长、短桩及长短组合桩加固地基特性分析

第 27 卷 增 1
马海龙，等. 长、短桩及长短组合桩加固地基特性分析
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在第一硬层，虽然强度满足要求，但因桩未穿越软 弱下卧层，下卧层未得到加固，其变形会比较大， 可能导致建筑物的沉降较大。采用长桩加固时，选 择第二硬层作为桩尖持力层，要穿越较厚的饱和软 黏土，虽然承载力及变形都能满足要求，但因桩长 增长，将增加地基处理费用。
2 工程背景
常熟市某镇政府宿舍楼建于 1992 年，为天然地 基上的筏板基础，筏板厚 400 mm，5 层砖混结构， 基础长 112 m，宽 12 m，可近似看作条形基础(l/ b≥10，l 为基础长度，b 为基础宽度)，因此是平面 应变问题。由于不均匀沉降原因，从底层到顶层， 结构出现了裂缝，宽度从数毫米到十几毫米。沉降 观测表明，该楼虽建成十余年，但沉降还未稳定， 必须对地基进行有效加固，方能满足建筑物的正常 使用。
短桩地基和天然地基上的筏板基础的荷载水 平–沉降曲线较为接近，均有比较明显的下弯段，
而长短组合桩及长桩的荷载水平–沉降曲线也接 近，但无明显的下弯段。短桩加固地基荷载水平– 沉降曲线具有筏板基础的性质，这是由于短桩未能 穿过基础板下主要压缩层，其表现的性质与筏板基 础相似。长短组合桩加固地基荷载水平–沉降曲线 与长桩的接近，这是由于长短组合桩中长桩桩端也 达到了相应标高，进而使长桩起到了控制沉降的作 用。观察可知，尽管长短组合桩中的长桩较为稀疏， 但其控制沉降的作用却很显著。荷载水平为 1.0 时， 短桩加固基础的沉降为 267 mm，筏板基础为 328 mm，长短组合桩加固基础为 107 mm，长桩加固基 础为 80 mm。因此，在控制沉降方面，短桩作用不 大，而长短组合桩的作用却接近长桩。长的疏桩控 制沉降的效果很理想。 3.2 基础中心下土体竖向沉降
similar with those of natural foundation. For the foundations reinforced by long-short composite piles and long piles respectively，the plastic point develops further down to bearing layer；and the distribution and magnitude of
2008 年
沉降/mm 深度/m
根据长短桩的加固原理，并对照表 1 所示地层 分布，为了有效利用第一硬层，短桩桩端进入第一 硬层，桩长 3.0 m。为了控制变形，长桩进入第二硬 层，桩长 17.5 m。桩满堂布置，桩间距为 2.5 m。长 短组合桩中的长、短桩相间布置。计算对比的几种 基础形式见表 2。
图 1 为 4 种基础形式的荷载水平–沉降曲线， 荷载水平 1.0 相应于作用荷载 75 kPa。
荷载水平
00.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
50
100
150
筏板基础 200
短桩加固基础 250
长短组合桩加固基础
300
长桩加固基础
350
图 1 荷载水平–沉降曲线 Fig.1 Curves of load-settlement
MA Hailong1，WANG Dihai2
(1. Institute of Geotechnical Engineering，Zhejiang Sci-Tech University，Hangzhou，Zhejiang 310018，China； 2. Zhejiang Zhonglian Construction Group Co.，Ltd.，Shaoxing，Zhejiang 312000，China)
深处平面上的沉降分布也是短桩加固地基接近于天然地基，长短组合桩加固地基接近于长桩加固地基。短桩加固
地基与天然地基具有相似的塑性开展强度及范围，且集中在上部土层。长短组合桩加固地基则与长桩加固地基相
似，塑性点往深部传递到桩端持力层。长短组合桩与长桩加固地基的反力分布及大小接近。
关键词：桩基工程；地基加固；长桩；短桩；长短组合桩；荷载水平–变形曲线；塑性区
中图分类号：TU 47
文献标识码：A
文章编号：1000–6915(2008)增 1–3110–06
CHARACTERISTICS ANALYSIS OF FOUNDATIONS REINFORCED BY LONG AND SHORT PILES AND LONG-SHORT COMPOSITE PILES
Abstract：In the process of optimal design of foundation reinforcement for the typical project，by means of finite element analytical method，systematic calculation and analysis have been conducted aiming at raft foundation and foundations reinforced by short pile，long pile，and long-short composite pile respectively. Under the same loading condition，the load-deformation curve of foundation reinforced by short piles approximates to that of natural foundation；and the load-deformation curve of foundation reinforced by long-short composite piles is similar with
表 2 基础形式 Table 2 Foundation styles
基础形式 筏板基础
基础板厚 /mm 400
桩长 /m
桩截面 /(m×m)
短桩加固基础
400
3.0
百度文库
0.2×0.2
长短组合桩加固基础
400
3.0，17.5 0.2×0.2
长桩加固基础
400
17.5 0.2×0.2
桩间距 /m
2.5 2.5 2.5
