龔曉南，陳張鵬

(浙江大學濱海和城市巖土工程研究中心，杭州 310058)

0 前言

改革開放促進了我國國民經濟的飛速發(fā)展，自20世紀90年代以來，我國土木工程建設發(fā)展迅速。在地基基礎工程領域，結合工程建設實踐，我國工程技術人員發(fā)展了許多新技術、新理論，使得地基基礎工程理論和技術水平不斷提高。在眾多新技術和新理論中，本文就復合地基形成條件、復合地基在基礎工程中的地位、復合樁基、復合樁基與復合地基的關系、樁的植入技術、巖土工程按變形控制設計理論等問題談談筆者的觀點和思考，拋磚引玉，希望能展開討論，共同促進地基基礎工程新技術、新理論不斷發(fā)展。

1 復合地基的形成條件

復合地基因其能較好地發(fā)揮增強體和天然地基土體的承載潛能而具有較好的經濟性與實用性。復合地基已經在我國各地工程中得到了廣泛的應用，產生了良好的社會效益和經濟效益。

樁體復合地基的本質是樁和樁間土共同直接承擔荷載[1-2]。如果在荷載作用下，樁體與地基土體不能共同直接承擔上部結構傳來的荷載，或者在荷載作用下，地基土體不能與樁體共同直接承擔上部結構傳來的荷載，此時地基中設置的樁體與地基土體不能形成復合地基。

如何保證在荷載作用下，增強體與天然地基土體能夠共同直接承擔荷載的作用？在圖1中，Ep>Es1，Ep>Es2，其中Ep為樁體壓縮模量，Es1為樁間土壓縮模量，圖1(a)，(d)中Es3為加固區(qū)下臥層土體壓縮模量，圖1(b)中Es2為加固區(qū)墊層土體壓縮模量。散體材料樁在荷載作用下產生側向鼓脹變形，能夠保證增強體和地基土體共同直接承擔上部結構傳來的荷載。因此當增強體為散體材料樁時，圖1中各種情況均可滿足增強體和土體共同承擔上部荷載。然而，當增強體為黏結材料樁時情況就不同了。在圖1(a)中，荷載作用下剛性基礎下的樁和樁間土沉降量相同，這可保證樁和樁間土共同直接承擔荷載。在圖1(b)中，樁落在不可壓縮層上，且在剛性基礎下設置一定厚度的柔性墊層。一般來說在荷載作用下，通過剛性基礎下柔性墊層的協(xié)調，也可保證樁和樁間土兩者共同承擔荷載。但需要注意分析柔性墊層對樁和樁間土的差異變形的協(xié)調能力及樁與樁間土之間可能產生的最大差異變形兩者的關系。如果樁和樁間土之間可能產生的最大差異變形超過柔性墊層對樁和樁間土的差異變形的協(xié)調能力，則雖然在剛性基礎下設置了一定厚度的柔性墊層，在荷載作用下，也不能保證樁和樁間土始終能夠共同直接承擔荷載。在圖1(c)中，樁落在不可壓縮層上，而且未設置墊層。在剛性基礎傳遞的荷載作用下，開始時增強體和樁間土體中的豎向應力大小大致上按兩者的模量比分配，但是隨著土體產生蠕變，土中應力不斷減小，而增強體中應力逐漸增大，荷載逐漸向增強體轉移。若Ep?Es1，則樁間土承擔的荷載比例極小。特別是若遇地下水位下降等因素，樁間土體進一步壓縮，其可能不再承擔荷載。在這種情況下增強體與樁間土體兩者難以始終共同直接承擔荷載，也就是說樁和樁間土不能形成復合地基以共同直接承擔上部荷載。在圖1(d)中，復合地基中增強體穿透最薄弱土層，落在相對好的土層上，Es3>Es1。在這種情況下，應重視Ep，Es1和Es3三者之間的關系，保證在荷載作用下通過樁體和樁間土變形協(xié)調來保證樁和樁間土共同承擔荷載。因此采用黏結材料樁，特別是對采用剛性樁形成的復合地基，需要重視對復合地基的形成條件的分析。

