秦鵬飛

（鄭州工業(yè)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院建筑工程學(xué)院，鄭州 450010）

0 引言

復(fù)合地基是指由天然地基基體和增強(qiáng)體兩部分組成的人工地基，增強(qiáng)體多采用混凝土灌注樁或預(yù)制樁。復(fù)合地基工作體系中，樁和樁間土共同承擔(dān)荷載，能夠發(fā)揮較好的工作性狀。目前復(fù)合地基技術(shù)在我國(guó)土木工程建設(shè)中已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，取得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益[1-4]。隨著復(fù)合地基技術(shù)的發(fā)展和復(fù)合地基計(jì)算理論的進(jìn)步，PTC、PHC、PCC管樁復(fù)合地基技術(shù)、X型樁復(fù)合地基技術(shù)、擠擴(kuò)支盤(pán)樁復(fù)合地基技術(shù)在工程中相繼涌現(xiàn)。復(fù)合地基技術(shù)呈現(xiàn)百花齊放百家爭(zhēng)鳴的盛況，本文旨在對(duì)復(fù)合地基技術(shù)的最新進(jìn)展和研究成果進(jìn)行分析述評(píng)，期望著能為工程技術(shù)人員和科研人員提供有益啟示和新見(jiàn)解，為復(fù)合地基技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展完善做貢獻(xiàn)。

1 管樁復(fù)合地基

按照增強(qiáng)體材料設(shè)置的不同，可將工程中常用的復(fù)合地基技術(shù)分為兩類(lèi)：柔性樁復(fù)合地基和剛性樁復(fù)合地基。柔性樁復(fù)合地基技術(shù)工程造價(jià)較低，施工簡(jiǎn)便，但是樁身剛度和強(qiáng)度較差，很難抵抗水平荷載作用，且工后沉降往往達(dá)不到工程要求。剛性樁承載性狀高、加固深度大，但是投資成本高，施工周期長(zhǎng)。管樁復(fù)合地基技術(shù)是一種優(yōu)缺點(diǎn)互補(bǔ)的創(chuàng)新技術(shù)，它是在全面吸收柔性樁和剛性樁復(fù)合地基技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，并充分克服其缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上研制開(kāi)發(fā)的技術(shù)。圖1(a)為管樁承載示意圖，從圖中可以看出大直徑空心管樁比同體積混凝土用量的實(shí)心圓形樁具有更大的側(cè)表面積，因此具有更高的樁側(cè)摩阻力，從而可顯著提高復(fù)合地基的承載力，并有效減小地基沉降量。

圖1 復(fù)合地基新樁型

劉漢龍[5]基于鹽通高速公路復(fù)合地基靜載試驗(yàn)，結(jié)合ADINA有限元程序系統(tǒng)分析了現(xiàn)澆混凝土薄壁管樁(PCC樁)復(fù)合地基的承載性狀。研究顯示褥墊層厚度和彈性模量、樁長(zhǎng)及樁體剛度、荷載大小和基礎(chǔ)厚度及剛度等因素對(duì)PCC管樁復(fù)合地基承載性能的發(fā)揮均有影響，管樁地基工程表現(xiàn)符合剛性樁復(fù)合地基的特征。褥墊層的塑性流動(dòng)可調(diào)節(jié)樁土應(yīng)力比的分布，充分發(fā)揮樁間土的承載性能，但褥墊層存在合理厚度，最佳厚度宜設(shè)置為20～40cm；樁長(zhǎng)增加則樁土應(yīng)力比隨之增加，采用20m的長(zhǎng)樁可保證樁土應(yīng)力比達(dá)到30，而樁土應(yīng)力比對(duì)樁體剛度變化不敏感；基礎(chǔ)類(lèi)型和剛度也在很大程度上影響著PCC樁復(fù)合地基承載性狀的發(fā)揮，基礎(chǔ)剛度越大則樁體承擔(dān)的荷載越大，因此建議剛性基礎(chǔ)下PCC樁復(fù)合地基設(shè)計(jì)和施工采取針對(duì)性措施。

張波[6]認(rèn)為在管樁復(fù)合地基設(shè)計(jì)和理論計(jì)算中，復(fù)合地基總沉降和樁土應(yīng)力比是復(fù)合地基承載性狀正常發(fā)揮的決定因素。他通過(guò)對(duì)PCC樁-土-墊層復(fù)合地基工作體系進(jìn)行分析，并充分考慮墊層的流動(dòng)補(bǔ)償作用和PCC樁與樁間土的變形和位移協(xié)調(diào)，推導(dǎo)出PCC樁復(fù)合地基壓縮層復(fù)合模量和復(fù)合地基總沉降量的計(jì)算方法：

