标准作为其设计指导思想。

单桩非线性工作性状在复合桩基工作过程中的主导作用。

桩一土一承台共同作用是指桩、土和承台在外荷载作用下各方受荷与变形发展过程中相互协调、相互制约、相互依存以及相互矛盾的过程。

承台的作用：(1)产生土中应力，当排水固结达一定程度时它提高承台下地基土的承载力，也提高桩土间的侧壁法向应力和摩擦阻力及其极限值，起“加强作用”；(2)迫使桩间土沉降，限制桩上段侧壁摩阻力的发挥，起“削弱作用”；(3)决定桩顶的固端特征；(4)迫使桩同步下降，使各桩顶荷载不等，(一般情况是：角桩>边桩>中心桩)；(5)通过承台底面与土的之间的摩阻力限制土的外挤。

桩的作用：(1)群桩使承台下的土不易被侧向挤出，从而既提高地基土的极限承载能力，又增加了桩间土的侧向应力与摩擦阻力，这就是“遮拦加强作用”；(2)桩本身的Mindlin效应使整个桩长范围的土体和桩端以下的土体产生沉降，对桩端以上土体在摩阻力作用下起“下曳作用”；(3)在一定条件下，长范围内产生土的负附加应力，但种种分析研究表明Mindlin的负应力效应是较小的；(4)桩周土体中产生沉降，进而影响相邻桩的侧摩阻力的发挥。

土的作用：(1)改变自身的媒介作用：在承台或桩的荷载作用下通过不同的排水固结状态改变自身的应力应变及强度状态，由线性弹性转入弹塑性，进而反作用于桩或承台；(2)土自沉削弱作用：土在自身一些因素作用下引起的附加固结沉降，从而削弱了桩侧摩阻力和对承台的反力，甚至在一定条件下使承台与土脱开；(3)由于土体本身的固有特征(如固结、蠕变、触变等时间特征，湿化、循环膨胀收缩等强度与体变效应，使共同作用表现出种种其它的规律，并对这些规律起控制作用。

摩擦型桩或以摩擦为主的摩擦端承刚性桩桩顶受压后，上部荷载通过桩身向桩周土传递，提供抗力的桩周土在上部荷载的作用下大体上要经历三个阶段。

弹性变形阶段。

此时上部荷载较小，桩顶荷载在桩身变形下所做的功将全部转化为桩本身的弹性压缩势能、桩侧土的剪切变形势能及桩底土的弹性压缩势能，桩土处于弹性工作状态，荷载一沉降曲线可近似表示为直线。

弹塑性阶段。

随着上部结构的施工荷载不断增加，桩与桩周土的相对位移不断加大，此时在距桩顶一段范围内的桩侧土的剪切变形已进入塑性状态，而其下部的桩侧土剪切变形及桩底土的压缩变形仍处于弹性阶段。

桩顶荷载所做的外功一部分由桩上部桩侧土的塑性变形所吸收，其余部分转化为桩本身混凝土、桩侧土及桩底土的弹性势能。

桩身与下部、底部桩侧土处于弹性工作状态，而上部桩侧土产生塑性变形，上部分桩侧摩阻得到完全发挥，此时荷载一沉降曲线非线性变化。

桩周土塑性变形急增段。

这一阶段桩侧土的塑性剪切变形从桩侧上部逐渐发展到桩侧下部，随相对位移不断增加，桩基土的压缩变形也渐由弹性阶段进入塑性变形阶段。

桩顶荷载的稍许增加将会引起较大的桩顶下沉量。

桩顶荷载做的外功大部分将由桩周土的塑性变形吸收，载荷一沉降曲线表现为更明显的非线性性状。

当极限荷载达到时载荷一沉降曲线应为陡降段。

由桩身在上部结构荷载不断增加情况下，桩身与桩周土的受力机理分析可知：当桩身与桩周土的相对位移达到一定值时，桩侧土与桩底土产生塑性变形，由桩侧摩阻力控制的桩身强度达到了极限值，桩产生刺人式“破坏”，桩变成没有刚性的“柔性桩”，在土的竖向约束下，余下的荷载必由承台土承担。

三、复合桩基单桩技术承载力的确定及群桩验算1、新《建筑桩基技术规范》尚未施行，《建筑地基基础设计规范》对复合桩未作规定，根据有关文献资料提供的试验结果，复合桩基单桩承载力可用下式计算：Pa=πdΣLifi+ARj（1）+AoPa1/n式中：Pa—单桩垂直容许承载力（104N）；fi—按土层分段和桩周土的容许摩擦力（104/m2）；d—桩径（m）；Li—按土层分段桩长（m）；A—桩的横截面面积（m2）Rj—桩尖平面处土的容许承载力（104N/m2）；n—承台下桩数；A0—承台底净面积（m2）；Pa1—复合桩基承台下土层承载力。

在这里，问题的关键是Pa1值取多少，从桩与承台的变形协调条件看，桩在荷载作用下的沉降量应该等于承台下桩间土的压缩量，一般情况下，桩在极限荷载时的沉降量要比承台下桩间土达到极限荷载时的压缩量要小得多，也就是说，桩达到极限承载力时，承台下桩间土达不到极限承载力，即Pal小于土层承载力f值，而大于土层承载力的25%。

