浅谈刚性桩复合地基

浅谈刚性桩复合地基
摘要：复合地基是目前使用最广泛的地基处理技术之一，随着对地基处理要求的不断提高，复合地基处理技术也在不断的发展当中。

刚性桩复合地基—筏板基础体系就是用钢筋混凝土桩、素混凝土桩或高标号CFG桩等刚性桩做为增强体与桩周土体以及筏板基础组成承载体系共同承担上部荷载，是最近涌现出的新的地基处理方式之一。

刚性桩复合地基因其具有的高承载力、小变形和广泛的适应性以及良好的经济和社会效益在近年来尤其是在高层建筑地基处理方式中得到了迅速的发展。

关键词：刚性桩复合地基；筏板基础；褥垫层；加固区；约束效应引言
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，加固区整体是非均质各向异性的。

根据地基中增强体的方向可分为水平向增强体复合地基和竖向增强体复合地基。

竖向增强体复合地基通常称为桩体复合地基。

根据竖向增强体的性质，桩体复合地基可分为三类：散体材料桩复合地基、柔性桩复合地基和刚性桩复合地基。

一、刚性桩复合地基的概念
刚性桩复合地基是在地基土中置入刚度很大的桩，桩体材料有CFG桩、素混凝土桩、预制桩等，成桩工艺包括振动沉管工艺、螺旋钻孔压灌工艺、静压桩工艺等，从而对不满足承载力或变形要求的地基进行加固而形成一种人工地基。

为使复合地基最大地发挥其承载性能，减少沉降变形，通常在基础底面以下铺设一定厚度的粗砂或碎石褥垫层，碎石粒径一般为3-5mm。

褥挚层的铺设范围通常比基础底面以下的素混凝土垫层宽150mm。

由于褥垫层的设置，刚性桩复合地基在受力时，桩顶能很好地向上刺入褥垫层，并通过褥垫层的调整，使桩间土能够更好地发挥作用，从而达到桩土共同作用的目的。

与散体材料桩、柔性桩复合地基相比，刚性桩复合地基由于复合地基中桩的刚度相对较大，从而使上部荷载能向深部土层传播，故能大幅度地提高地基承载力，且复合地基的沉降量相对较小[1]。

刚性桩复合地基由于能够发挥桩问土的承担作用，所以比桩基经济。

同时，因桩体强度、刚度较大，沿其全长的侧阻及端阻均可以比较充分的发挥，因此同散体材料桩复合地基相比，它能更大幅度提高地基承载力，故可用于高层建筑。

因此，在我国内陆地区的高层建筑中有很广泛的应用。

二、刚性桩复合地基的工作机理和褥垫层的效用
对于刚性桩复合地基，通过桩体作用，可将荷载传递给地基中较深的土层，使加固区附加应力减小，而使非加固区附加应力相对增大。

与未设置桩体时(天然地基)相比较，刚性桩复合地基加固区中不仅模量提高，而且附加应力减小，土层压缩量减小明显；而非加固区附加应力和压缩量是增大的。

两者综合起来看，采用刚性桩复合地基还是可以明显减小沉降的。

刚性桩复合地基除了拥有一般复合地基的各种效应，还有一些自己独立的特点。

如置换效应、挤密效应和约束效应。

由于桩土相对变形基本协调，而刚性桩体的模量比桩间土的模量大出许多，因此在荷载作用下，桩体可以将所承受的荷载向较深处的土层中传递，并且还减少了桩间土承受的荷载，提高了地基的承载力。

复合地基中桩体起到的这种既能提高地基承载力，又能减小地基变形的作用，这就称为置换效应或桩体效应。

当在人工填土或者松散砂土中采用挤土成桩工艺时，桩体的楔入可使桩间土的孔隙比减小，密实度增大，桩间土因而被挤密，复合地基的承载力和模量都得到提高，这种因桩体的楔入而产生的效应称为挤密效应。

当采用振动沉管工艺时，素混凝土桩复合地基就具有挤密效应。

由于刚性桩的刚度相对土体的刚度要大许多，因此在荷载的作用下，桩间土的侧向变形受到了桩体的约束。

由于桩间土的侧向变形受到了约束，相应的其竖向变形也受到约束，因而提高了复合地基的承载力，同时又减小了复合地基的变形，这就是约束效应。

为保证筏板基础与复合地基中刚性桩和土能共同作用，桩顶设置的砂砾石褥垫层起到了至关重要的作用。

在竖向荷载作用下，由于桩体的压缩模量远远大于土的压缩模量，桩的变形要小于土的变形。

褥垫层的设置为桩体向上的刺入变形提供了通道，变形过程中，砂、石不断调整补充到桩间土上，以保证在任一荷载下桩和桩间土始终共同工作，从而改变复合地基的承载力特性、变形特性。

