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摘要：由于其优良的综合性能，组合桩技术发展很快，应用日益广泛。简要总结了水泥土-混凝土类组合桩的类型和使用范围，从桩型和受力机理两个方面介绍了国内外研究进展情况，分析了组合桩应用中存在的主要问题，提出了今后组合桩的研究发展方向。
关键词：组合桩；水泥土桩；混凝土桩；预制桩；芯桩；进展
1 引言
建筑形式的多样化和规模、层数的高、大化趋势，以及地基土的复杂多样性，推动了地基处理或桩基形式的蓬勃发展。各种新型桩基础、桩式地基处理、桩式支护结构和防水挡墙结构不断涌现。为提高桩基结构的性价比，组合桩（墙）结构被提出并应用于实际工程中。由于组合桩能够更好的发挥不同材料、不同构件形式的综合性能，一经出现，就得到了工程界的普遍认可，从迅速发展，形成了成员众多的组合桩（墙）家族。
组合桩（墙）主要的思路包括两个：一是同一材料的不同桩型之间的组合；另一是不同材料组合为一体，形成新的桩型。前者如各种形式的组合钢板墙等；后者最常见的是水泥土和混凝土组合桩型。本文对水泥土-混凝土类组合桩型的发展进行系统介绍，并分析当前存在的问题，对发展方向进行展望。
2 组合桩的形式
水泥土-混凝土类组合桩（墙）的主要形式为四类，参见表1。
表1 组合桩的类型和适用范围
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各种插芯的桩型中，根据插芯深度不同可分为三类，参见图1。从桩内芯好周围材料的刚度来看，通常芯桩的材料刚度大于周边桩身材料。如果把钢管混凝土桩也看成一种组合桩型的化，则正好相反，钢管的弹性模量远远高于内部填充的混凝土。在钢管混凝土内部再插入型钢，形成组合截面。各种具体的组合桩（墙）形式参见图2~图5。
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图1 芯桩插入深度示意图
其中SMW工法是较早的组合桩（墙）形式。为施工较大刚度的地下连续墙，在水泥土混合体凝结前，在其中插入刚度较大的型钢，使上部荷载主要作用在型钢上。SMW工法墙也可采用预埋钢管后浇筑法，可在型钢壁外设隔离层，基坑内部工程完工后，使用专用拔桩机可以将型钢拔出重复使用。
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（a）构造横截面图
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（b）施工现场 （c）拔桩
图2 SMW工法图
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图3 混凝土-碎石组合桩
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图4钢管混凝土内插型钢组合桩
3 组合桩墙结构的国外发展情况
20世纪70年代中期， SMW工法由日本研发成功，得到了广泛的应用，至1993年7月该法应用约占全日本用各种工法施工地下连续墙结构的50%[1]。上世纪90年代，日本近20家大公司和科研机构共同研发了肋型钢管水泥土桩[2]。作为一种新型桩，不仅含有高承载性能的桩芯，还拥有较大的侧表面积，钢管与水泥土的沉降几乎相同，可保证组合桩共同工作，具有良好的整体性。1997年，日本一家公司将钢管改为混凝土芯桩，并申报了专利，这种桩可以通过注浆揽拌或对桩端进行扩颈处理来加固土质较差的土层。
