长短桩复合地基设计

长短桩复合地基设计
一、前言
当地基承载力或变形不能满足设计要求时，需做地基处理，复合地基方案在地基处理中用的非常普遍。

复合地基的桩型很多，不同的桩型加固机理和加固效果是不同的，实际工程中如何针对设计要求合理选择桩型是方案选择的核心。

本文仅就这一问题做一讨论。

采用复合地基有时主要为了提高地基承载力，有时主要是为了减少沉降量，有时两者兼而有之，在确定使用复合地基前，应予以分析。

当软弱土层较厚时，采用复合地基往往是为了控制沉降，在这种情况下采用复合地基具有较大的优点。

若软弱土层很薄，而基岩又很浅，采用桩基础可能优于采用复合地基。

另外，复合地基需要通过一定的沉降量来协调发挥桩土共同承担荷载，对沉降量控制要求很高的情况下不宜采用复合地基技术。

对一具体工程是否采用复合地基技术应根据荷载大小、地基土层工程地质情况、建筑物对工后沉降量的要求等方面综合分析而定。

随着对复合地基理论认识的提高以及实践经验的积累，学术界提出了不同桩型、桩长的多元组合型复合地基——刚柔结合长短桩复合地基。

长桩：提高地基承载力，将荷载通过桩身向地基深处传递，减少压缩层变形，控制整体的沉降。

桩体强度要求较高，多采用
CFG桩、钢筋混凝土桩、预制桩等。

短桩：主要对土体进行处理，减小浅层的应力集中，提高承载力，消除软弱土层引起的不均匀沉降，桩体采用散体桩和柔性桩如搅拌桩、碎石桩、石灰桩等。

褥垫层：促使桩—土协调变形，合理分配应力，保证桩土共同作用。

复合地基的实质是桩、土共同作用。

桩土应力分配的过程伴随着桩顶上刺或桩端下刺，因此需设置合适厚度和刚度的褥垫层保证桩、土能共同承担荷载。

长短桩的优点（以螺杆桩复合地基为例）：
（1）、螺杆桩复合地基在地基中形成平面及空间合适的刚度梯度，从而获得了高强度的复合地基。

（2）、螺杆桩复合地基中形成了土的三维应力状态，使土的强度高于其自身承载力的基本值，从而使土的参与工作系数大于1，这是任何其它类型复合地基无法实现的。

（3）、螺杆桩复合地基中优化的竖向刚度，使之形成了三层地基，从而减小了复合地基的沉降。

特别是它有效地解决了建筑物或构筑物的不均匀沉降问题。

（4）、螺杆桩复合地基的设计可以有效降低地震力对结构的影响，同时，即使在建筑物过大水平位移情况下，仍可以有效的传递垂直荷载，并由于加固后消除了可液化土层，从而可以广泛地应用于地震区。

（5）、螺杆桩复合地基可以采用国内具有的机械施工，因而具备了设备及工艺的广泛适应性。

（6）、螺杆桩复合地基适合需要人工方法提高其承载力的土层。

如：杂填土、大孔隙土、淤泥质土、膨胀土、湿陷性黄土、松散状粉砂土，各种陆相、海相沉积或其陆、海相沉积互层。

（7）、螺杆桩复合地基可以大幅度提高地基承载力、改善桩间土性能、减小沉降，因而可以广泛应用于高层建筑物以及机场、堆场、路基工程、桥梁基础、储油罐等工程的地基处理。

