（岩土工程专业论文）路堤荷载下长短桩复合地基加固深厚软土路基的试验与研究.pdf

路堤荷载下长越妊复合地基加固深厚软土路基的试验与毋f 究 摘要 复合地基技术在软土分布地区得到了广泛的应用，对于深厚软土地区，建筑物的沉 降问题一直未得到较好的解决，尤其高等级公路在软土地区的大量兴建，路基的工后沉 降变形往往需要数年，甚至更长时问，工后变形产生的桥台与桥头路面段的沉降差而引 起的“桥头跳车”现象一直是困扰岩土工程界头痛的技术难题，如何有效地解决深厚软 基上建筑物的沉降，无论在经济上，还是在技术上都是需要面对和亟待解决的问题，基 于沉降控制理论的长短桩复合地基技术正是为解决这一问题的尝试。依托杭州湾跨海大 桥南岸连接线试验段项目，本文首次将刚柔性长短桩复合地基技术应用于柔性荷载( 路 堤) 下的深厚软基处理中。主要研究工作如下： l 、利用杭州湾跨海大桥南岸高速公路连接线工程的试验段项目为依托，对深厚软 土地基上的长短桩复合地基技术进行了现场试验，全面系统地分析和总结了现场试验路 段试验结果，对长短桩复合地基沉降特性、孔压消散特性、深层水平位移特性、桩土应 力比等作了深入细致地分析，得到了许多有应用价值的结论。 2 、控制沉降本身就意味着改变土层中的附加应力，应用弹性力学m i n d l i n 解和 b o u s s i n e s q 解求解长短桩复合地基的附加应力，再利用分层总和法计算长短桩复合地基 的沉降。 3 、在荷载传递法、剪切位移法等单桩分析法的基础上，运用群桩分析理论和 m y l o n a k i s 与g a z e t a s 的研究，采用等效土桩的方法，考虑长短桩复合地基中桩土之间的 相互作用，对复合地基的沉降进行了理论分析。 4 、建立起相应的实体模型，通过数值模拟，研究了深厚软基中长短桩复合地基的 受力与变形特性的诸多影响因素( 如桩长、桩间距、桩端持力层等) ，从数值试验角度 研究了长短桩复合地基技术在不同条件下对深厚软基的控制沉降作用。 5 、根据试验研究及理论分析成果，对深厚软土地基中的长短桩复合地基技术设计 理论进行了研究，提出了具体的设计与应用步骤。此外，还从优化角度对长短桩复合地 基的设计进行了分析。 关键词：长短桩复合地基，深厚软基，路堤荷载，控制沉降，试验研究，附加应力， 群桩分析，设计理论 a b s t r a c t c o m p o s i t ef o u n d a t i o nt e c h n i q u eh a sb e e nw i d c l ) a p p l i e di ns o f t - s o i la r e a , w h e r et h e p r o b l e mo fb u i l d i n gs e t t l e m e n ts i n k a g eh a sn o tb e e ns o l v e dw e l l ，e s p e c i a l l yt h eh i g h - g r a d e h i g h w a yw h o s ep o s t - - c o n s t r u c t i o ns e t t l e m e n tn e e d saf e wy e a r st ob eo v e r s ot h e p h e n o m e n o no fb r i d g e h e a dv e h i c l ej u m pa p p e a r s ，w h i c hi sal o n g - t e r mt e c h n i q u ep r o b l e mi n g e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n g t h i sp a p e rh a sd i s c u s s e dc o m p o s i t ef o u n d a t i o nw i t hl o n g - s h o r t p i l e st e c h n o l o g yw h i c hi sb a s e do nt h et h e o r yo fs e t t l e m e n tc o n t r 0 1 c o m p o s i t ef o u n d a t i o n w i t hl o n g s h o r tp i l e st e c h n o l o g yi sj u s taa t t e m p tt od e a lw i t ht h ep r o b l e mo fb r i d g e h e a d v e h i c l ej u m pa n dt h em a i nr e s e a r c hw o r ki sa sf o l l o w s ： 1 、r e l yo nt h ee x