地层物理力学参数见表 1。筏板基础埋置在淤 泥质黏土上。第 3 层为粉土(第一硬层)，层顶在地 面下 3.0 m 处。下卧层为第 4 层高压缩性淤泥质土， 层厚 12.0 m。第 5 层为粉质黏土(第二硬层)，层顶 在地面下 17.0 m 处。
表 1 地层物理力学参数 Table 1 Physico-mechanical parameters of soil layers
摘要：在典型工程的地基加固方案优化设计中，采用有限元分析法，对天然地基上的筏板基础、短桩加固、长短
组合桩加固、长桩加固等方案进行系统计算与分析。作用相同荷载时，短桩加固地基的荷载水平–变形曲线接近
天然地基，长短组合桩加固地基的荷载水平–沉降曲线接近长桩加固地基。基础中心剖面上土体的沉降分布及 5 m
that of foundation reinforced by long piles. The changing rules of settlement distribution at central cross-section of
foundations and at depth of 5 m are same as those of load level-settlement curves. The intensity and range of extensive area of plastic points，which centralizes in the upper soil layers，of foundation reinforced by short piles is
1引言
在工程中，常遇到在同一剖面沿深度上存在两
个硬层情况。第一硬层埋深较浅，下卧层为高压缩 性土层，该层层厚较大。高压缩性土层下又存在第 二硬层，埋深大，从承载力及变形上讲，可作为桩 端持力层。此时，如果采用短桩加固，将桩端设置
收稿日期：2006–12–26；修回日期：2007–06–12 作者简介：马海龙(1964–)，男，博士，1986 年毕业于南京建筑工程学院勘测系工程地质水文地质专业，现任教授，主要从事岩土工程方面的教学与 研究工作。E-mail：ma-hailong@163.com
序号 地层名称
1
杂填土
2 淤泥质黏土
3
粉土
4
淤泥质土
5
粉质黏土
厚度/m 1.0 2.0 2.0
12.0 ＞5.0
c/kPa ϕ /(°) Es/MPa
15
3
3.5
20 25
10.0
15
3
3.2
30 15
6.0
fa/kPa
80 140 70 100
在进行加固方案的优化设计过程中，采用 PlaxisV8.0 岩土工程有限元分析软件，利用工程的 背景资料，计算分析了天然地基上的筏板基础、短 桩加固(桩端在第 3 层粉土)、长短组合桩加固和长 桩加固(桩端在第 5 层粉质黏土)4 种情况时，土体塑 性区深度、变形、土反力分布等，揭示了不同加固 方法的特点和分组相似性。
3 计算分析
PlaxisV8.0 有较为丰富的土体模型库(还可自定 义)，这里选用莫尔–库仑模型，土体计算参数 c， ϕ ，Es 按表 1 选取，混凝土预制桩、筏板基础采用 弹性模型，弹性模量取为 35 GPa。基础板上均布荷 载按结构实际作用荷载取为 75 kPa。
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岩石力学与工程学报
PlaxisV8.0具有完全自动生成有限元网格的功 能，这里采用十五节点三角形单元。网格生成过程 以可靠三角剖分原理为基础，通过搜索最优三角形 单元，生成一个非结构性网格。非结构性网格不是 由单元的规则组合形成的，不过，这种网格的数值 表现通常优于由单元的规则组合形成的结构性网 格。 3.1 荷载水平–沉降曲线分析
上述分析研究中，针对同一工程背景不同加固 方案的对比分析不多，对长短组合桩型与长桩、短 桩的加固机制与效果的定量研究较少。没有同一工 程背景加固方案的定量对比，难以揭示长短组合桩 加固方法在技术、经济上的合理性。
本文采用有限元分析方法，计算了同一工程背 景下的几种加固地基的变形特性和承载力特性，定
量揭示了长短组合桩、长桩、短桩和天然地基的变 形特性以及土反力分布特性。
the foundation counterforce in the two cases are similar. Key words：pile foundations；foundation reinforcement；long pile；short pile；long-short composite piles；loaddeformation curve；plastic zone
从地基强度与变形规律看，建筑地基内的附加 应力向下传递衰减较快。对地基浅层土的承载力要 求较高，需要增大浅层土的承载力。另外由于软弱 下卧层的存在，若仅使用短桩，深层土的沉降难以 减少。显然，如果采用穿过软弱下卧层的长桩，则 可控制沉降[1]。
因此，对有双硬层的地基土，可以采用长短组 合桩，长桩和短桩分别完成不同的任务。短桩最大 限度地利用浅层硬层土，在短桩桩长范围内置换率 大[2]，加固后的地基强度高，同时浅层土压缩量减 少。长桩穿透软弱下卧层，将部分荷载传至深层土 体，减少了短桩软弱下卧层土中的附加应力，从而 有效地控制深层土的变形[3，4]。
对长短组合桩复合地基的应用和研究没有等长 度桩复合地基的应用和研究那样成熟，等长度桩复 合地基的计算已有相应规范[5]可依。鉴于长短组合 桩的工程应用越来越广泛，已引起众多学者对长短 组合桩研究的重视。
葛忻声等[6]对长短组合桩的有限元分析认为， 长短组合桩复合地基在有效减小建筑物沉降量的同 时，可降低基础沉降差，使基础受力更均匀。由于 长桩的存在，可使浅层土应力减少，深层土的变形 降低。赵明华等[7]针对长短组合桩复合地基的桩– 土–承台整体相互作用特点，通过一定的简化假定， 基于剪切位移法等，建立了长短组合桩复合地基的 沉降计算模型。对多元桩(多种材料的桩)的长短组 合桩研究[8～10]也表明，通过不同桩长的调整，可有 效利用地基中的硬土层，并使设计合理，获得较好 的经济效益。
第 27 卷 增 1 2008 年 6 月
岩石力学与工程学报 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering
Vol.27 Supp.1 June，2008
长、短桩及长短组合桩加固地基特性分析
马海龙 1，王迪海 2
(1. 浙江理工大学 岩土工程研究所，浙江 杭州 310018；2. 浙江中联建设集团有限公司，浙江 绍兴 312000)