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刚性桩复合地基设计探讨杨威

发表时间：2020/5/15 来源：《基层建设》2020年第3期作者：杨威

[导读] 摘要：复合地基是指部分土体被增强或被置换，形成由地基土和竖向增强体共同承担荷载的人工地基。

        四川省冶金地质勘查局六0一大队四川攀枝花 617000
        摘要：复合地基是指部分土体被增强或被置换，形成由地基土和竖向增强体共同承担荷载的人工地基。随着地基基础处理方式的不断改进，刚性桩复合地基的使用越来越多，目前刚性桩复合地基的主要形式是管桩复合地基。摩擦型桩属于有黏结强度的增强体，能够与土体共同工作，实现地基有效承载的目的。这其中有主动设计的，也有被动设计的，被动设计的主要原因是工程桩的承载力特征值的检测不合格。而端承型桩因为沉降极小，地基土没有变形空间，不能起到有效的承载作用，对于端承桩以及浅层地基土存在压缩性较大的土层的情况时建议慎用刚性桩复合地基。
        关键词：刚性桩；复合地基；设计
        一、刚性桩复合地基工作性状影响因素分析
        刚性桩复合地基研究主要是针对它的荷载沉降、桩土应力比、桩土荷载分担比、桩身内力与变形以及桩侧摩阻力等工作性状的研究，掌握其工作性状对完善刚性桩复合地基理论至关重要。从大量学者的分析研究可知，刚性桩复合地基工作性状主要受到以下几个因素的影响。
        1、褥垫层
        在桩顶铺设的褥垫层是桩体与桩周土体能形成复合地基的关键组件。褥垫层通过提供桩体向上刺入条件来实现桩−土协调变形，掌握褥垫层破坏机理对了解其对于刚性桩复合地基工作的影响至关重要。从细观方面对垫层的破坏模式进行研究，利用数字照相无标点法测量技术对试验照片进行识别处理，测量垫层土体在加载过程中位移场并提炼出其破坏模式，进而推导出垫层破坏时桩顶极限承载力计算公式。
        褥垫层在刚性桩复合地基中起到协调桩土变形的作用，其厚度及变形模量等特性对刚性桩复合地基工作性状有较大影响。为探讨褥垫层厚度及变形模量对刚性桩复合地基工作性状的影响，结合工程实际进行了相关计算分析，得出褥垫层厚度在100~500mm之间及变形模量在400~140MPa范围内变化时，对复合地基桩土应力比影响较大，但对总沉降量影响较小。基于MidasGTS有限元软件建立了刚性长短桩筏复合地基，通过对比研究得出垫层对桩身轴力、剪力的影响；得出垫层的存在使得长桩桩端弯矩减小，短桩桩端弯矩可忽略不计。由于对垫层的细观工作机制的认识还不够深入，参数选取主要依赖经验的问题，利用自制试验装置进行了3种不同填料高度下的垫层可视化试验，结合2DDEM数值正交试验，得出变形形态与垫层相对厚度有关，并提出按相对厚度控制垫层参数选取的建议。提出了一种更合理、考虑因素更多的方法来计算桩体刺入量，根据推导的计算公式，在刚性桩复合地基垫层的设计过程中，可以通过调节垫层厚度和材料（模量、内摩擦角）来调节桩顶刺入量，使天然地基承载力充分发挥。
        2、基础尺寸、刚度
        目前刚性桩复合地基主要采用足够刚度基础下的设计形式，对于基础刚度不足的柔性、半刚性基础，直接采用足够刚度基础下复合地基设计方法是否安全，基础刚度对刚性桩复合地基工作性状有何影响，这是值得深入研究的课题。采用ANASYS建立刚性桩复合地基三维群桩有限元模型，研究了基础刚度对地基承载力和变形、不同桩位桩身应力、桩土应力比等的影响。得出地基承载力随基础刚度增大和提高；桩间土附加应力随着基础刚度增加逐渐减小；桩土应力比随基础刚度增加迅速增大，后趋于稳定。
        采用数值方法研究了基础刚度对复合地基桩土应力比、侧摩阻力以及桩端刺入量等性状的影响，提出了基础相对刚度Ke，得出桩土应力比、桩侧正摩阻力和桩端下刺入量都随基础刚度增加而增大。
        结合甲醇储罐基础现场试验，对不同基础刚度条件下刚性桩复合地基桩−土承载力发挥系数和桩土荷载分担比进行了研究。得出基础刚度越大，桩承载力发挥越充分；而柔性基础下桩间土承载力发挥较充分。