p e r i m e n t a ls e g m e n to f e x p r e s s w a yo f t h es o u t hs h o r ec o n n e c t i n gl i n eo f h u n g z h o ub a ys p a n n i n gb r i d g e ， f i e l d e x p e r i m e n to fc o m p o s i t ef o u n d a t i o n w i t l i l o n g s h o r t p i l et e c h n o l o g yh a sb e e nd o n ea n dt h et e s tr e s u l th a sb e e ns y s t e m a t i c a l l y s u m m a r i z e da n da n a l y z e di nw h i c hs e t t l e m e n tc h a r a c t e r i s t i c ，p o r ew a t e rp r e s s u r ed i s s i p a t i n g c h a r a c t e r i s t i c ，d e e ph o r i z o n t a ld i s p l a c e m e n tc h a r a c t e r i s t i ca n ds t r e s sr a t i oo f p i l et os o i lh a v e b e e nt h o r o u g h l ys t u d i e da n ds o m ea p p l i c a b l ec o n c l u s i o n sa l s oh a v eb e e no b t a i n e d 2 、s e t t l e m e n tc o n t r o lm e a n st oc h a n g ea d d i t i o n a ls t r e s so ft h eg o u n d i nt h et e s t ，t h e a d d i t i o n a ls t r e s so f c o m p o s i t ef o u n d a t i o nw i t hl o n g - s h o r tp i l e sh a sb e e nc a l c u l a t e db ym i n d l i n s o l u t i o n sa n db o u s s i n e s qs o l u t i o n si ne l a s t i cm e c h a n i c sa n dt h e nt h es e t t l e m e n to ft h ep i l e s h a sb e e nc a l c u l a t e db yl a y e rw i s es u m m a t i o nm e t h o d 3 、b a s i n go n t h es i n g l e - p i l ea n a l y t i c a la p p r o a c hs u c ha sl o a d - t r a n s f e rm e t h o da n ds h e a r d i s p l a c e m e n tm e t h o d , o nt h ea p p l i c a t i o no fg r o u pp i l e sa n a l y s i st h e o r ya n dt h es t u d i e so f m y l o n a k i sa n dg a z e t a s ，a d o p t i n ge q u i v a l e n ts o i l - p i l em e t h o d , c o m i d e r i n gp i l e - s o i l i n t e r a c t i o no fc o m p o s i t ef o u n d a t i o nw i t hl o n g - s h o r tp i l e s , t h es e t t l e m e n to ft h ec o m p o s i t e f o u n d a t i o nh a sb e e nt h e o r e t i c a l l ya n a l y z e d 4 、b u i l d i n gu pc o r r e s p o n d i n gb o d ym o d e la n dt h r o u g hn u m e r i c a ls i m u l a t i o n , v a r i o u