（8）、螺杆桩复合地基中螺杆桩可用常规的建材，因此有材料来源广泛、材料廉价的特点。

（9）、螺杆桩复合地基检测验收方法符合国家规范的要求。

螺杆桩复合地基的优越性
（1）、大幅度节省投资
与普通桩基和其它类型复合地基相比，可节约造价。

（2）、强度高
处理后的螺杆桩复合地基可用于高层与超高层建筑。

（3）、工期短、工艺简单
平均施工工期比普通钻孔桩桩基础缩短三分之一以上。

（4）、沉降小
据对已完工项目的沉降观测统计：沉降量在5—25㎜，特别是它有效地解决了不均匀沉降问题。

（5）、应用范围
可应用于高层建筑、多层建筑、机场、大型储罐、堆场、路基、桥梁基础等多种建设工程。

（6）、适用多种土层
适用于需要采用桩基础或需要地基处理的土层。

（7）、良好的抗震性
螺杆桩复合地基中刚性加筋穿过液化层，并可有效的传递垂直荷载，通过垫层的弹性联接、桩、土的三维应力状态均大大提高了建筑物的抗震性。

（8）、地基承载力的可补性
当天然地基承载力较高，但仍不能满足上部建筑的需要时，则螺杆桩复合地基可以充分利用原天然地基承载力，以缺多少补多少的新概念，使地基强度大幅度提高。

（9）、上部结构的设计、施工条件可大大改善
螺杆桩复合地基可以完全满足上部结构设计单位提出的承载力和沉降要求，这些要求在本所的地基交付时，将得到政府质检部门的严格验收。

因此，选用螺杆桩复合地基后，可使上部结构的设计单位仅需向我所提供的地基视为高强度均匀地基，使得上部结构设计、施工条件大为改善。

经过学术界工程界多年的研究，复合地基技术有了很大的发展，其应用更加广泛，并且优势更加突出。

但是复合地基技术仍存在是不足的地方有待各界通过理论实验更深入研究使得复合地基方案更加优化。

1短桩复合地基概念
长短桩复合地基通过长桩结合短桩的设计，在附加应力较大的上部土层中设置较大密度的桩，在下部土层中减少桩的密度，通过调整桩的长度，保证复合地基承载力满足的前提下，设置长桩减小下卧层的沉降量，从而控制复合地基的总沉降量达到设计要求。

这就是在材料消耗相同的情况下，进行优化设计的思路。

2长短桩复合地基性状简述
长短桩复合地基中长短桩间隔布置，长桩一般采用强度较高的刚性桩（如CFG桩，钢筋混凝土桩、预应力空心管桩等），短桩常用柔性桩（如碎石桩、水泥土搅拌桩等）。

长短桩复合地基中长桩模量的变化对复合地基的沉降和承载力性状影响不显著，但桩长的影响较大，随着长桩桩长的增加，复合地基沉降几乎线形下降，分担的荷载也有较大的提高，但长桩存在临界桩长，超过临界桩长时，复合地基沉降和荷载分担不再有明显变化。

长短桩复合地基中短桩选择比较灵活，桩的模量变化幅度也较大。

短桩模量的变化对复合地基沉降和承载力有一定程度的影响，特别是当短桩模量在50MPa~2000 MPa之间大幅度变化时影响最为明显。

随着短桩模量的增加，复合地基沉降明显减小，短桩分担的荷载也增加了。

柔性短桩的特点决定其桩长的增加对复合地基特性影响不大，但刚性则不然。

随着刚性短桩桩长的增加，复合地基沉降明显减小，荷载分担增加。

因此对于地基上部存在较好土层的情况，可采用
刚性短桩将上部荷载传递到该土层上，使荷载分布更为合理。

3长短桩复合地基承载力计算
长短桩复合地基承载力可通过载荷试验确定，也可用下式计算预估。

计算思路是分别计算长桩部分的承载力、短桩部分的承载力和桩间土的承载力，然后根据一定的原则叠加形成复合地基承载力。

长短桩复合地基承载力特征值f spk可用下式估算：
f spk=m1R a1/A pl+β1m2R a2/A P2+β2(1- m1- m2) f sk
式中f spk-长短桩复合地基承载力特征值，kP a；
f sk-桩间土承载力特征值，kP a；
m1、m2-分别为长桩和短桩的置换率；
R a1、R a2-分别为长桩和短桩单桩承载力特征值，kN；
A pl、A P2-分别为长桩和短桩的截面面积，m2；
β1、β2-分别为短桩和桩间土的强度发挥系数。

