李 冰李玉潔

（1.中國長城葡萄酒有限公司，河北 懷來 075400 ； 2.懷來縣玉潔環(huán)境衛(wèi)生管理有限責(zé)任公司，河北 懷來 075400）

復(fù)合地基加固作用機(jī)理及樁體破壞模式分析

李 冰1李玉潔2

（1.中國長城葡萄酒有限公司，河北 懷來 075400 ； 2.懷來縣玉潔環(huán)境衛(wèi)生管理有限責(zé)任公司，河北 懷來 075400）

本文簡述了復(fù)合地基的作用機(jī)理及復(fù)合地基中樁體的破壞模式。

地基處理 復(fù)合地基 地基加固

復(fù)合地基（Composite Ground）一詞最早出現(xiàn)在上世紀(jì)60年代初，原本是指碎石樁加固的地基，隨著地基處理技術(shù)的不斷發(fā)展，后來也用來指其它樁體加固的地基。復(fù)合地基一般由兩種不同剛度的材料——樁體和樁間土所組成，在相對剛性基礎(chǔ)下兩者共同分擔(dān)上部荷載并協(xié)調(diào)變形。需要特別說明的是，復(fù)合地基與上部結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)一般通過碎石或砂石墊層來過渡，而不是直接接觸。

一、復(fù)合地基的分類

復(fù)合地基中的“樁”與樁基中的“樁”有所不同，主要體現(xiàn)在兩個方面：一是樁身材料及強(qiáng)度，復(fù)合地基中的樁有散體材料樁、柔性樁、半剛性樁和剛性樁之分，而樁基中的樁均為剛性樁；二是樁與上部結(jié)構(gòu)的連接方式上，復(fù)合地基中樁體與基礎(chǔ)往往通過墊層（碎石或砂石墊層）來過渡，而樁基中樁體與基礎(chǔ)直接相連，兩者形成一個整體。正是因?yàn)檫@兩方面原因復(fù)合地基仍屬地基范疇，主要受力層在加固體內(nèi)，樁與樁間土共同承擔(dān)上部荷載；而樁基中的主要受力層是在樁尖以下一定范圍內(nèi)。在復(fù)合地基中樁的作用是主要的，而地基處理中樁的材料類型較多，包括土、灰土、石灰、砂、碎石、水泥土、礦渣和混凝土等，由此形成的樁則相應(yīng)地被稱為土樁、灰土樁、石灰樁、砂樁、碎石樁、水泥土樁（包括攪拌樁和旋噴樁）、CFG樁和混凝土樁等。由于樁體材料以及成樁工藝上的不同，各種樁的力學(xué)特征也差別較大。復(fù)合地基中的樁又可分為：散體材料樁：無樁身強(qiáng)度，主要包括碎石樁、砂樁和礦渣樁等；柔性樁：樁身強(qiáng)度小于1MPa，變形模量小于200MPa，主要包括土樁、灰土樁、石灰樁和強(qiáng)度較低的水泥土樁；半剛性樁：樁身強(qiáng)度在1MPa和10MPa之間，變形模量在200～1000MPa之間，主要包括強(qiáng)度較高的水泥土樁；剛性樁：樁身強(qiáng)度大于10MPa，變形模量大于10000MPa，主要包括CFG樁和各種混凝土樁。由柔性樁和樁間土所組成的復(fù)合地基可稱為柔性樁復(fù)合地基，其他依次為半剛性樁復(fù)合地基和剛性樁復(fù)合地基。

二、復(fù)合地基的加固機(jī)理及作用

復(fù)合地基的加固機(jī)理有置換和擠密加固兩種。置換加固作用是通過材料性能較優(yōu)的豎向增強(qiáng)體，置換代替部分地基土，直接分擔(dān)較多的建筑物荷載，符合地基中樁中樁的截面積Ap與其影響面積A之比成為面積置換率m，對于正方形、矩形和等邊三角形布樁的情況，單樁的影響面積A分別為l2、l1l2和/2 l2，樁間距越大，面積置換率m越?。粩D密加固作用則是在豎向增強(qiáng)體施工過程中，對樁間地基土產(chǎn)生擠密效應(yīng)，提高地基土的承載力和模量。對于剛性樁復(fù)合地基，如水泥粉煤灰碎石樁復(fù)合地基、噴射樁復(fù)合地基等，其加固機(jī)理主要是置換加固。對于散體材料樁（碎石樁、砂樁等）復(fù)合地基，則既有置換加固作用又有擠密效應(yīng)。由于散體樁的樁體承載力特征值fPk取決于樁周地基土的強(qiáng)度，極端地說，如果樁周為液體材料，則fPk趨于0；如樁周為剛體材料，則fPk趨于∞；實(shí)際工程中，樁土應(yīng)力比并不高，因此散體樁復(fù)合地基的加固機(jī)理往往是擠密加固效果，超過樁本身的置換加固作用。在確定散體材料樁復(fù)合地基的承載力時，如果采用公式計(jì)算，由于地基土的擠密加固效果難以估算，所得計(jì)算結(jié)果誤差往往偏大，實(shí)際工程中應(yīng)盡量通過現(xiàn)場復(fù)合地基載荷試驗(yàn)確定其承載力。不論何種復(fù)合地基，都具備以下一種或多種作用，它們是：

1、樁體作用：由于復(fù)合地基中樁體的剛度較周圍土體為大，在剛性基礎(chǔ)下等量變形時，地基中應(yīng)力將按材料模量進(jìn)行分布。因此，樁體上產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，大部分荷載將由樁體承擔(dān)，樁間土上應(yīng)力相應(yīng)減小。這樣就使得復(fù)合地基承載力較原地基有所提高，沉降量有所減小。隨著樁體剛度增加，其樁體作用發(fā)揮得更加明顯。