s i n f l u e n t i a lf a c t o r ss u c ha sp i l el e n g t h , p i l ei n t e r v a l , p i l ee n db e a r i n gl a y e rw h i c hm y i n f l u e n c et h es t r e s sa n dd e f o r m a t i o nb e h a v i o r so ft h ec o m p o s i t ef o u n d a t i o ni nt h es o f ts o i l h a v eb e e ns t u d i e d w h a t sm o r e ，h o wt h ec o m p o s i t ef o u n d a t i o nw i t h l o n g - s h o r tp i l e s t e c h n o l o g yc o n t r o l st h es e t t l e m e n to f d e e pa n ds o f ts o i lf o u n d a t i o ni nd i f f e r e n tc o n d i t i o n sh a s a l s ob e e ns t u d i e df r o mt h ep r o s p e c t i v eo f n u m e r i c a le x p e r i m e n t n t e c h n o l o g yc o n t r o l st h es e t t l e m e n to f d e e pa n ds o f ts o i lf o u n d a t i o ni nd i f f e r e n tc o n d i t i o n sh a s a l s ob e e ns t u d i e df r o mt h ep r o s p e c t i v eo f n u m e r i c a le x p e r i m e n t 5 、a c c o r d i n gt ot h er e s u l to f t h e o r e t i c a la n a l y s i sa n de x p e r i m e n t a ls t u d y ，t h et h e o r yo f t h ed e s i g no fc o m p o s i t ef o u n d a t i o nw i t hl o n g - s h o r tp i l e si nt h ed e e pa n dt h i c ks o f ts o i l f o u n d a t i o nh a sb e e ns t u d i e da n dt h ed e t a i lp r o c e d u r e so fd e s i g na n da p p l i c a t i o nh a v ea l s o b e e np u tf o r w a r d w h a t sm o r e , h o wt od e s i g nc o m p o s i t ef o u n d a t i o nw i t hl o n g - s h o r tp i l e si n v i e wo f o p t i m i z a t i o nh a sa l s ob e e na n a l y z e d k e y w o r d s ：c o m p o s i t ef o u n d a t i o nw i t hl o n g s h o r tp i l e s ，d e e ps o f t s o i l f o u n d a t i o n ，e m b a n k m e n tl o a d ，c o n t r o l l i n gs e t t l e m e n t ，e x p e r i m e n t a lr e s e a r c h ， a d d i t i o n a ls t r e s s ，p i l eg r o u p sa n a l y t i cm e t h o d ，d e s i g nt h e o r y 路堤荷载下长短桩复合地基加固深厚软土路基的试验与研究 第一章绪论 1 1 前言 东南沿海的长江三角溯、珠江三角i f | 、京津等地是我国经济繁荣，资金、技术与智 力高度密集的地区，目前大部分己建成和在建的高速公路均建于此。自1 9 8 8 年1 0 月我 国建成第一条高速公路沪嘉高速之后，我国高速公路建设进入了一个新时期，一大批 高标准高速公路相继建成通车，如沈大、京津塘高速，沪宁、沪杭、杭甬、杭宁、京珠、 济青、京沈、泉厦等高速公路。