閆澍旺[7]結(jié)合天津地區(qū)軟土地基PTC管樁的工程實(shí)踐，采用ABAQUS有限元數(shù)值軟件分析了管樁地基附加應(yīng)力的傳遞擴(kuò)散規(guī)律。研究表明管樁復(fù)合地基由于樁土共同分擔(dān)荷載，傳遞至下臥層上的附加應(yīng)力較小，應(yīng)力擴(kuò)散角較群樁基礎(chǔ)和剛性基礎(chǔ)大，其值約為8.1°～26.9°；研究還表明土質(zhì)類(lèi)型、樁體長(zhǎng)度和荷載大小對(duì)附加應(yīng)力及應(yīng)力擴(kuò)散角有較顯著的影響，附加應(yīng)力擴(kuò)散角隨內(nèi)摩擦角和樁長(zhǎng)的增加而增大，隨外荷載的增加而減小。

2 X型樁復(fù)合地基

現(xiàn)澆X形混凝土樁（簡(jiǎn)稱(chēng)X形樁）技術(shù)是通過(guò)對(duì)樁基橫截面進(jìn)行改良創(chuàng)新而研制開(kāi)發(fā)的新技術(shù)，樁截面形式請(qǐng)見(jiàn)圖1（b）所示。與圓形樁、方形樁等傳統(tǒng)灌注樁相比，X形樁由于“異形效應(yīng)”而具有更大的側(cè)表面積，單位體積混凝土材料的樁側(cè)摩阻力更高。工程實(shí)踐表明，現(xiàn)澆X型樁施工便捷，經(jīng)濟(jì)效益高，已在公路路基工程、市政工程等諸多工程領(lǐng)域得到較好推廣應(yīng)用。

丁選明[8]結(jié)合南京某長(zhǎng)江漫灘軟弱地基項(xiàng)目，開(kāi)展了X形樁單樁極限承載力和復(fù)合地基現(xiàn)場(chǎng)靜載荷試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明X型樁復(fù)合地基工作性能良好，X型樁單樁極限承載力達(dá)到860kN，較同體積混凝土用量的圓形樁高19.4%；樁土應(yīng)力比及荷載分擔(dān)規(guī)律與圓形樁基本相似，樁-土具有較好的協(xié)同作用；樁身軸力沿深度方向先增加后減小，在1.3 m深度處達(dá)到最大值；試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)X形混凝土樁樁側(cè)表面存在負(fù)摩阻力，負(fù)摩阻力作用深度約為1.5m，且樁側(cè)摩阻力大小與豎向荷載相關(guān)，正摩阻力最大值約為同等級(jí)負(fù)摩阻力最大值的1.4倍。

劉漢龍[9]應(yīng)用大型有限元軟件ABAQUS建立了現(xiàn)澆X型樁復(fù)合地基的數(shù)值模型，分析了褥墊層厚度、樁體剛度和樁長(zhǎng)、土質(zhì)參數(shù)及布樁方式等因素對(duì)樁側(cè)摩阻力的影響。結(jié)果表明隨著褥墊層厚度的增加，X型樁樁土差異沉降減小，負(fù)摩阻力作用區(qū)則逐漸減小，中性點(diǎn)上移；樁體剛度增加時(shí)樁土作用不明顯，中性點(diǎn)略微下移。數(shù)值計(jì)算同時(shí)發(fā)現(xiàn)樁長(zhǎng)增加會(huì)改變正摩阻力的分布，正摩阻力有所增加；而土的抗剪強(qiáng)度參數(shù)提高則利于負(fù)摩阻力作用的產(chǎn)生和發(fā)展，不利于正摩阻力的作用；布樁方式對(duì)樁體摩阻力的發(fā)揮也有較大影響，梅花形布樁方式下的復(fù)合地基樁間距較小，摩阻力比方形布樁方式高。

王智強(qiáng)[10]通過(guò)模型樁制作、測(cè)試、分析計(jì)算發(fā)現(xiàn)X形樁的樁周側(cè)表面積比同體積混凝土用量的圓形樁側(cè)表面積高31%，由于異形效應(yīng)其樁側(cè)摩阻力和承載力比圓形樁提高24%；靜載試驗(yàn)表明荷載較小時(shí)樁側(cè)阻力未得到充分發(fā)揮，隨著荷載的增加，樁土產(chǎn)生相對(duì)位移激發(fā)了樁間土的承載潛能，樁側(cè)摩阻力迅速上升，X形樁的側(cè)摩阻力占比高達(dá)70%以上，是典型的摩擦型樁；同級(jí)荷載作用下X型樁樁側(cè)摩阻所占的比例一直高于圓形樁，且樁側(cè)摩阻在試樁破壞前仍有潛力可以發(fā)揮。