圖1 復合地基形成條件示意圖

現(xiàn)行國家標準《復合地基技術規(guī)范》(GB/T 50783—2012)[3]第3.0.4條規(guī)定：“在復合地基設計中，應根據(jù)各類復合地基的荷載傳遞特性，保證復合地基中樁體和樁間土在荷載作用下能夠共同承擔荷載”。復合地基中樁體采用剛性樁時應選用摩擦型樁。當?shù)鼗幚碇械臉扼w采用端承樁時，就很難保證在荷載作用下樁和樁間土共同直接承擔荷載。即使鋪設一定厚度的柔性墊層，也要分析柔性墊層對樁和樁間土的差異變形的協(xié)調能力以及樁和樁間土之間可能產生的最大差異變形兩者的關系。如果樁和樁間土之間可能產生的最大差異變形超過柔性墊層對樁和樁間土的差異變形的協(xié)調能力，即使設置了一定厚度的柔性墊層，在荷載作用下，也不能保證樁和樁間土始終能夠共同直接承擔荷載，即無法形成復合地基。對此不少工程師和專家不夠重視，甚至存在錯誤概念。

在實際工程中設置的增強體和樁間土體不能滿足形成復合地基的條件，而以復合地基理念進行設計是不安全的。將不能直接承擔荷載的樁間土承載力計算在內，高估了承載能力，降低了安全度，可能造成工程事故，應引起設計人員的充分重視。

2 復合地基在基礎工程中的地位

復合地基理論和工程應用近年來發(fā)展很快，復合地基技術在我國建筑工程、交通工程和市政工程等土木工程建設中得到廣泛應用，復合地基在我國已成為一類重要的地基基礎形式。在我國已形成復合地基理論和工程技術應用體系?？陀^評價復合地基在基礎工程中的地位，對復合地基合理定位，既有利于進一步擴大復合地基技術的應用，也有利于復合地基理論的進一步發(fā)展。

淺基礎、復合地基和樁基礎已經成為工程中常用的三種地基基礎形式。下文分析淺基礎、樁基礎和樁體復合地基的荷載傳遞機理和基本特征。

圖2～4分別為淺基礎、樁基礎和復合地基的示意圖。在圖2所示的淺基礎中，上部結構荷載是通過基礎板直接傳遞給地基土體的。圖3(a)，(b)分別表示端承樁基礎和摩擦樁基礎。按照經典樁基理論，在圖3(a)所示的端承樁基礎中，上部結構荷載通過基礎板傳遞給樁體，再依靠樁的端承力直接傳遞給樁端持力層。不僅基礎板下地基土不傳遞荷載，而且樁側土也基本上不傳遞荷載。在圖3(b)所示的摩擦樁基礎中，上部結構荷載通過基礎板傳遞給樁體，再通過樁側摩阻力和樁端端承力傳遞給地基土體，而以樁側摩阻力為主。經典樁基理論不考慮基礎板下地基土直接對荷載的傳遞作用。雖然客觀上大多數(shù)情況下摩擦樁樁間土是直接參與共同承擔荷載的，但在計算中是不予以考慮的。圖4(a)，(b)分別表示設墊層和不設墊層的兩類復合地基。在圖4(a)所示的復合地基中，上部結構荷載通過基礎板直接同時將荷載傳遞給樁體和基礎板下地基土體。對散體材料樁，由樁體承擔的荷載通過樁體鼓脹傳遞給樁側土體和通過樁體傳遞給深層土體。

圖2 淺基礎示意圖

圖3 樁基礎示意圖

圖4 樁體復合地基示意圖

對黏結材料樁由樁體承擔的荷載則通過樁側摩阻力和樁端端承力傳遞給地基土體。圖4(b)與圖4(a)不同的是由基礎板傳遞來的上部結構荷載先通過墊層再直接同時將荷載傳遞給樁體和墊層下的樁間土體。墊層的效用不改變樁和樁間土同時直接承擔荷載這一基本特征。

由以上分析可以看出，淺基礎、樁基礎和復合地基的分類主要是考慮了荷載傳遞路線。荷載傳遞路線也是上述三種地基基礎形式的基本特征。簡言之，對淺基礎，荷載直接傳遞給地基土體；對樁基礎，荷載通過樁體傳遞給地基土體；對復合地基，荷載一部分通過樁體傳遞給地基土體，一部分直接傳遞給地基土體。