然而，我国沿海，除山东部分地段外，大部分的海岸线 为淤泥质海岸，在地质上属于第四纪后期形成的海相、泻湖相、三角洲相、溺谷相和湖 泊相的粘性土沉积物或河流冲击物，有的属于新近淤积物，这些软弱土层一般不宜作为 天然地基采用，其主要特征是：塑性指数较大，含有很多的细颗粒，有机质含量高，含 水量和孔隙比大，重度小，强度低，承载力小，压缩性大，渗透性小，地基沉降变形大， 且灵敏度很高，沉降速度慢，固结完成需要很长的时间1 1 】，往往具有较明显的流变特性， 片架结构软粘土更是如此，尤其对那些厚达几十米的深厚软土，沉降稳定历时比较长， 一般需要几年，几十年，甚至更长时间。 随着我国高等级公路建设的迅速发展，在建设过程中出现了一系列亟待解决的问 题，其中软基加固处理问题就是工程界所关心的难题之一。软土路基过大的工后沉降影 响了道路的正常使用功能，特别是桥头路段的沉降所引起严重的桥头跳车现象，产生许 多不良影响：降低了行车速度，高速公路的功能得不到充分发挥；引起乘员的不适，降 低了行车的舒适度；同时加剧了机件、轮胎的磨损；由于跳车对桥台、桥头路面及伸缩 缝有冲击作用，使其破坏加速，尤其是对伸缩缝的破坏作用更为明显。甚至经过几次返 修也未能彻底整治病害，在人力和物力上造成很大的浪费，桥头跳车不仅造成巨大的经 济损失，而且带来许多负面的社会影响。如何有效、经济地控制路基沉降，减缓或消除 桥头跳车现象，以保证道路交通安全和快速运营已越来越引起人们的广泛关注。高速公 路不仅要求路堤稳定，而且对工后沉降有较高要求，特别是需要严格控制工后不均匀沉 降量。如何减小工后沉降? 如何调整工后沉降? 如何预估工后沉降? 这些都是软土地基 上修建高等级公路需要重视、需要解决的课题。 南京水利科学研究院博士学位论文 针对上述问题，本文依托国家十五重点工程杭州湾跨海大桥的南岸接线高速公路 的试验段项目，对位于深厚软土地基上高速公路路基，基于沉降控制思想，首次在路堤 下采用了长短桩复合地基技术处理，拟从现场试验及理论分析两方面对路基工程中这项 复合地基技术进行研究与探讨。 1 2 控制工后沉降理论与技术概述 工后沉降是指建筑物竣工至大修或报废止一段时间内发生的沉降，它直接关系到建 筑物的使用效果和安全。高速公路对地基工后沉降有严格的要求，根据公路软土地基 设计与旌工技术规范( j t j 0 1 7 9 6 ) 的规定，高等级公路中的高速公路与一级公路路面设 计使用年限或大修期( 1 5 年) 内的工后沉降为： 表l l 规范规定工后沉降容许值 工后沉降占按其产生的原因可划分为加固区工后主固结压缩量s ，下卧层工后主固 结压缩量s ，和加固体与下卧层工后次固结压缩量s 三部分，即：s = s + s + s 。按控制 工后沉降设计就是把工后沉降控制在规定的限制值内作为目标，据此进行设计，它概括 了保证安全稳定和正常使用功能两方面的要求。可见，要控制工后沉降必须从解决加固 区工后主固结压缩量、下卧层工后主固结压缩量、加固区与下卧层工后次固结压缩量三 方面入手。必须通过加固技术将三部分工后压缩量都控制在较小值的范围内，才能保证 工后沉降控制在规定的范围内。目前，工程实践中经常发生的施工期安全和稳定一般都 能得到较好地控制，但工后沉降过大的现象还经常产生，其主要原因是对加固区的处理 较重视，而对下卧层和次固结问题重视不够，下卧层尚未完成的主固结沉降和整个土体 的次固结沉降往往是引起工后沉降的主要原因。 软土地基控制工后沉降的技术与理论概括来讲，主要是指软土地基的加固技术及 软土地基的沉降计算方法。按控制工后沉降进行设计将带来许多重要的变化，以往设计 多以稳定( 承载力) 计算为主，变形计算处于次要位置，现应转化到以变形计算和变形控 制为主，必要时验算地基与路堤的稳定性( 一般能满足) 。现有的设计方法从保证稳定和 2 路堤荷载下长短桩复合地基加固深厚软土路基的试验与研究 控制总沉降量出发，对地面以下1 5 m 2 0 m 深度内主要压缩层的软土进行加固，遇到下卧 土层仍为中高压缩性土时，虽然路基稳定。但工后沉降往往会过大。因此，必须加强对 深部土层工后压缩量进行计算和论证，当不满足变形控制要求时，要加大处理深度。通 过对柔性荷载下的复合地基研究，岩土工程界许多人已认识到：要解决路堤基础下复合 地基沉降问题，其中一个关键是加深复合地基的加固区处理深度，减小软弱下卧层的压 缩量【2 】。 对于深厚软土地基，为了控制过大的工后沉降，目前处理方法主要为堆载预压法、 真空联合堆载预压法 3 1 、强夯法、水泥搅拌桩、挤密碎石桩、c f 6 桩i 4 1 、现浇薄壁管桩、 预制管桩、低强度桩复合地基法等【2 j ，这些工法在高速公路软土地基处理中发挥了巨大 的作用，但是这些方法均有其适用范围，并存在着这样或那样的局限性：有的加固期较 长、下卧层工后压缩量大；有的加固深度浅；有的施工质量不易控制；有的质量检测困 难；有的造价过高，投资太大等等。 