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        二、刚性桩复合地基处理在施工中的应用
        1、桩位测放
        需要使用全站仪设备，在其作用下可以得知放桩群长度方向的轴线值，在此基础上使用测绳进一步得出栏位的具体位置，并做好标记处理。
        2、施工工艺
        （1）做好素混凝土灌注桩施工前的准备工作。对场地进行整平处理，并将所需要的打桩机运输到指定的施工区域。同时，将桩管放置在桩尖上，并将所得到的预制桩尖与桩位对齐，在桩管自重的影响下，桩尖将会进入土体之中，当达到300mm-500mm后便需要将钢丝绳收紧。（2）优化桩架位置。使用水准仪对桩架垂直度进行校验，以桩长为基准，所产生的误差应控制在该值的±0.5%范围内。（3）展开沉管作业。严格控制好作业速度，以2.5m/min为宜，若施工土层硬度较大，可借助卷扬机组滑轮进行加压处理。（4）分析桩管下沉深度。当桩管下沉深度达到设计标高后应暂停作业，利用吊砣做进一步检验，确保不出现渗水现象。（5）进行浇注混凝土施工。确保桩管内被浇注满，进行5s-10s的振动作业，当达到桩底标高1.5m区域时，应进行多次反插，此时深度以0.3m-0.5m为宜。在拔管过程中，每拔出0.5m-1.0m，均需要暂停5s-10s。（6）对一般土层而言，可采用混凝土预制型及活瓣型。两者对应的施工速度存在差异，前者应介于1.2m/min-1.5m/min，后者相对更小，不可超过1.2m/min。（7）在拔管过程中，应对施工吊砣进行检测，必要时采取补灌施工，避免缩颈现象。
        3、检测要求
        为评价桩身质量，施工完毕的桩应当进行抽芯试验，获取抗压强度、坚硬程度等相关参数。在展开抽芯检验时，需要以总桩数为基准，所选取的数量为该值的0.5%，此外任何一个作业点至少应达到3根。基于随机的方式进行抽取，对抽芯检验不合格的桩，应在其附近随机抽取双倍数量的桩进行抽芯检验，以判断是否为个别现象，如仍出现不合格桩，则须查清范围，采取必要的补救措施。（1）对承载力进行检验，必须确保桩身具有足够的强度，其需要满足工程所提出的荷载条件，以总桩数为基准，所选取的数量应为该值的0.2%-0.5%。（2）当完成成桩且经过28d后，需要采用低应变法及取芯法对其质量进行检验，所选取的数量至少应达到总量的10%。
        4、检测结果
        根据检测结果，12组试验复合地基承载力均不小于140kPa，满足设计要求。
        5、刚性桩复合地基处理效果
        根据重新调整以后的地基处理方案，现场在复合地基大面积施工前进行试处理，检验在试桩施工完28d后进行，检测内容包括成桩质量、桩径沿桩长分布，单桩及复合地基的承载力特征值、复合地基的压缩模量等。检验完毕后提供了试验检测报告，报告结论如下：（1）工程混凝土刚性桩单桩复合地基承载力特征值可达到500kPa，压缩模量达到30MPa，满足设计要求。（2）静载荷试验检测3根试桩，其单桩竖向承载力特征值均达到550kN，满足设计要求。可见，各项指标均能满足设计要求。所以该地基处理方法可大面积应用到实际工程中。
        结束语
        对于刚性桩复合地基，应采用基础范围内均匀布桩的原则，基础范围以外的桩仅能对土体起到一定的约束和保护作用。同时，由于基础外围在偏心荷载作用下存在的边缘压力，原状土的承载能力并不一定能够承担，所以实际设计工作中应优先考虑第一排桩靠近基础边缘的内侧布置。
        参考文献：
        [1]JTG/TD31-02-2013公路软土地基路堤设计与施工技术细则[M].人民交通出版社，2013.
        [2]JGJ79-2012《建筑地基处理技术规范》[M].中国建筑工业出版社，2012.
        [3]《地基处理手册》（第三版）[M].中国建筑工业出版社，2008.