其中长桩和短桩的单桩承载力特征值可根据桩的类型采用相应的计算方法计算。

4长短桩复合地基沉降计算
长短桩复合地基总沉降如下图1所示，有三部分组成：
S=S1+S2+S3
式中S1、S2、S3-分别为1、2、3区沉降量。

上式中1、2区的沉降量用复合模量法计算，计算时采用各区对应的置换率，计算公式如下：
E sp1=m1E p1+ m2E p2+(1-m1-m2)E s
E sp2=m1E p1+ +(1-m1)E s
式中E sp1、E sp2-分别为1区和2区的复合模量；
m1、m2-分别为长桩和短桩的置换率；
E p1、E p2-分别为长桩和短桩的压缩模量；
E s-为桩间土的压缩模量。

3区即下卧层按下卧层沉降计算方法就可以。

二、复合地基承载力分析
（一）复合地基承载力可用下式表示：，
)1(------------------∆+=f f f ak spk
)2(------------------∆+∆=∆z j f f f
式中，-spk f 复合地基承载力特征值；
-ak f 天然地基承载力特征值；
-∆f 承载力提高幅度；
-∆j f 挤密分量；
-∆z f 置换分量。

（二）按挤密和振密效果可将被加固土分为：
（1）挤密效果好的土（如松散粉土、粉细纱）；（2）可挤密土（如塑性指数较小密度不大的粉质粘土）；（3）不可挤密土（如饱和软粘土、密度大的粘土、砂土）。

（三）施工工艺可分为两大类：
（1）无振动挤密作用的施工工艺；（2）有振动挤密作用的施工工艺
（四）桩体可分为四种：
（1）散体桩（如碎石桩）；（2）低粘结强度桩（搅拌水泥土桩、石灰桩等）；（3）中等粘结强度桩（夯实水泥土桩）；（4）高粘结强度桩（CFG 桩）。

从（1）到（4）桩的置换能力逐次增强。

方案选择的实质是根据给定土性和承载力提高幅度，选择施工工艺和桩型：
（1）对无振动挤密的施工工艺：
挤密分量0=∆j f ，承载力提高幅度唯一地取决于置换分量，即z f f ∆=∆，当设计要求的承载力提高幅度较低时，可选择散体桩或低
粘结强度桩，当设计要求的承载力提高幅度较高时，可选择中等或高粘结强度桩。

（2）对有振动挤密的施工工艺：
首先看土性：
（a ） 若土为不可挤密土
则有挤密分量0=∆j f ，同样承载力提高幅度唯一地取决于置换分量，即z f f ∆=∆，当设计要求的承载力提高幅度较低时，可选择散
体桩或低粘结强度桩，当设计要求的承载力提高幅度较高时，可选择中等或高粘结强度桩。

（b ）若土为可挤密或挤密效果好的土
先预估挤密分量j f ∆（此时认为挤密分量为已知），则置换分量为
j z f f f ∆-∆=∆，当（j f f ∆-∆）较小时可选择散体桩或低粘结强度桩，
当（j f f ∆-∆）较大时，可选择中等或高粘结强度桩。

三、几种典型地基的桩型选择
（一）不均匀地基桩型选择
1、人工填土地基
（1）压实填土地基
在拟建场地遇有鱼塘、采砂坑，且鱼塘、采砂坑中有水、坑底有淤泥的时，通常应按如下方法进行回填处理：抽水→清除淤泥（当淤泥无法彻底清干净时抛石挤淤）→按填方工程分层回填素土夯实或碾
压至设计标高。

