长短桩复合地基研究现状及发展

　　摘要：长短桩复合地基是我国土木工程界近年来在实践中逐渐发展的一种新型地基处理形式。工程实践证明这种新型复合地基在减小基础沉降，协调地基承载力与变形关系方面具有较好的技术经济效益。然而，长短桩复合地基的设计理论目前仍处于研究阶段，现行规范中尚无有关其强度及变形的具体计算方法。为推动该项技术的发展，本文建议进行大量的现场试验研究，不但可发展完善其理论，为相关规范制订提供依据，也可以指导工程实践应用。
　　关键词:长短桩复合地基，作用机理，承载性能，承载力计算
　　随着信息产业时代到来和计算机高新科技的快速发展，在土木工程建设中新型施工设备和方法更新速度加快，工程建设规模也日益扩大，加之各地区地质条件复杂，对地基基础逐渐提出了更高的要求。于是，长短桩复合地基应运而生，它是我国土木工程界近年来在实践中逐渐发展的一种新型地基处理形式，其充分发挥了天然土体的承载能力，同时减少了沉降，即满足了上层建筑结构要求，又减少了打桩对于周围环境的影响，同时大大地降低了地基成本。众多工程实践证明这种新型复合地基在减小基础沉降，协调地基承载力与变形关系方面具有较好的技术经济效益[1]。
　　1长短桩复合地基的作用机理
　　长短桩复合地基因长桩和短桩的间作设置，在复合地基中形成三个不同作用的工作区域，即以提高承载力为主的长、短桩联合工作区（1区），以减少沉降为目的的长桩工作区（2区），承受桩体荷载的持力土层（3区），三者共同作用，以提高浅层地基承载力、减少地基沉降量，形成良好的长短桩复合地基[2]。具体如图1所示。
　　                        
　　图1：长短桩复合地基作用机理
　　1.1长桩的作用机理
　　在长短桩复合地基中，长桩的主要作用是提高承载力、控制沉降量，它将荷载通过桩身向地基深处传递，减少压缩层变形，同时对柔性短桩起到“护桩”作用，并与短桩一起抑制地基周围土体的隆起。在1区深度范围内，桩体间将具有较明显的“挟持”和“遮挡”效应，桩间土体和桩体共同沉降；而在2区的长桩，由于土体和桩体不能同时沉降，其桩尖对桩端土体将有相当的刺入量[3]。
　　1.2短柱的作用机理
　　当基底以下存在较厚的软弱土层时，采用短柱对该区域土层进行加固，可提高基底软弱土层的承载力；若基底以下存在上、下两层较为理想的桩端持力层，将长、短桩分别落在下、上两层桩端持力层，充分发挥上下两层桩端持力层的特性，利用短柱提高复合地基的承载力，通过长桩减少变形，在满足设计要求的同时减少地基处理的工作量，达到经济合理的效果。
　　1.3褥垫层的作用机理
　　褥垫层在复合地基中有着极为重要的作用，可以有效地调整复合地基的桩土荷载分配，充分发挥土体的承载能力特别是发挥浅层土体的承载作用。由于垫层的流动性，桩在荷载作用下产生的应力集中使垫层发生侧向流动而产生向上刺入，结果让桩土间的应力重新分配，从而提高地基的承载性能，调节变形。
　　2长短桩复合地基承载性能分析
　　2.1桩应力特性
　　长短桩复合地基的长桩应力分布，和一般刚性桩复合地基分布相同，桩身最大应力不在桩顶，而在桩顶以下一定深度处。这是因为在复合地基中，承台与桩顶之间设置了褥垫层，在承受上部荷载时，因长短桩变形模量大于桩间土，应力集中明显，桩顶在褥垫层中产生应力塑性区，随着荷载增加，桩将产生向褥垫层的“上刺入”，造成在复合地基桩土上部某一深度范围内竖向方向上，土体位移大于桩顶位移。
　　2.2桩土应力、桩土应力比
　　长桩和短柱的桩顶应力和桩土应力比一般均随总荷载的增加而增加，并且变形刚度大的长桩的桩顶应力和桩土应力比明显大于短柱桩土应力比。在加载过程中，长短桩桩顶应力比变化不大[4]。
　　2.3桩土荷载分担比
　　桩间土的荷载分担比随着复合地基总荷载的增加而逐渐减少，而桩的荷载分担比则随总荷载的增加而逐渐增加。这说明褥垫层存在，桩间土在加载初期就发挥了较大的作用，桩的承载力及其在复合地基中的作用，需要达到一定荷载后才逐渐发挥出来。变形刚度较大的长桩的荷载分担比较大，而变形刚度较小的短桩的荷载分担比较小，两类桩的荷载分担比均随荷载的增加逐渐增加。
　　3长短桩复合地基承载力计算分析
　　3.1长桩协力模式下承载力计算分析[5]
