复合地基的发展与研究状况(徐鑫鑫)

复合地基的发展与研究状况随着地基基础的发展，广泛应用于交通、建筑、水利、矿业及市政工程等与土木工程相关的各个领域的地基处理中。

随着地基基础处理实践积累和理论发展，复合地基的概念逐渐得到了专业界的认同和深化。

复合地基是指天然地基在处理工程中部分土体得到增强，或被置换，或在天然地基中设置加筋材料，加固区是由机体（天然地基或被改良的天然地基土体）和增强体两部分组成的人工地基。

上部荷载由基体和增强体共同承担。

荷载作用下复合地基性状与桩型、基础刚度的大小有很大关系，现行复合地基理论不完全适合于高填土路堤复地基设计和计算.本文在原有基础上，对复合地基现状作了初步的总结和探讨，并提出所存在的问题，并为其未来发展方向作了初步预测，以期能为复合地基基础理论研究提供思路。

复合地基的概念最早在国际上被提出来是在1960年。

从20世纪70年代起，我国开始利用碎石桩处理地基，在砂土、粉土中消除地基液化和提高地基承载力，效果令人满意后来逐渐将碎石桩应用范围扩大，用到塑性指数较大，挤密效果不明显的粘土中，但发现对地基承载力的提高效果不大。

原因在于，散体材料桩本身没有粘结强度，主要靠周围土体对桩体的侧向约束来保持桩体的稳定性。

如果周围土体太软，就不能对桩体提供足够的约束作用。

为了解决这个问题，人们开发了水泥土桩。

水泥土桩是通过在原状土体中喷射水泥浆、水泥粉或高压注浆并搅拌均匀后与原状土体形成的桩体。

桩体本身具有一定的粘结强度，和桩间土、垫层一起构成水泥土桩复合地基。

第二次世界大战以后，美国研制成功一种就地搅拌桩(MIP)，这种水泥土桩是从旋转的中空螺旋钻杆端部向周围被搅散的土中喷射水泥浆，然后再由叶片搅拌均匀而形成的桩体。

1953年，日本清水建设株式会社从美国引进这种施工方法，并进一步加以改进，开发出CSL 法和MR-D法，都是通过钻杆供给水泥浆，用钻杆自带的特殊形状的搅拌翼片搅拌土体，形成水泥土桩。

20世纪60年代，日本和瑞典分别开发出深层搅拌法，专用于加固深层软土。

1977年，我国冶金部建筑研究总院和交通部水运规划设计院进行了室内试验和施工机具研制工作。

1978年成功研制出我国第一台SJB-1型双搅拌轴、中心管输浆、陆上型深层搅拌机。

1984年开始，由江阴振冲机厂生产SJB型成套深层搅拌机械，加固深度可达25-30m。

1992年，交通部第一航务工程局开发出了我国第一代深层搅拌船，它的特点为双头搅拌，施工深度达到28.lm，叶片直径为1.2m，搅拌头之间间距可调，并配置自动定位自动监控系统，已达到国际先进水平。

另一类水泥土桩的形成方法为粉体喷射桩。

1937年瑞典工程师Kjeld Paus首先提出用石灰搅拌桩加固15m深度范围内的软土地基的设计思想。

1971年首次制成生石灰搅拌软土形成的石灰土桩。

日本从1967年开始研制石灰搅拌施工机械，到1974年研制成功，并开发出相应的施工方法。

我国铁道部第四勘测设计院从1983年开始进行粉喷搅拌法加固软土地基的研究。

在1984年首次应用于广东省云浮硫铁矿铁路专用线的单孔4.5m盖板箱涵软土地基加固工程。

1988年铁道部科学研究院开发出DDG-2型工程钻机，可以加固6m范围内软土地基，可作60。

的斜搅，可用于整治路基。

复合地基是指天然地基在地基处理过程中部分土体得到增强或被置换,或在天然地基中设置加筋材料,加固区是由基体(天然地基土体)和增强体两部分组成的人工地基,复合地基中增强体和基体是共同承担荷载的。

