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摘要：传统复合地基在使用中存在强度不足、变形、成本高等问题，CM三维复合地基为新型复合地基，可有效规避这类问题。基于此，文章将CM三维复合地基设计为研究对象，首先介绍设计要点，然后以某工程为例，论述设计方法、流程，为设计人员提供理论与实践参考。
关键词：CM三维复合地基；刚性桩；亚刚性桩
前言：CM三维复合地基是指刚性桩（C桩）、亚刚性桩（M桩）与土体、垫层优化配置，将刚性桩置于优质土层中，将亚刚性桩置于稍好土层或刚性桩1/2-1/3之间，使刚性桩、亚刚性桩与深层土间形成刚度梯度，进而提高复合地基的强度，使其满足工程建造要求。就此，关于CM三维复合地基的设计分析具有现实意义。
1.CM三维复合地基的设计要点
在CM三维复合地基设计中，首先要明确复合地基的原理，结合变量间的关系，开展设计，保障复合地基作用的有效发挥。
1.1 CM三维复合地基特点
CM三维复合地基由刚性桩、亚刚性桩、土体与垫层组成，在传统的刚性加筋土和土体之间，配置亚刚性部分，可有效利用深层土，在土体的纵向与横向形成刚度梯度，从整体提升土体的强度与稳定性，避免土体在施工过程中出现变形或沉降问题。基于CM三维复合地基的组成结构，可总结其使用特点：适用土层广、强度大、施工便捷等。结合工程实践，CM三维复合地基适用土层包括新近回填土、软弱土层（如砂性土层、黏性土层等）、膨胀土及高烈度地震区等，能够改善传统复合地基的沉降量大、稳定性不足等问题，保障工程质量安全。
1.2 CM三维复合地基设计原理
本文从基础结构模型（如图1所示）入手，分析CM三维复合地基的原理。在基础结构模型中，模型建构条件为基础为均匀地基，其长度为a，宽度为b，土体初始切线模量为E0，土体的黏聚力为c，土体的内摩擦角为φ。结合模型参数，可通过原状土切线模量法，进行基础非线性沉降计算，计算结果显示，基础底部应力为N/A。如果基础底部应力大于地基承载力，则说明地基承载力偏低，需采取地基处理手段，将处理手段选为CM三维复合地基。结合复合地基中刚性桩与亚刚性桩的单桩荷载与沉降间的关系，进行复合地基设计，确保基础底部应力低于地基承载力[1]。
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图1 基础结构模型示意图
1.3 设计要点分析
将地基承载力对应的地基沉降为S，在进行CM三维复合地基设计时，需将基础沉降量控制在S以内。将沉降量S对应的刚性桩基承载力设为Nac、亚刚性桩承载力设为Nam，补充的刚性桩数量设为Xc、亚刚性桩数量设为Xm，则可明确如下关系式：
Xc×Nac+Xm×Nam≥N-A×R
其中，N是指基础上部荷载；A是指基础面积；R是指地基承载力。
基于上述公式，设计人员可根据地基承载力与基础荷载的差距，合理设置桩的数量。同时，设计人员需对两种桩分别在Nac、Nam荷载下桩身应力与地基承载力的富余状况，并计算复合地基安全系数[2]。在单个刚性桩的Nac调整时，要求其状态接近于塑性桩，使单桩的桩基承载力趋近于单桩极限承载力。如果对单桩承载力安全系数有一定要求时，需将桩基承载力控制在一定范围内。综合来说，为确保桩身应力、地基承载力与安全系数等参数符合设计要求，设计人员可按照刚性-亚刚性桩三维高强复合地基技术规范DBJT 15-79-2011，对于CM桩组合复合地基承载力进行计算。CM复合地基承载力特征值计算公式：
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式中：
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—复合地基承载力特征值，
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—桩间土承载力特征值，
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、
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、
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—C桩、M桩及土的承载力调整系数，
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、
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—C桩、M桩的面积置换率。
2.CM三维复合地基的设计案例
在明确CM三维复合地基设计原理与要点的基础上，本文以某供水枢纽的左闸工程为例，分析CM三维复合地基设计的实践应用，明确其设计方法与流程，深化设计人员的认识，进一步推广CM三维复合地基的实践应用。
2.1基础数据的计算
在左闸工程中，基础面积为5775㎡，底面标高为-4m，标高位于中粗砂层。在计算时，将天然地基承载力设定为100 kPa；上部荷载设定为160kPa。结合左闸工程勘察资料与国家标准，根据公式
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、
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，计算得出刚性桩单桩承载力特征值为700kN，计算所得的亚刚性桩单桩承载力特征值为150kN。
2.2 CM三维复合地基的设计
2.2.1 CM桩的选择
结合计算参数与工程勘察资料，设计人员将刚性桩选为长螺旋高压灌注桩；亚刚性桩选为深层搅拌桩。刚性桩的桩端持力层选择砂卵砾石层，桩长均值为28m，直径为500mm，桩体材料选择C20素混凝土；亚刚性桩的桩长均值为15m，直径为500mm
2.2.2 CM桩的设计内容
在CM三维复合地基设计中，设计人员增加亚刚性桩，负责基础承载力的控制；刚性桩负责沉降的控制。就此，减少复合地基中刚性桩的数量，最大限度发挥土体本身的承载力，进而减少地基中桩的使用量，节约施工成本。结合左闸工程的各项参数，传统CFG桩复合地基沉降量约为79.79mm，土体承担的荷载为13.39kPa。CM三维复合地基的设计要点在于通过增加亚刚性桩、减少刚性桩的方式，使沉降量满足要求。就此，按照设计要点中的参数关系，将沉降量设定为50mm，计算地基土体承担的荷载数值为19.09kPa。该荷载对应的刚性桩数量为420根、亚刚性桩数量为3500根；刚性桩的垫层厚度为0.5m，压缩模量为30MPa；亚刚性桩的垫层厚度为0.3m，压缩模量为30MPa。
2.2.3 CM三维复合地基的设计优势
如果采用传统CFG桩复合地基，需要1508个刚性桩，刚性桩的单桩承担荷载为561.52KN，单位面积土体承担的荷载为13.39kPa，造价约506.7万元。在CM三维复合地基设计方案中，需配置420个刚性桩，3500个亚刚性桩，刚性桩的单桩承担荷载为690.58KN，亚刚性桩的单桩承担荷载为149.63KN，单位面积土体承担的荷载为19.09kPa，造价约403.6万元。对比上述参数可知，和传统复合地基相比，CM三维复合地基的荷载分布更为合理，施工成本更低，效益显著，可以认为CM三维复合地基可降低基础沉降量，提高基础稳定性与强度，值得推广普及。
结论：综上所述，在CM三维复合地基设计中，设计要点在于刚性桩与亚刚性桩数量的配置、垫层厚度与桩长等参数的设置。借鉴某供水枢纽左闸工程的成功经验，设计人员可结合规范沉降量，反推地基土体承担的荷载，以此明确刚性桩与亚刚性桩的设计参数，保障CM三维复合地基优势的有效发挥。
参考文献：
[1]王军.基于三维有限元的复合地基典型参数影响研究[J].广东土木与建筑,2018,25(06):22-25.
[2]左德豪.CM桩复合地基在岩溶地区的研究与应用[D].广州大学,2018.