双向复合地基在公路工程中的应用分析

关键词：双向复合地基；公路工程；桩网结构；砼芯砂桩 

中图分类号：tu470文献标识码：a 

0 引 言[1][2] 

复合地基作为人工地基的一种，已广泛应用于工程实践，按目前的概念，复合地基可分为水平增强体型和竖直向增强体型这两种基本形式，一般称之为“单一型复合地基”。对于“单一型复合地基”，目前已作了大量的研究工作，已形成一套比较成熟的计算理论。但由于实际工程地质条件的复杂多变性，加上其它经济技术因素的制约，只采用其中一种型式往往不能满足要求。在这种情况下，可考虑采用“水平增强体型+竖直增强体型”的联合复合地基形式，博采两种单一形式之长，从而取得最佳的技术经济效果。这种联合复合地基型式，已有学者称之为双向复合地基，并建议提出一套新的计算理论，在工程实践中体现其独特设计理念。 

1 双向复合地基研究现状[2~4] 

双向复合地基是一个比较新的概念，它的提出完全是来自于工程实践，尤其是近年来东南沿海地区高速公路软基处理中不断涌现出新型复合地基形式，极大地推动了技术进步和工艺革新，同时也带动了复合地基设计理论的发展。本文中的双向复合地基是指通过在地基中联合设置竖向和水平向增强体而形成的新型复合地基，它是一个完整的系统，其组成部分之间相互作用，共同承载，并在受力过程中不断调整，以充分发挥各部分承载潜力。在其设计中既考虑水平增强体均匀荷载的能力，也考虑其分担荷载的能力。水平增强体、竖向增强体和土相互作用，形成了一个有机整体，这些都是与单一型复合地基不同的，因而套用已有单一复合地基的计算方法是不合适的。纵观已有文献，多是介绍水平增强体的施工工法，而对于其参与承载的作用机理和计算理论方面的研究还很少。 

双向复合地基的作用机理研究，可从理论分析、数值分析和试验三条途径出发，但无论哪条途径，都应将双向复合地基视为一个整体来考虑。一般的理论分析方法是化整为零，分析各组成部分的承载机理，做出合理简化，然后利用静力平衡条件和变形协调条件将各部分作用耦合起来，通过调整参数的变化来分析各个因素对系统的影响。在分析过程中应考虑到各组成部分力学性质的非线性变化，这种变化有时会影响问题性质的改变，比如桩间土的弹塑性的改变会对桩土荷载分担比产生影响，基于弹性解得到的结论可能与实际情况有较大的出入。存在的问题还有：水平向增强体下条件相同的情况下，柔性竖向增强体和刚性竖向增强体的承载情况有所不同，如何定量考虑水平向增强体对桩土应力比的影响等，单一地分析这些影响因素已属不易，何况众多因素交织在一起。这就是双向复合地基研究理论比较困难的原因之一。有学者提出比拟桩-筏基础来研究双向复合地基的承载机理，这也是可行的，但是两者之间还有一些差异，如水平增强体和竖向增强体的刚性，二者之间的连接、地基的失效模式、荷载分摊问题、沉降的发展等。相信随着问题的细化和研究的深入，理论上会对其荷载传递机理有一个比较准确的把握。 

数值分析作为一种便捷的研究手段，较其他方法有很大的优势，目前的研究也以这方面的成果居多，其中国内外学者采用各种计算程序分析了双向复合地基的荷载传递机理，组成部分之间的应力转移机制，并且动态描述了这一过程，这些定性的分析对理解荷载在地基中的传递规律起到很大的帮助。现有的数值模拟中的不足之处主要在于对于水平增强体与土之间的相互作用不能准确模拟，且限于小变形，对竖向增强体的刺入，土的脱开对承载会有何影响这些方面的模拟都有一定困难。另外，双向复合地基在动力作用下的性状也有待于深入研究，特别是增强体体系对于软土地基的稳定性作用。 