2、群桩验算群桩验算，多年来国内外基本上采用两种方法，一种是将单桩承载力进行折减后，乘以桩数作为群桩承载力。

但目前尚缺乏大面积群桩的试验资料，而已有折减系数的算法出入很大，且折减后的桩基沉降究竟减少了多少仍无法知道。

近年来设计工作者逐渐趋向于放弃采用群桩折减系数确定单桩承载力的方法，而采用太沙基和泼克（Terzaghi-Peck）提出的方法。

该法认为，群桩与桩间土的作用类似于刚性的整体基础那样，把荷载传递给桩端以下的土，群桩的破坏，也类似于整体基础的破坏。

3、加载过程分析：1）加荷初期，由于沉降量小，承台下桩间土几乎不承受荷载，这时的外荷载大部分由桩承受，复合桩曲线接近于无承台试验桩曲线；2）随着外荷载的增加，基础沉降量增加，桩间土承受的荷载开始增加，复合桩试验曲线偏离无承台试桩曲线，向复合桩理论曲线靠近；3）由于承台的存在，延缓了桩的破坏（由于加荷设备的限制，三根带承台的试验桩都未达到破坏），提高了桩的承载力。

4、反力分布（1）桩项反力分布各桩桩顶反力与外荷载按桩数的平均值P随S／d，L／d，E／E的变化情况有如下规律：1)群桩中不同位置基桩桩顶反力与各基桩平均荷载的比值P／Pn大致范围，角桩：Pc／f=0．7～1．2，边桩／P口=0．6～0．9，中心桩／=0．2-0．9，其中，，只分别为角桩，边桩和中心桩的桩顶反力，P口为各基桩平均荷载。

形成这种“倒马鞍”形桩顶反力分布的原因是由于群桩中各桩引起的土中应力的重叠，使内部桩桩尖平面外的土中附加应力大于角桩或边桩桩尖平面土中的附加应力。

因此内部具有更大的沉降趋势。

而刚性承台的约束作用使各桩的沉降必须相等。

在此情况下承台底板的荷载由中心桩向角桩和边桩转移，导致角桩和边桩的桩顶反力远大于内部桩。

2)群桩中不同位置基桩桩顶反力分布的差异随着桩径比S／d的增大而减小。

3)桩顶反力分布的差异随着Ep／E的增大而增大。

这说明土越软，应力重叠导致的中心桩沉降趋势越大。

由于承台的约束作用，中心桩桩顶荷载向边桩和角桩转移的荷载越大，从而导致桩顶反力差异增大。

当E／E达到4000以后，增长量趋于微小。

4)随着长径比L／d的增大，／P口有所减小，而／P口只／则不断增大。

前已述及，桩顶反力分布的差异是由于中心桩桩尖平面土中附加应力的重叠导致荷载由中心桩向角桩和边桩转移而形成。

当桩越长，传递到桩尖平面处土中的附加应力就越小，因而荷载转移就越小，桩顶反力差异就越小。

（2）侧摩阻力分布群桩中各基桩侧摩阻力的发挥水平是不相同的，中心桩侧阻发挥水平远低于边、角桩，而边桩和角桩侧阻发挥水平相近。

造成这种现象的原因是由于桩群对桩间土的挟持作用，使得中心桩和桩侧土间的相对变形(或相对变形的趋势)难以发展到外围桩的水平，因此其侧阻值低于外围桩。

但是，随着桩距的增大，其差别逐渐缩小。

这说明桩距越大，群桩效应越小，群桩中各基桩的工作性状越接近于单桩。

（3）承台底土反力分布1)不同断面的土反力分布都是中间小，两边大，呈僻马鞍型。

就整个承台而言，土反办以角部最大，中部最小，边次之，大体呈双曲面形分布。

2)承台内、外区土反力的差异非常明显。

‘外区土反力比内区大得多，这说明对于桩距较小的群桩，增大桩群外曩承台底面积占整个承台面积的比例，可以有效地提高承台底土反力总值及其分担荷载的作用。

3)在承台内区(即桩群内部)，不同桩长的群桩，土反力分布都比较均匀，而在承台外区越靠近承台边缘，土反力趋大。

4)承台内，外区土反力的差异随桩长的增大而啊显减小。

5)桩距越大，承台内区所占比例就越大，承台底土反力就越大四、复合桩基的设计思想复合桩基具有以下优越性：(1)单桩可以承担趋于极限承载力的荷载；(2)采用少量桩即可大量减少沉降，达到控制沉降的目的；(3)可大量减少用桩数，大大降低基础工程的造价。

采用桩筏基础一是控制建筑物的沉降和不均匀沉降，二是提高地基的承载力。

但对一具体工程而言，这两个要求的重要性并不是完全等同的。

桩群属于端承桩时，显然沉降量不是主控要素。

摩擦群桩和端承摩擦群桩的桩筏基础，由于岩土工程问题的复杂性，特别是由于桩筏基础沉降计算的复杂性和不精确性，不少工程设计人员不顾地质条件的差异，一味倾向于桩基直接嵌入基岩，嵌岩深度有越来越深的趋势。

导致这种设计倾向的一个根由是，根本不考虑地基土参与承担荷载的可能性，以及忽略了建筑物可以承受一定沉降量的可能性。