按上述程序施工后，压实填土地基承载力和变形一般可满足多层建筑荷载的设计要求。

当建筑物荷载水平较高，预估压实填土地基不能满足设计要求、需进一步做地基处理时，要限定填土材料的粒径不宜过大，避免对地基处理施工带来不利影响。

由于压实填土地基不存在湿陷性，也不存在欠固结状态，在压实填土地基上采用复合地基方案是可行的。

当要求的复合地基承载力提高幅度较大时，宜首选刚性桩复合地基方案。

但工程经常遇到的是拟建场地中的鱼塘或砂坑是随意填起来的，既没抽水，也没清淤，填筑材料也较复杂，有素土、河卵石、建筑垃圾和生活垃圾，回填过程没有进行夯实或碾压。

特别是建筑垃圾含有较多的大体积混凝土梁板，不论做地基处理还是做桩基，都会给施工造成很大困难。

（2）以建筑垃圾（无大体积混凝土梁板、无生活垃圾）为主要成分的杂填土地基
当坑底土较好、坑底标高变化不大、坑底土和填土之间无淤泥时，填土在自重下已经稳定，不存在填土湿陷问题。

（a）建筑物基础全部在填土上
建筑物荷载比较均匀、荷载水平不高，可选择置换率较大的振冲碎石桩复合地基、柱锤夯扩桩复合地基、复合载体桩复合地基；周围环境允许也可采用强夯或强夯置换复合地基方案。

(b)当建筑物基础一部分在填土上、一部分在强度较高的原状土上
建筑物荷载比较均匀、荷载水平不高,可选用复合地基，按变形控制确定设计参数和选择桩型，使处理后的填土和原状土两部分承载力和模量基本相同，保证建筑物沉降均匀。

为了有效地控制地基变形，宜选用模量较高置换能力强（中高粘结强度桩）的桩型。

若建筑物荷载水平较高，坑底土和填土之间有较厚的淤泥，或基础跨填土和原状土两部分，采用复合地基方案有困难时，应采用桩基，复合载体夯扩桩对这样的填土地基具有较好的适用性，可列为首选方案。

（3）含有大量生活垃圾的杂填土（无大体积混凝土梁板）地基由于杂填土中生活垃圾的存在，随着时间的延续，其中的有机质材料在物理、化学或生物的作用下，发生腐烂变质并产生昭气，土体变得松散、不稳定。

在这样的填土地基上采用复合地基方案是不适宜的，通常宜采用桩基。

比如，北京天通院东区杂填土地基采用桩基方案，中央美院杂填土地基先采用碎石桩将填土挤密，后采用复合载体桩基方案，均取得了令人满意的结果。

2、局部含淤泥、淤泥质土的不均匀地基
图1为局部含淤泥的不均匀地基，除②层淤泥外，其它各土层承载力和模量均较高。

建筑物荷载是均匀的，在荷载作用下地基将产生不均匀变形，建筑物会发生不均匀沉降。

为消除地基不均匀变形需做地基处理，当采用复合地基方案时选择什么样的桩型是很重要的。

首先讨论能否采用碎石桩或搅拌水泥土桩。

碎石桩属散体桩，桩的置换能力（或称桩的效应）很弱，碎石桩靠桩间土的侧向约束传递垂直荷载，桩间土强度高，土对桩的侧向约束越好，淤泥、淤泥质土强度很低，对桩的约束作用很差，桩传递垂直荷载的能力很弱。

当然，打桩后桩顶应力比桩间土表面应力大一些，即桩土应力比大于1，工程实践表明，若桩间土密度不变，靠桩的置换作用地基承载力只能提高20～60％。

碎石桩采用振动施工工艺可挤密和振密桩间土提高地基承载力，
当碎石桩要用于挤密效果好的土，地基承载力可提高100～200％或更高。

也就是说，碎石桩主要是用于挤密效果好的土，对不可挤密的饱和软粘土碎石桩方案加固效果很差。

对如图1所示局部含淤泥的不均匀地基，采用碎石桩加固方案，淤泥层中的桩承载力很低，淤泥又不能挤密，导致含淤泥部位的复合地基承载力很低，而不含淤泥部位的复合地基承载力较高。