关于试验方面，国内已有的研究多是结合原位试验来进行的，研究的重点是桩土应力比的变化。这也是设计理论改进的主要依据。关于双向复合地基的承载力和沉降计算， 目前还未能考虑水平增强体与竖向增强体作用的耦合，整个增强体系的极限承载力如何计算？可行的办法还只能是沿用已有的单向复合地基设计体系，根据已取得的研究成果，如对水平增强体的承载机理和地基破坏模式的认识等，在设计计算中加入影响系数，来适当考虑两种增强体的共同作用，以使设计更加方便，经济。 

2 实例分析[5～9] 

2.1 砼芯砂桩复合地基 

在软土地基处理中，预压排水固结法和复合地基是两种常用的方法，单独使用时，各有利弊。因此，近年来对排水复合地基的研究成为热点。砼芯-砂桩复合地基即是成果之一。 

南京水科院赵维炳教授综合排水固结法对软土本身加固效果显著和预制混凝土桩强度高、质量容易控制两者优势，将两种处理方法的优势充分发挥、弱点相互克服，提出地基处理新技术-砼芯砂桩复合地基。它是采用振动沉管（适用于地基无硬夹层、软土土质一般较软）或者长螺旋（适用于地基有硬夹层或软土土质非常软弱）方式成孔，孔中心设立预制直径20cm左右的预制钢筋混凝土桩即复合桩体的芯，四周灌砂形成桩的壳。为防止在上部荷载作用下砼桩产生向上的刺入破坏，成桩后可控制桩体低于地面20~30cm，用人工稍加修整后在桩头上部即可形成比砼芯砂桩直径稍大的圆锥形凹槽，灌入级配碎石压实，随后铺设厚约50cm 的砂石垫层和1~2层的土工格栅，碎石垫层、土工格栅和砼芯砂桩一起构成复合地基。 

砼芯砂桩的作用原理为：砼芯桩主要起承受竖向荷载的功能；桩的砂壳主要起加大芯桩侧壁摩阻力和竖向排水作用，前者使芯桩混凝土高强度得到充分发挥，达到桩身强度控制的单桩承载力和桩侧摩阻力控制的单桩承载力的平衡（普通的摩擦型混凝土桩的单桩承载力主要由侧壁摩阻力控制，混凝土强度浪费30～50%）；后者使桩间软土在快速固结作用下（其固结速率一般为普通塑料板排水固结法的2.5倍左右）使得成孔过程中因施工扰动引起的强度下降能够迅速得到恢复，也使得地面堆载产生的超静孔压能够迅速消散，桩间土承受的荷载能够迅速转化成有效应力；由于不必如挤密砂桩那样竖向承载，砂壳的密实度要求不必过高，普通振动密实或者灌注加压密实均可。 

砼芯砂桩具有以下特点：①芯桩是预制的，质量容易控制，质量检测简单，只需进行复合地基荷载板试验检测即可；②砼芯桩承受主要竖向荷载，桩端进入下卧硬土层，全长质量均匀； ③砼芯桩无须养护，工程应用时可以节省检测前的养护时间；④砼芯砂桩加固深度深，振动沉管桩长最大可达25～30米，长螺旋成孔桩长度最大可达30～35米；⑤砼芯砂桩强度较高，直径50cm（砼芯桩直径20cm）砼芯砂桩桩身平均强度约为3~4mpa，是水泥搅拌桩的3～8倍；⑥桩间土固结速度快，成桩施工扰动引起的强度下降能够迅速得到恢复，桩间土挤密效果较明显，施工中相邻桩之间相互影响小；⑦桩间土固结速度快，地面填土荷载由桩间土承受部分能够迅速转化成有效应力，软土强度迅速提高；⑧桩间土由于成桩时的挤压密实作用和承载后的固结密实作用而强度显著提高，桩侧摩阻力增大，桩的承载力随填土高度增大而提高，单桩承载力预计是水泥搅拌桩的2.0倍左右；⑨成桩质量受周围软土性质（如有机质含量大小和强度高低）影响小，加固深度较深，适用范围广；⑩在试用地质条件均许可条件下，如果要求加固后的复合地基承载力和沉降量相等，砼芯砂桩与水泥土桩两种复合地基处理方法的工程投资相当。 