2、墊層作用：樁與樁間土復(fù)合形成的復(fù)合地基或稱復(fù)合層，由于其性能優(yōu)于原天然地基，它可起到類似墊層的換土、均勻地基應(yīng)力和增大應(yīng)力擴(kuò)散角等作用。在樁體沒有貫穿整個軟弱土層的地基中，墊層的作用尤其明顯。

3、加速固結(jié)作用：除碎石樁、砂樁具有良好的透水特性，可加速地基的固結(jié)外，水泥土類和混凝土類樁在某種程度上也可以加速地基固結(jié)。因?yàn)榈鼗探Y(jié)，不但與地基土的排水性能有關(guān)，而且還與地基土的變形特性有關(guān)。從固結(jié)系數(shù)的計(jì)算式可以反映出來。雖然水泥土類樁會沉降地基土的滲透系數(shù)k，但它同樣會減小地基土的壓縮系數(shù)a，而且通常后者的減小幅度要較前者為大。為此，使加固后水泥土的固結(jié)系數(shù)大于加固前原地基土的系數(shù)，同樣可起到加速固結(jié)的作用。

4、擠密作用：如砂樁、土樁、石灰樁、砂石樁等在施工過程中由于震動、擠壓、排土等原因，可使樁間土起到一定的密實(shí)作用；采用生石灰樁，由于其材料具有吸水、發(fā)熱和膨脹等作用，對樁間土同樣可起到擠密作用。

5、加筋作用：各種樁土符合地基除了可提高地基的承載力外，還可用來提高土體的抗剪強(qiáng)度，增加土坡的抗滑能力。目前在國內(nèi)水泥土攪拌樁和旋噴樁等已被廣泛地用作基坑開挖時的支護(hù)。在國外，對碎石樁和砂樁常用于高速公路等路基或路堤的加固，這都利用了復(fù)合地基中樁體的加筋作用。

三、復(fù)合地基中樁的破壞模式

復(fù)合地基中，樁體存在四種可能的模式：刺入破壞、鼓脹破壞、整體剪切破壞和滑動破壞。對于不同的樁型，有不同的破壞模式。如碎石樁可能的破壞模式是鼓脹破壞，而CFG短樁則是刺入破壞。對于同一樁型，當(dāng)其樁身強(qiáng)度不同時，也會有不同的破壞模式。當(dāng)水泥土攪拌樁的水泥摻入量較小（aw=5%）時，水泥土軸向應(yīng)變很大（4%～9%），應(yīng)力才達(dá)到峰值并產(chǎn)生塑性破壞，此后在較大應(yīng)變范圍內(nèi)緩慢下降，這就表現(xiàn)了樁體鼓脹破壞的特性。但當(dāng)aw=15%時，水泥土在較小應(yīng)變的情況下，才使應(yīng)力達(dá)到峰值，隨即發(fā)生脆性破壞。然而當(dāng)樁體為高水泥含量（aw=25%）時，水泥土變形及膨脹量均很小。為此，這種高強(qiáng)度的水泥土樁體在下臥軟弱土層中就會發(fā)生刺入破壞。對于同一樁型，當(dāng)土層條件下同時，也將發(fā)生不同的破壞模式：對淺層存在有非常軟的粘土情況，碎石樁將在淺層發(fā)生剪切或鼓脹破壞；對較深層存在有局部非常軟的黏土情況，碎石樁將在較深層發(fā)生局部鼓脹；對較深層存在有較厚非常軟的黏土情況，碎石樁將在較深層發(fā)生鼓脹破壞，而其上的碎石樁將發(fā)生刺入破壞。實(shí)際上，對水泥土樁也存在類似問題，因?yàn)閷ο嗤酀B入量的樁體，當(dāng)其處于不同土層中其樁身強(qiáng)度也是不同的。

綜上所述，由于復(fù)合地基的破壞模式比較復(fù)雜，一般認(rèn)為取決樁體和樁間土的破壞特性，其中樁體的破壞特性是主要的。對散體土類樁復(fù)合地基，由于樁樁間土的模量和破壞時應(yīng)變值等一般相差不大，往往同時進(jìn)入破壞狀態(tài)；對水泥土類樁復(fù)合地基，由于水泥土的模量較大，破壞應(yīng)變較小，在同等應(yīng)變條件下，水泥土先進(jìn)入破壞狀態(tài)，此后荷載將主要由樁間土承擔(dān)，直至樁間土進(jìn)入屈服狀態(tài)，此時復(fù)合地基進(jìn)入極限狀態(tài)。在地基中設(shè)置增強(qiáng)體只是形成復(fù)合地基的基本條件。要保證樁、樁間土自始至終共同工作承擔(dān)外荷載，形成復(fù)合地基的工作模式，就必須解決樁土之間的變形協(xié)調(diào)問題。樁土之間的變形協(xié)調(diào)就是復(fù)合地基的工作條件或者形成條件。剛性樁、半剛性樁復(fù)合地基需要再地基與基礎(chǔ)之間，設(shè)置褥墊層來解決變形協(xié)調(diào)問題。砂石類樁復(fù)合地基的變形協(xié)調(diào)可以自然滿足，但是為了使基礎(chǔ)所受地基反力趨于均勻以及施工需要，一般建議砂石類樁復(fù)合地基也設(shè)置一定厚度的墊層。

[1]葉觀寶，高彥斌．地基處理（第三版）［M］．北京：中國建筑工業(yè)出版社，2009．

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李冰（1983-），男（漢族），四川蓬安人，中國長城葡萄酒有限公司，工程師，主要從事工程管理工作。李玉潔（1986-），女（漢族），四川儀隴人，懷來縣玉潔環(huán)境衛(wèi)生管理有限責(zé)任公司，助理工程師，主要從事工程管理工作。