通過分析淺基礎、樁基礎和復合地基在荷載作用下的荷載傳遞路線和傳遞規(guī)律可以進一步較好地認識復合地基的本質，并獲得淺基礎、樁基礎和復合地基三者之間的關系，可以認為樁體復合地基介于淺基礎與樁基礎之間，如圖5所示。淺基礎、復合地基和樁基礎三者之間并不存在嚴格的界限，是連續(xù)分布的。復合地基置換率等于0時就是淺基礎。復合地基中樁的荷載分擔比等于1時就是樁基礎。若復合地基中不考慮樁間土的承載力，復合地基承載力計算與樁基礎相同。摩擦樁基礎中若能考慮樁間土直接承擔荷載的作用，也可屬于復合地基[4-5]?；蛘呖紤]樁土共同作用，也可將其歸屬于復合地基。復合樁基是一種樁基礎，也可以認為是一種復合地基。

圖5 淺基礎、復合地基和樁基礎之間關系示意圖

3 復合樁基及其與復合地基的關系

在傳統(tǒng)的樁基理論中，出于以下原因一般不考慮摩擦樁基中樁間土直接參與承擔荷載：1)不知如何評估樁和樁間土直接共同承擔荷載的條件；2)在樁和樁間土能共同承擔荷載條件下，不知如何計算樁土分擔荷載的比例；3)考慮大部分條件下，樁間土所承擔荷載的比例較小。

隨著樁基礎理論的發(fā)展和實踐的開展，許多學者從不同角度出發(fā)不斷探討了如何讓樁間土也能直接承擔部分荷載。管自立提出了“疏樁基礎”的概念[6]；黃紹銘等提出了“減小沉降量樁基”的概念[7]；劉金礪等通過大量現(xiàn)場試驗，探討研究了樁土共同作用[8]。這些概念不斷碰撞、融合、發(fā)展，形成了復合樁基的概念，即：在荷載作用下，樁和樁間土同時直接承擔荷載的樁基礎稱為復合樁基。復合樁基不同于傳統(tǒng)的樁基礎，而是樁基礎理論和實踐的擴展與發(fā)展，已經超越了經典樁基礎的概念。在《建筑樁基技術規(guī)范》(JGJ 94—2008)[9]中復合樁基稱為軟土地基減沉復合疏樁基礎。

在復合樁基的發(fā)展中，采用長短不一的樁形成長短樁復合樁基。當長短樁復合樁基中長樁和短樁采用不同材料時，短樁常采用地基處理加固形成的水泥土樁、石灰樁和散體材料樁。然而這些樁并不屬于樁基礎。在這類長短樁復合樁基中，可以理解為由水泥土樁、石灰樁和散體材料樁等增強體與天然地基形成復合地基，復合地基與樁形成復合樁基。這類長短樁復合樁基也稱為剛柔性樁復合樁基。復合地基中也有長短樁復合地基，楊軍龍等通過數(shù)值模擬研究了長短樁復合地基中的機理[10]，并提出了與之相應的沉降計算模式和計算方法[11]?？梢园l(fā)現(xiàn)，長短樁復合樁基與長短樁復合地基有許多類同之處，特別是剛柔性樁復合地基。

復合樁基的本質與復合地基的本質是一樣的，都是考慮樁間土與樁體共同直接承擔荷載。同復合地基一樣，如果不能保證樁和樁間土能夠同時直接承擔荷載，復合樁基被視為是偏不安全的。所以在復合樁基理論和實踐的發(fā)展中，要十分重視形成復合樁基的條件。

目前學術界和工程界對于復合樁基是屬于復合地基還是屬于樁基礎是有爭議的。正如前述，淺基礎、復合地基與樁基礎三者之間并不存在嚴格的界限，因此筆者認為既可以將復合樁基視作樁基礎，也可將其視為復合地基的一種形式。目前最重要的是對復合樁基的本質、形成條件、承載力、變形特性以及其與傳統(tǒng)樁基之異同進行研究，為復合樁基之后在工程中的應用奠定堅實的理論基礎。

4 樁的植入技術

以往，預制樁一般采用錘擊法或靜壓法在地基中設置。采用錘擊法或靜壓法在地基中設置樁，因存在擠土效應，對環(huán)境影響大，而且錘擊法噪聲大，不適宜在城市中采用。采用錘擊法或靜壓法設置樁還會遇到復雜地層難以穿透的問題。采用鉆孔灌注法在地基中設置樁，泥漿排放對環(huán)境影響大，而且有時施工質量難以保證。采用植入法在地基中設置樁可以解決采用錘擊法和靜壓法在地基中設置樁可能產生的環(huán)境影響問題，也可以解決采用鉆孔灌注法在地基中設置樁可能產生的樁施工質量難以保證的問題。近年來，我國引進、發(fā)展了多種樁的植入技術。下面簡要介紹一種新型的預制樁植入法：靜鉆根植工法[12]。