自20 实际60年代,国际上首次使用“复合地基”(Composite Foundation)一词以来,复合地基理论已成为许多地基处理方法的理论分析及公式建立的基础和根据。

且被大量运用到如碎石桩、水泥土搅拌桩、旋喷桩、石灰桩和灰土桩等加固地基的理论分析中。

近年来,水泥粉煤灰碎石桩(CFG 桩) 、树根桩及疏桩基础也被引入复合地基理论范畴。

复合地基理论的研究已得到国内外岩土工程界和学术界的重视。

复合地基的出现虽然才40多年,但其工程应用却有着长远的历史。

天津市在修建公园时曾在清代道台衙门的旧址下, 挖出长300-500mm 的石灰桩。

复合地基理论是地基处理技术的理论升华。

地基处理技术是伴随着人类文明的起源而兴起的。

但现代地基处理技术起源于欧洲。

1835年法国工程师设计了最早的砂石桩。

设计桩长2m,直径20cm,每根桩的承载力为10kN 。

后来德国S.Steuerman 在1930年提出采用振冲法加密砂性土原理。

1933年,德国J.Keeller 制成了第一台振冲器,并于1935年在纽伦堡用于加固松散粉砂地基。

后来在美国、欧洲、日本等地得到应用。

1960年左右在英国开始将振冲法应用于加固粘性土地基。

不久,在德国、美国和日本也用于加固软粘土地基。

1976年下半年,南京水利科学研究所和交通部水运规划设计院共同研究振冲法加固软填土地基技术,1977年试制出我国第一台13kw 的振动水冲器,1977年9月首先用于南京船厂船体车间软粘土地基加固,加固深度13-18m 。

20世纪80年代末由中国建筑科学研究院地基所开发了CFG 桩复合地基成套技术,1992年通过了建设部组织的专家鉴定,并在国内得到了广泛的应用。

当前复合地基理论研究的最新发展表现为:①多元复合地基的出现和大量应用；②工前、工中、工后地基处理方式的灵活应用；③一次型施工与工后加固方式的有机结合；④增强承载力与减少沉降相结合,对于不同的目的采用不同的思路。

桩体复合地基承载力的计算思路通常是先分别确定桩体的承载力和桩间土的承载力,然后根据一定的原则叠加这两部分承载力得到复合地基的承载力。

复合地基的极限承载力Pcf 可表示为sf pf cf p m k mp k P )1(2211-+=λλ （1）式中，ppf 为单桩极限承载力(pa k )；psf 为天然地基极限承载力(pa k )；1k 为反映复合地基中桩体实际极限承载力与单桩极限承载力不同的修正系数；K 2为反映复合地基中桩间土手机极限承载力与天然地基极限承载力不同的修正系数；λ1为复合地基破坏时，桩体发挥其极限强度的比例，称为桩体极限强度发挥度；λ2为复合地基破坏时，桩间土发挥其极限强度的比例，称为桩间土极限强度发挥度；m 为复合地基置换率m=Ap/A ,其中Ap 为桩体面积，A 为对应的加固面积。