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（a）施工步骤示意
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（b）完成后的桩头
图5 水泥土搅拌-PHC组合桩
一种螺旋混凝土芯水泥土组合桩（简称SIP桩）在韩国应用广泛[3]，SIP桩施工时采用空心螺旋钻机，预制芯桩多为PHC管桩。SIP桩有两大优点：①震动和噪音较小；②桩侧摩阻力较大，一般在60.8kPa～167 kPa间。
近年来欧美地区流行一种称为Pin Pile[4]的微型桩，它是在钻孔灌注桩中插入钢管或钢棒制成，桩径一般为100mm～300 mm。Pin Pile一般作为岩石、沙砾和卵石场地上的端承桩使用，特别适用于加固和改造现有建筑物。试验表明Pin Pile与一般灌注桩相比，不仅能大幅度提高承载力，而且能减少桩顶沉降。
4 国内水泥土-混凝土组合桩的发展
4.1 国内组合桩型的研究进展
国内组合桩的发展和应用较国外晚。
我国的香港、台湾地区较早引用了SMW工法，1994年上海市基础工程公司把SMW工法首次应用于上海软土地区(上海环球世界广场，基坑深8.65m，桩长18 m)，取得了成功，此后，SMW工法在国内外被广泛应用，其受力性能和设计方法的相关研究也大量开展。
1994年，国内开始研制劲性水泥土桩，沧州市机械施工公司和河北工业大学进行了一组新型桩的试验[5]，这种新型桩是在水泥土桩内插入预制钢筋混凝土空心电线杆。通过静载试验与同规格水泥土搅拌桩进行对比，结果表明，组合桩平均极限承载力达到450 kN，而水泥土搅拌桩只有160 kN。组合桩由于在桩顶下2m处电线杆被压碎而破坏。沧州市机械施工有限公司为这种新型桩型申报了专利，命名为“旋喷复合桩工法”。由此成为国内水泥土组合桩的雏形。
之后，国内开始研制更多材料和构件组成的复合桩型。如1998年，上海多家单位联合研制出混凝土芯水泥土复合桩，这种桩型在上海和南京得到了广泛的应用，并且取得了良好的效果，其造价比普通筏板基础低很多[6~9]。刘金砺[10]等研发的水下干作业复合灌注桩，其桩体由水泥土环内包钢筋混凝土灌注桩复合而成，试验表明，这种桩型的承载力比普通灌注桩承载力提高40%以上。2001年，中国科学院进行了大量的试验研究，分析了复合灌注桩在水下工程应用时的性能[11]。昆明理工大学对6根模型桩进行了“加芯搅拌桩”的现场试验，在此基础上分析了组合桩的受力性能[12]。2003年，由河北省建筑科学研究院等单位联合研制的“刚性芯复合桩”首次在实际工程中得到了应用[13]。
高喷插芯组合桩(简称JPP桩)是在高压旋喷桩中插入预应力混凝土桩(或沉管桩、钢桩等)作为芯桩而形成的一种新型组合桩。刘汉龙[14]等对高喷插芯组合桩进行足尺模型试验，并与同尺寸的高压旋喷桩和灌注桩做了对比，试验结果表明高喷插芯组合桩承载力是高压旋喷桩的2.50倍，是混凝土灌注桩的1.33倍。高喷插芯组合桩结合了预应力芯桩抗压强度高、刚度大和高压旋喷桩侧摩阻较大、穿透能力强的优点，使两种桩型的优势充分发挥，同时克服了两种桩型的不足，是一种既经济又施工速度快的新桩型。
4.2 国内关于组合桩受力机理的研究进展
任连伟等[15]对影响高喷插芯组合桩承载机理的主要因素进行了分析，基于荷载传递法提出不同组合形式下JPP桩荷载传递的简化计算方法。吴迈[16]为研究加芯水泥土搅拌桩侧摩阻力的性能及芯桩和水泥土间的粘结阻力，对模型桩进行了室内外试验，结果显示水泥土和混凝土芯能很好地协同工作。张振[17]提出水泥土组合桩芯桩桩长达到某一特定值以后极限承载力不再随着芯桩桩长的增加而增长。芯桩桩长与水泥土组合桩桩长比为0.77时，水泥土组合桩构造最优。