靜鉆根植工法主要包括鉆孔、樁端擴底、樁端水泥漿注入、樁周水泥漿注入與拔樁、植入預制樁五個施工步驟，如圖6所示。圖7為靜鉆根植樁的示意圖。

圖6 靜鉆根植工法主要施工流程

圖7 靜鉆根植樁示意圖

靜鉆根植工法具有經濟環(huán)保的優(yōu)點。靜鉆根植樁中，樁周水泥土應力較小，作為傳遞荷載的過渡層，能顯著改善樁土界面的摩擦性質，使其樁側摩阻力能達到灌注樁的1.05～1.20倍。同時，樁端水泥土擴大頭的存在，能夠較大幅度提高樁端承載性能。因此，相比于鉆孔灌注樁，靜鉆根植樁承載性能更好，在同等性能下，靜鉆根植樁的造價低于鉆孔灌注樁。因為不需要或者僅需要少量泥漿護壁，靜鉆根植工法施工過程中泥漿排放量大幅減少。同時靜鉆根植樁能減少混凝土用量和施工用水量。靜鉆根植竹節(jié)樁的各項指標均優(yōu)于鉆孔灌注樁，值得推廣應用。

5 變形控制設計理論

在建筑基礎工程設計中，按變形控制設計通常稱為按沉降控制設計。在基坑工程圍護結構設計中，按變形控制設計要求在最不利工況下，圍護結構不會產生超過變形控制量的變形。總體來說，變形控制設計理論要求將變形控制作為首要設計目標，先滿足變形的要求，再對穩(wěn)定(承載力)進行驗算。

發(fā)展巖土工程按變形控制的設計理論是工程建設發(fā)展的需要，越來越多的工程要求按變形控制設計。按變形控制設計有利于控制工后沉降，有助于控制巖土工程施工對周圍環(huán)境的影響。發(fā)展巖土工程按變形控制的設計理論對巖土工程變形計算理論和方法提出了更高的要求。按沉降控制設計要求提高沉降計算的精度，要求進行優(yōu)化設計，從而使工程設計更為合理[13]。

近年來，巖土工程按變形控制的設計理論和設計計算方法發(fā)展較快，并取得了不少進展，但尚未形成系統(tǒng)，缺乏較成熟的巖土工程按變形控制的設計計算方法。后續(xù)巖土工程技術人員應重視發(fā)展巖土工程按變形控制的設計理論，不斷提高巖土工程技術水平。

6 結語

(1)在復合地基設計和施工中要重視復合地基的形成條件。如果在荷載作用下，樁體與地基土體不能共同直接承擔上部結構傳來的荷載，此時地基中設置的樁體與地基土體不能形成復合地基。將不能直接承擔荷載的樁間土承載力計算在內，高估了地基承載能力，降低了安全度，可能造成工程事故，應引起設計人員的充分重視。

(2)復合地基理論和工程應用體系的形成發(fā)展了基礎工程理論，淺基礎、復合地基和樁基礎已經成為工程中常用的三種地基基礎形式。

(3)復合樁基不同于傳統(tǒng)的樁基礎，是樁基礎理論和實踐的擴展與發(fā)展。復合樁基與復合地基兩者的本質是一樣的，都是考慮樁間土與樁體共同直接承擔荷載。同復合地基一樣，如果不能保證樁和樁間土能夠同時直接承擔荷載，而將其視為復合樁基進行設計是偏不安全的。所以在復合樁基理論和實踐的發(fā)展中，也要十分重視形成復合樁基的條件。

(3)采用植入法在地基中設置樁可以解決采用錘擊法和靜壓法在地基中設置樁可能產生的環(huán)境影響問題，也可以解決采用鉆孔灌注法在地基中設置樁可能產生的樁施工質量難以保證的問題。近年來，我國引進、發(fā)展了多種樁的植入技術。

(4)工程建設對變形要求越來越高，應重視發(fā)展巖土工程按變形控制的設計理論，不斷提高巖土工程技術水平。