复合地基的容许承载力Pcc 计算式为 K P P cfcc = (2)式中, K 为安全系数。

当复合地基加固区下卧层为软弱土层时,按复合地基加固区容许承载力计算基础的底面尺寸后,尚需对下卧层承载力进行验算。

式(1)中,桩体极限承载力可通过现场试验确定。

如无试验资料,对刚性桩和柔性桩的桩体极限承载力可采用类似摩擦桩的极限承载力计算式估算。

散体材料桩桩体的极限承载力主要取决于桩侧土体所能提供的最大侧限力。

散体材料桩在荷载作用下,桩体发生鼓胀,桩周土进入塑性状态,可通过计算桩间土侧向极限应力计算单桩极限承载力。

其一般表达式可表示为p ru K ppf σ= (3)式中, ru σ为桩侧土体所能提供的最大侧限力(pa k ),p k 为桩体材料的被动土压力系等。

计算桩侧土体所能提供的最大侧向力常用方法响Brauns 计算式,圆筒形孔扩张理论计算式等。

式(1)中,天然地基的极限承载力可以通过载荷试验确定,也可以采用Skempton 极限承载力公式进行计算。

水平向增强体复合地基主要包括在地基中铺设各种加筋材料,如土工织物、土工格栅等形成的复合地基。

加筋土地基是最常用的形式。

加筋土地基工作性状与加筋体长度、强度、加筋层数以及加筋体与土体间的勃聚力和摩擦系数等因素有关。

水平向增强体复合地基破坏可具有多种形式,影响因素也很多。

到目前为止,水平向增强体复合地基的计算理论尚不成熟,其承载力可通过载荷试验确定。

在复合地基设计时有时还需要进行稳定分析。

如路堤下复合地基不仅要验算承载力,还需要验算稳定性。

稳定性分析方法很多,一般可采用圆弧分析法计算。

在各类实用计算方法中,通常把复合地基沉降量分为两部分,复合地基加固区压缩量和下卧层压缩量,如下图所示。

图中h 为复合地基加固区厚度,Z 为荷载作用下地基压缩层厚度。

复合地基加固区的压缩量记为S 1地基压缩层厚度内加固区下厚度为（Z-h ）,其压缩量记为S 2，于是，在荷载作用下复合地基的总沉降量S 可表示这两部分之和，即：21S S S += (4)复合地基加固区土层的压缩量S 1的计算方法主要有下述三种：复合模量法(Ec 法)丶应力修正法（Es 法）和桩身压缩量法（Ep 法）。

三种方法中复合模量法应用较多。

加固区下卧层土层压缩量S 2的计算常采用分层总和法计算。

在工程应用上，作用在下卧层的荷载常采用下述三种方法计算：压力扩散法丶等效实体法丶改进Geddes 法。

复合地基的沉降计算也可采用有限单元法。

在几何模型处理上大致上可以分为两类:①把单元分为增强体单元和土体单元两类, 增强体单元如桩体单元、土工织物单元等,并根据需要在增强体单元和土体单元之间设置或不设置界面单元；②可以把单元分为加固区复合土体单元和非加固区土体单元两类,复合土体单元采用复合体材料参数。

承载力设计值的选取。

复合地基标准值的计算方法较多,然而其设计值如何选取存在问题。

浅基础的地基承载力设计值是根据标准值进行深宽修正后获得的,而这种方法并不适合于复合地基。

桩身材料变形模量的选取。

复合地基是在软土地基上成孔,再在孔中填入碎石等材料形成桩体,由桩体和桩间土共同承担荷载的人工地基。

由于桩体是与桩间土共同承担荷载作用, 脱离土体无法独立成桩,故桩身材料的实际变形模量是难以确定的。

沉降计算存在的问题。

疏桩基础作为复合地基的主要形式之一,其现有的沉降计算方法一般假设当外荷载小于桩极限承载力总和时,外荷载由桩基承担；当外荷载超过桩极限承载力总和时,则采用总荷载减去极限承载力总和后的值作为承载外力来计算沉降。

然而实测证明, 只有桩减至足够少时, 桩顶反力才接近单桩极限承载力,而此时桩数可能已少于满足疏桩基础承载力总体安全度要求的桩数。

因此，在简单假设外荷载超过单桩极限承载力之和以前,桩间土不分担荷载；外荷载超过单桩极限承载力之和以后,桩在极限承载力以下工作并依次计算沉降是不合理的。

展望复合地基的发展,其计算理论、施工工艺、质量检测方面都有较大的发展空间,并有许多工作要做。

复合地基的发展需要更多的工程实践的积累、实践研究和理论上的探索。

在复合地基计算理论方面,需要加强荷载传递机理的研究,进一步了解基础刚度、桩土相对刚度、复合地基置换率、加固深度、荷载水平对复合地基应力场和位移场的影响,从而提高复合地基应力场和位移场的计算精度。

复合地基承载力和沉降计算水平的提高还有赖于工程实践的增加、经验的总结。