3 擠擴(kuò)支盤(pán)樁

擠擴(kuò)支盤(pán)樁是由豎直樁體和擠擴(kuò)支盤(pán)共同組成的一種特殊樁體。擠擴(kuò)支盤(pán)樁的成樁工藝是利用擠擴(kuò)設(shè)備在樁體不同深度處擠壓土體，擴(kuò)大樁體外徑，從而形成不同樁段和各承力盤(pán)相連接組合的新型樁體，見(jiàn)圖2所示。擠擴(kuò)支盤(pán)樁由于支盤(pán)的存在加大了樁的支承面積，充分發(fā)揮了樁土共同的作用，提高了樁的側(cè)阻力和端阻力。擠擴(kuò)支盤(pán)樁較傳統(tǒng)樁體相比承載力有大幅提高，復(fù)合地基沉降量能得到有效控制，在工程應(yīng)用中已經(jīng)取得了顯著的經(jīng)濟(jì)技術(shù)效益。

錢(qián)德玲[11]對(duì)廣州某擠擴(kuò)支盤(pán)樁復(fù)合地基進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)原位測(cè)試，發(fā)現(xiàn)擠擴(kuò)支盤(pán)樁試樁p-s曲線為緩變形，且單樁極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值高達(dá)8 500kN，樁側(cè)摩阻力和承力盤(pán)阻力在承載性狀的發(fā)揮中起主要作用；加荷初期荷載幾乎全部由樁側(cè)摩阻力承擔(dān)，其后上下盤(pán)端阻力先后發(fā)揮作用，加載至6000kN后下盤(pán)端阻力超過(guò)上盤(pán)，上下盤(pán)承擔(dān)總荷載的53%；荷載分層卸載后傳至樁端的荷載很小，保證了樁端土的穩(wěn)定性。同時(shí)支盤(pán)上、下的土體在支盤(pán)機(jī)的擠擴(kuò)作用下被壓密，土體的物理力學(xué)性質(zhì)高于原狀土。在承受上拔力時(shí)，擠擴(kuò)支盤(pán)樁比直桿樁多了支盤(pán)的抗拔阻力和支盤(pán)上土體的有效自重，使得支盤(pán)樁具有明顯增高的抗拔力。

圖2 擠擴(kuò)支盤(pán)樁結(jié)構(gòu)

王伊麗[12]通過(guò)建立數(shù)值模型研究了擠擴(kuò)支盤(pán)樁的豎向承載特性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)樁側(cè)土、支盤(pán)及樁端分別承擔(dān)荷載的39.69%、52.77%和7.54%，表明擠擴(kuò)支盤(pán)樁具有摩擦性和端承性雙重屬性，屬于多支點(diǎn)的摩擦端承樁；由于支盤(pán)分擔(dān)了大部分荷載，樁身軸力在支盤(pán)上下界面處明顯降低，擠擴(kuò)支盤(pán)樁復(fù)合地基的承載力顯著提升；終載條件下擠擴(kuò)支盤(pán)樁沉降量?jī)H為15.55mm，遠(yuǎn)小于同模型的直桿樁，大幅度降低了地基沉降；數(shù)值計(jì)算發(fā)現(xiàn)樁側(cè)摩阻力沿深度方向逐漸減小，淺部樁體承擔(dān)主要荷載，且支盤(pán)的深度不同其所分擔(dān)荷的比例顯著不同，淺部支盤(pán)在樁身荷載傳遞中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。其后通過(guò)有限元優(yōu)化設(shè)計(jì)，提出支盤(pán)最佳間距為2.5～3倍支盤(pán)直徑。

4 結(jié)語(yǔ)

復(fù)合地基技術(shù)已取得了長(zhǎng)足進(jìn)步，在土木工程建設(shè)中發(fā)揮了越來(lái)越重要的作用。復(fù)合地基技術(shù)中仍有一些基礎(chǔ)性關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題，需要重視并加強(qiáng)研究才能推動(dòng)該技術(shù)的可持續(xù)發(fā)展。如成層地基中復(fù)合地基的荷載傳遞機(jī)理、各種類(lèi)型長(zhǎng)短樁復(fù)合地基荷載傳遞機(jī)理、墊層和基礎(chǔ)剛度對(duì)復(fù)合地基荷載傳遞的影響以及地基土體固結(jié)和蠕變對(duì)復(fù)合地基的荷載傳遞的影響等，這樣才能推動(dòng)該技術(shù)的進(jìn)一步完善。