这就是说，采用碎石桩加固后的地基，仍然为不均匀地基，建筑物仍然可能发生倾斜或底板开裂。

搅拌水泥土桩属桩身强度密切与原土性状相关的桩型，桩长范围
可能小于1MPa，淤泥段的桩体处于软塑状态。

原设计意图是通过搅拌桩穿过淤泥层，把荷载传到④砂层，由于淤泥段桩体强度太低，荷载不能像刚性桩那样很好地传到砂层，单桩承载力和复合地基地基承载力都偏低。

当图1所示的不均匀地基采用搅拌水泥土桩时，由于含淤泥部位的复合地基承载力低，而不含淤泥部位的复合地基承载力较高，加固后的地基仍为不均匀地基，建筑物同样会发生倾斜或底板开裂。

若将图2中的搅拌水泥土桩换成刚性桩（如CFG桩），由于这种桩的桩体材料与原土无关，称之为与原土性状无关的增强体。

它的特点是全桩长由同一材料组成，桩体强度高、传递垂直荷载的能力强。

当图1所示的不均匀地基采用刚性桩时，地基承载力和模量会有较大提高，建筑物总沉降量小，不均匀沉降会大大减小。

综上所述，局部含淤泥、淤泥质土的不均匀地基，采用碎石桩或
搅拌水泥土桩复合地基方案，对提高地基承载力、减少地基变形和消除不均匀地基的不均匀变形的效果是有限的，刚性桩复合地基和桩基对减少地基变形和消除不均匀地基的不均匀变形具有显著效果。

（二）、可液化地基
饱和松散粉土、粉细砂在地震荷载或其它动荷载作用下，土体会发生液化，处理可液化地基可采用强夯法，也可用桩基，但用的比较多的是碎石桩法，按施工工艺的不同又可分为振动沉管挤密碎石桩和振冲碎石桩。

可液化土层为粉土且厚度不大，沉管打桩机施工不困难时，可选用振动沉管挤密碎石桩，可液化土层为厚度较大的砂土，或可液化土层上面有承载力高的粘性土，振动沉管机施工有困难，应采用振冲碎石桩。

实践表明，碎石桩法是消除地基液化的有效方法。

当建筑物荷载较大而要求加固后的复合地基承载力较高，单一碎石桩复合地基方案不能满足设计要求时，可采用碎石桩和刚性桩（如CFG桩）组合的多桩型复合地基方案。

通常，先施工碎石桩，后施工CFG桩。

碎石桩主要用于消除地基液化，又使地基承载力有一定提高；CFG桩则主要用于大幅度地提高地基承载力。

如图3所示。

（三）、具有两个好的桩端持力层的地基
如图4所示，当地基土有两个好的桩端持力层，分别为②层砂和④层卵石。

若采用CFG复合地基方案，《建筑地基处理技术规范》规定，桩距宜为3～5 d（d为桩径），若桩端落在②层砂时，桩较短单桩承载力较低，采用规范限定的最小桩距3d,复合地基也不能满足设计要求。

若桩端落在④层卵石时，桩较长单桩承载力较高，采用规范限定的最大桩距5d,复合地基承载力还还远高于设计要求，过于保守、不经济。

此时，可考虑将部分桩的桩端落在②层砂上，另一部分桩的桩端落在④层卵石上，形成长短桩复合地基。

由长、短CFG桩组成的复合地基，其技术性、经济性更为合理。

四、结语
由以上讨论可得到如下认识：
1、复合地基桩型选择与被加固地基的土性和设计要求的承载
力提高幅度有关。

2、填土地基能否采用复合地基取决填土材料组成、是否已消
除湿陷性、和固结稳定。

桩基和刚性桩复合地基对减少地基变形和消除不均匀地基的不均匀变形具有显著效果。

若可采用复合地基，应首选刚性桩复合地基，若采用复合地基有困难时，应采用桩基。

3、用桩身强度与原土密切相关水泥土桩或碎石桩加固局部含
淤泥、淤泥质土的不均匀地基，效果较差。

4、碎石桩是处理可液化地基的理想桩型，当既要消除地基液
化又要求承载力提高幅度较大时，可选用碎石桩和刚性桩组合
的多桩型复合地基。