董平等[6]通过试验和工程应用，提出了从混凝土内芯—水泥土外芯—桩周土体双层扩散模式的承载力发挥机理；鲍鹏[18]对组合桩复合地基的动力响应进行了有限元模拟和理论分析，表明：地震作用下的组合桩弯矩和剪力影响最显著的是截面的含芯率，其次是芯桩的长度，最大弯矩出现在距桩顶0.2L～0.4L处。岳建伟[19]提出影响组合桩承载力的主要因素为：(1)芯桩的挤土效应。混凝土芯桩的插入挤压桩周围的土体，使土体密度增大、强度提高；(2)水泥的固化效应。水泥的固化效应使其能和土形成水泥土，并且在经过高压喷浆后使桩和土之间形成过渡带，提高了截面处的抗剪强度；(3)混凝土芯桩的高弹性模量使桩身的压缩量明显降低。
孔德志[20]对混凝土芯搅拌桩进行了有限元模拟分析并结合其他学者的试验发现，混凝土芯桩插入水泥土搅拌桩后使其下部侧摩阻力明显提高，上部侧摩阻力反而明显降低，从而使整个桩身的侧摩阻力得到充分利用。于宝来[21]对高压旋喷钻孔灌注桩进行荷载试验得出：旋喷加固对浅层土的侧摩阻力提升效果高于深层土。由于荷载是由旋喷桩体和土体共同分担，对于侧摩阻力较小的淤泥质土层的提升幅度大。同时，由于土体性质的影响，旋喷加固对砂质粉土的加固效果要好于粉质黏土。为解决组合桩荷载难以传递到外层水泥土深层部位问题，沈霖超等[22]提出芯桩采用支盘状形式，并进行了有限元分析，结果表明，加设支盘后的桩身沉降下降30%，能更有效发挥深层外侧桩身作用，其效果随外层混凝土压缩模量的提高而增加。
5 组合桩应用中存在的问题与发展展望
5.1 组合桩应用中存在的问题
桩的受力是和其应用的地基协同的，通常深厚软土层的桩基础更倾向于使用嵌岩钢管桩或灌注桩，以控制沉降，除钢管混凝土桩可看作独立高承载力桩外，不管是桩基础还是地基处理用桩，几乎组合桩均采用摩擦桩形式。
常用的水泥土外壁组合桩，由于水泥土强度和压缩模量较低，导致较高强度芯桩的传递到外层的荷载值受到限制。相对于原水泥土桩来说，承载力大幅度提高，但相对于灌注桩来说，其提高幅度非常有限。这也是承载性组合桩多采用上层短芯桩，多用于复合地基中的原因。支护型组合桩（墙）芯桩插入深度较大，设计中承担绝大部分荷载，而外侧的水泥土则主要其防渗作用。
研究表明，内外型水泥土外壁和芯桩、上下层型的同轴的混凝土与碎石桩受力时，均存在由于刚度和强度突变带来的侧摩阻力传递不理想等问题。螺旋形芯桩的传力和协同工作性能较好，但螺旋形桩型相对较少，旋进工艺相较于压桩施工来说，效率较低。
近年来，异型芯桩被提出，增大了侧摩阻力的传力面积，但实施上这种靠增加芯桩材料提高协同工作效果的性价比较低。
沈霖超[22]的的研究表明，水泥土的弹性模量提高有助于提高协同工作效果，但大量的水泥土钻心取样研究表明，提高水泥土的均匀性和弹性模量都具有较高的技术难度。
5.2 技术发展展望
根据上述分析中提出的问题，本文认为组合桩在以下几个方面需要进一步研究：
（1）如何提高水泥土外壁的质量和大幅提高其力学性能。应用后浇筑外壁型组合桩（墙）是一个可行的思路。
（2）芯桩和外壁深层传力协同工作问题。螺旋芯桩，后浇筑异型芯桩、带支盘芯桩，分层夯压外壁的组合桩等是可能的几个思路。
（3）应用与深桩基础的摩擦型组合桩研发。对于深厚软土，相对于嵌岩桩，有助于减少桩长，控制成本。
（4）刚性桩和其他复合地基处理组合应用，例如注浆地基中静压或灌注桩复合地基。
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