 

目前砼芯砂桩加固软基机理方面需要研究的内容主要包括：考虑排水固结作用对软土成桩扰动和填土加载作用下工程性质变化规律；复合地基成桩过程中对周围软土的扰动和桩－土共同作用等，地基稳定与变形性状；砼芯砂桩复合地基变形及孔压变化规律；砼芯砂桩复合地基中应力传播和工后沉降的变化规律，在排水固结和桩体复合地基理论基础上提出实用的计算理论与设计方法等。 

同东南大学刘松玉教授发明的排水搅拌桩相比，砼芯砂桩是典型的排水刚性桩复合地基，因为设置了竖向排水通道，桩间土的沉降发展更快，土与砼桩的变形协调问题更加突出，设计中通过在桩顶加设圆锥形扩大端来缓冲桩体对垫层的刺入，这是一个常用办法，其实桩-网复合地基中砼桩帽也起到了这个作用。设置的砂壳在桩土联合承载中起到了过渡作用，减缓了桩土之间刚度的差别，促进了桩土之间变形协调，因此，砼芯砂桩是复合的竖向增强体，同组合桩增强体一样，是复合地基发展的新方向。 

在桩体成孔的时候，不同的成孔方法使桩间软土受到扰动，应通过现场取土试验分析土的工程性质变化及对砼芯砂桩承载性状的影响，笔者在深圳某处试验工点看到，桩间土的沉降非常明显，现场处理时除设置了桩体扩大头，又加厚了碎石垫层，同时对桩侧负摩阻力的影响有一定的估计。关于砼芯砂桩复合地基变形及孔压变化规律，可以基于砂井的固结理论来进行分析，笔者推导了有关的公式，发现砼芯砂桩复合地基固结度与桩土的压缩模量比和桩体面积置换率有关，即任意时刻整个土层平均固结度的修正系数为： 

η=1+m(n-1) 

m为桩体面积置换率； 

n=ep / es，ep—桩体复合压缩模量、es—土体压缩模量。 

并且随着土的渗透系数减小，砂壳的厚度增大，加快孔压消散的效果越明显。至于砼芯砂桩的加固机理详细内容，笔者将另外撰文探讨。 

关于砼芯砂桩的设计，目前仍是参考一般刚性桩复合地基的方法，应适当考虑随着固结度的增加，桩间土承载力的提高。砼芯砂桩发挥理想的作用，还应当有施工技术方面的保证。目前现场中出现的问题，大部分都与施工质量有关，而非设计理论本身的谬误，这些现象很容易干扰人们对实际加固效果的认识，因此规范工法，对这一类复合地基的推广都有实际意义。 

桩+网+排水体是双向复合地基的一个新形式。 

3.结论 

借助于两个典型实例，探讨了双向复合地基的进展情况，认识到当前复合地基的设计思想集排水加固、多方面增强为一体，正朝“综合作用”的方向发展，这一方面是由于实践的先导作用，另一方面则是由于对各种复合地基形式的承载机理有了新的理解，经济条件大幅提高，这必将使复合地基处理技术发展到一个新的水平。 

参考文献 

[1] 龚晓南主编 :《地基处理手册》，中国建筑工业出版社，1999 

[2] 杨宇 、陈昌富：双向复合地基研究现状及展望，南华大学学报，no.4 2003 

[3] 龚晓南主编：高速公路地基处理理论与实践，人民交通出版社，2005 

[4] 饶为国著：桩-网复合地基原理及实践，中国水利水电出版社，2004 

[5] 龚晓南著：广义复合地基理论研究与应用，中国建筑工业出版社，2004