因此褥垫层在整个复合地基体系中起着关键的作用，它能保证桩土共同承担荷载、减小基础底面的应力集中、调整桩土水平荷载、调整竖向桩土荷载的分担。

三、刚性桩复合地基—筏板基础体系的优点
自从972年首次提出桩筏基础的概念以来，桩筏基础很长时间内在高层建筑的基础形式选用中处于统治地位。

桩基础虽然有效，但是桩间土的承载力被白白浪费掉了，尤其是当桩间土的承载力较好时，尤其显得可惜；另一方面，当天然地基处于岩溶发育等地质条件复杂地区时，桩的施工较为困难，施工人员的安全和桩基的质量都不易得到保证，这时复合地基的优点就得到了体现。

复合地基可以较为充分的利用桩间土的承载力，因而它一出现就受到了重视和广泛应用。

早期的复合地基多为碎石桩复合地基和水泥土搅拌桩复合地基等，这些复合地基可以在一定程度上提高天然地基的承载力，但是随着现代建筑向高层发展，建筑的体型和结构日益复杂，这些传统的地基处理方法己不能满足承载力和变形的要求。

究其原因，主要是桩体的刚度太小，不能有效地将桩身应力向深处传递；其次，施工质量也不稳定，离散性大。

比如，碎石桩桩身在距桩顶距离2d-3d左右处为高应力区，因周围土体的围箍作用有限，容易发生鼓胀破坏，即使增加桩长也不能提高地基承载力。

在此情况下，寻找一种承载力高且变形小的地基处理
方法是大势所趋。

而刚性桩复合地基就是这一趋势下的产物。

刚性桩是一种高粘结强度桩，可以将荷载传递到较深层地基中，当桩端持力层土质较好时，还可发挥端阻作用，因此刚性桩复合地基克服了散体桩复合地基和柔性桩复合地基的缺点，既能提高地基的承载力又能使地基变形得到有效控制；同时其施工质量也较为稳定，施工质量可以得到保证。

随着刚性桩复合地基理论和施工处理技术的发展，刚性桩复合地基因其具有沉降小、承载力高等诸多优点，越来越多的高层建筑选择采用刚性桩复合地基。

高层建筑刚性桩复合地基筏板基础在受力时，一方面筏板的内力和沉降将受到刚性桩复合地基刚度和上部结构刚度的影响，这将导致刚性桩复合地基上板的工作状态与其它地基形式上板的工作状态有差异；另一方面在上部荷载较大并考虑上部荷载刚度的情况下，刚性桩复合地基桩的工作状态也会受到各种因素的影响[2]。

国内自80年代末就己开始了刚性桩复合地基应用并进行了相应的研究，研究内容多集中于单桩复合地基和多桩复合地基的承载与变形特性以及复合地基的破坏机理。

而目前随着刚性桩复合地基在高层建筑中的应用，高层建筑筏板基础下刚性桩复合地基的桩土应力分配、荷载传递机理呈现出何种情况；复合地基褥垫层厚度、桩土模量比、置换率、布桩方式的变化对筏板内力和沉降又有何影响。

这些问题都直接影响到刚性桩复合地基一筏板基础体系的工作性能、工程造价等因素。

因此，研究刚性桩复合地基一筏板基础体系在考虑上部结构刚度时的工作性能具有重要的学术价值与应用价值。

四、结束语
随着科学技术的发展，新工艺新技术的不断涌现，刚性桩复合地基—筏板基础体系已经在高层建筑地基基础中逐渐得到广泛应用。

但由于目前刚性桩复合地基的理论研究已经落后于工程实践的需要，刚性桩复合地基的设计方法还不够完善，本文作者根据现有研究理论，结合工程实际，对高层建筑刚性桩复合地基的作用机理和优点进行了分析和研究。

经实践证明，刚性桩复合地基具有技术先进、经济合理等优点，推广应用这种地基处理技术将产生良好的经济效益和社会效益。

参考文献：
[1]龚晓南.复合地基理论及工程应用[M]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2002.
[2]高层建筑刚性桩复合地基设计与应用研究[D].东南大学硕士学位论文,2007..。