　　根据刚性桩复合地基设计的理论和工程实践，并参照同一桩长复合地基承载力计算的方法计算长短桩复合地基的承载力，基本方法是将经短柱加固后的复合地基视为长桩复合地基的“桩间土”。具体方法如下：
　　（1）短桩复合地基（即“桩间土”）的承载力可用下面的公式估算：
　　式中，—短柱复合地基承载力标准值，kPa；—天然地基承载力标准值，kPa；—短柱分担的总面积，m2；—短柱截面总面积，m2；—桩间土强度提高系数；—桩间土强度发挥度，对一般工程=0.9~1.0；对重要工程或变形要求高的建筑物，=0.75~0.9；—短柱承载力标准值，kN。
　　（2）长桩复合地基承载力可用下面的公式估算：
　　式中，—长短桩复合地基承载力标准值，kPa；—短柱复合地基承载力标准值，kPa；—长桩分担的总面积，m2；—长桩截面的总面积，m2；—长桩承载力标准值，kN。
　　（3）短桩、长桩单桩承载力标准值可按下式计算，取其中较小者：
　　
　　
　　式中，—折减系数，取0.30~0.33；—桩体28天立方体试块强度，kN/m2;
　　—单桩截面面积，m2；—桩的周长，m；—第i层土与土性和施工工艺有关的极限侧阻力，kPa，按建筑桩基技术规范有关规定取值；—第i层土厚度；—与土性与施工工艺有关的极限端阻力，kPa，按建筑桩基技术规范有关规定取值；—安全系数，取2.0。
　　（4）承载力的修正。由于复合地基的基础一般有较大的埋深，而复合地基荷载试验一般是在设计基底标高处进行的，因此对复合地基的承载力标准值进行修正后，才得到承载力标准值。根据《建筑地基处理技术规范》（JGJ79-2002）中第3.0.4条规定，地基承载力标准值进行修正时，基础宽度的地基承载力修正系数取零，基础埋深的地基承载力修正系数应取1.0，则经深度修正后长短桩复合地基承载力标准值为：
　　式中，—经深度修正复合地基承载力标准值，kPa；—基底以上土的加权平均重度，kN/m2，地下水位以下取负重度；—基础埋深，m。
　　3.2长桩控沉的承载力计算分析
　　通过长桩控沉的长短桩复合地基设计的目的在于当浅层短桩复合地基承载力基本能够满足上部荷载的要求，而地基深层为压缩性较高的土，在上部荷载作用下地基变形将导致基础产生过大的沉降量，而通过设置适当数量的长桩来控制和减少基础的沉降量。此类复合地基的承载力具体设计如下：
　　（1）长短桩复合地基的极限承载力的计算公式：
　　式中，—长短桩复合地基的极限承载力，kN；—长桩的桩数；—修正系数，软土中可取近似值1.0；—分别为长桩单桩的极限侧阻力和极限端阻力，kN；—基底处短桩复合地基的极限承载力，kPa；—基底面积，m2。
　　(2)短桩复合地基的极限承载力可用下面的公式估算：
　　式中，—短柱复合地基的极限承载力，kPa；—天然地基极限承载力，kPa；—短柱分担的总面积，m2；—短柱截面总面积，m2；—桩间土强度提高系数；—桩间土强度发挥度，对一般工程=0.9~1.0；对重要工程或变形要求高的建筑物，=0.75~0.9；—短桩极限承载力，kN。
　　(3)长、短桩极限承载力的计算可参考3.1(3)中的公式。
　　(4)现有长短桩复合地基的安全系数的确定方法一般不考虑桩、土分担以及桩、土各自安全系数取值的影响，常常笼统取2.0。
　　4结论与展望
　　（1）长短桩复合地基在减小基础沉降，协调地基承载力与变形关系方面具有较好的技术经济效益
　　（2）长短桩复合地基是一种以短桩控制承载力、长桩协力或控制沉降、桩间土调节荷载分配的新型地基处理方法。
　　（3）长短桩复合地基的理论研究还不充分，建议进行大量现场试验获得丰富的原始数据，以发展理论和指导工程应用。
　　参考文献
　　[1]李明宇.静压刚性长短桩复合地基承载性状研究[D].郑州：郑州大学，2007.
　　[2]邱芙君，尹志平.长短桩复合地基在工程中的应用[J].洛阳工业高等专科学校学报，2007，17（4）
　　[3]王伟玲.基于等沉降准则的长短桩复合地基设计方法研究[D].郑州：郑州大学，2007
　　[4]许红.刚性基础下长短桩复合地基承载力试验研究[J].郑州：郑州大学，2007
　　[5]邓超，龚晓楠.长短桩复合地基在高层建筑中的应用[J].建筑施工，2003，25（1）