数年前，深厚软土地区的桥头地基处理基本上是以搅拌桩复合地基【5 】和堆载预压为 主要的处理方法，而近年来，以预应力钢筋混凝土管桩为代表的刚性桩又大量被采用。 预应力钢筋混凝土管桩以其刚度高，处理深度大，工后沉降小，施工期短等优点被设计 人员广泛用于桥头路段，对减少工后沉降，消除桥头跳车起到了重要作用。采用这些工 法虽有助于缩短工期，但工程造价大幅度增加，表1 2 是江苏某高速公路设计阶段地基 处理方案的比较。 表l 2 不同处理方案工程费用比较 6 1 。 注：比较路段长l o o m ，路基宽2 8 m , 桩长l o 啦桩间距1 3 珥梅花形布置 针对上述情况，在降低工程造价，缩短工期，提高加固效果等综合目标的要求下， 许多联合工法如长板短桩( 又称排水搅拌桩) 技术，静动联合排水固结技术，井点降水 + 强夯+ 冲击碾压联合技术，混凝土芯砂桩等复合地基加固深厚软土的技术应运而生。 在已有的各种桩型的复合地基技术的基础上，基于沉降控制理论，南京水利科学 研究院岩土工程研究所首次将刚柔性长短桩复合地基处理深厚软土的技术应用于杭州 湾跨海大桥南岸连接线高速公路的软基处理技术中。虽然刚柔性长短桩复合地基处理技 南京水利科学研究院博士学位论文 术在工业与民用建筑中得到应用( 刚性基础) ，但应用于高速公路软土地基( 柔性基础) ， 目前国内外尚无这方面的报道。刚柔性长短桩复合地基技术与单纯的柔性搅拌桩复合地 基技术和单纯的刚性预制预应力管桩复合地基技术相比，无论加固效果，还是造价方面 均有着独特的优势，有着明确的经济与技术意义，它一方面能大大降低使用纯钢筋混凝 土管桩而造成的高造价；另一方面由于处理深度大，能够加固深层的软土，从而大幅度 地减小工后沉降；同时，由于柔性搅拌桩又能够解决深厚层软土上的浅层地基承载力与 稳定问题。 地基处理以控制工后沉降为目标是发展的必然，2 1 世纪将是控制工后沉降新一代地 基处理技术发展的世纪，一些新的地基处理技术将得到开发应用1 7 锕。 1 3 复合地基概述 复合地基同浅基础和桩基础一起成为三种最常用的地基基础形式。 当天然地基不能满足建筑物对地基的要求时，就必须对地基进行处理，处理方法不 同，形成的人工地基形式也不同。经过处理形成的人工地基多数可归属为两类：一类是 天然地基土体的力学性质得到普遍的改良形成均质地基，如通过预压法、强夯法以及换 填法等形成的土体改良地基。这类地基的承载力与沉降计算类似于浅基础。另一类是在 地基处理过程中，部分土体得到增强、或置换、或在天然地基中设置加筋材料，加固区 是基体( 天然地基土体) 和增强体两部分组成的人工地基，它通常被称为复合地基。 复合地基是软弱地基处理时常用的一种技术，从原理上讲，其适应性很广，几乎可 适用于所有的软弱地基。根据地基中增强体的方向，复合地基可以分为水平向增强体复 合地基和竖向增强体复合地基两种。水平向增强体复合地基主要包括由各种加筋材料， 如土工聚合物、金属材料格栅等形成的复合地基；竖向增强体复合地基也称为桩体复合 地基。根据竖向增强体的性质，桩体复合地基可以分为三类：散体材料复合地基、柔性 桩复合地基和刚性桩复合地基。散体材料复合地基如碎石桩、灰土桩、砂石桩复合地基 等，其桩体是由散体材料组成，单独不能形成桩体，只能依靠周围土体的围箍作用才能 形成桩体，承受竖向传来的荷载；柔性桩复合地基如深层搅拌桩等；刚性桩复合地基如 c f g 桩、低强度混凝土桩、预应力管桩复合地基等。 复合地基按其基础刚度的不同，可分为两类：一是刚性基础下的复合地基，即基础 4 路堤荷载下长短桩复合地基加固深厚软土路基的试验与研究 之刚度与地基土相比要大得多，基础在受力后的变形很小，以至于可以忽略不计这类 复合地基是从工业与民用建筑方面发展起来的，在我国已有较广泛的应用，一般所说的 复合地基也都是指这类复合地基。二是柔性基础下的复合地基( 确切地说应是半柔性基 础) ，即像路堤、堤坝等构筑物下的复合地基，此类构筑物本身的刚度( 或称基础刚度) 与地基土的刚度差别不大，据研究发现1 2 ) ，这类复合地基在受力后变形、强度性状与刚 性基础下复合地基相比有较大的差异，如柔性基础下复合地基就不存在确定的桩土应力 比，且桩的有效加固长度变化较大。但这方面的研究较少，尤其是在设计柔性基础( 荷 载) 下的复合地基时，仍然采用的是刚性基础下的承载力计算公式，这就使得柔性基础 ( 荷载) 下复合地基中的桩间土体所发挥的承载力性状与刚性基础下桩间土体的性状有 很大的差别。 龚晓南在文 9 中对复合地基的理论进行了全面的阐述： 复合地基与浅基础及桩基础的本质区别是桩和桩间土共同直接承担荷载。 形成复合地基的基本条件为：在荷载作用下，增强体和天然地基土体通过变形协调 共同承担荷载作用，要能够保证土体在承载过程中起到积极作用。 通过对复合地基位移场特点的分析，提出：进一步减小复合地基的沉降量的关键是 减小复合地基加固区下卧层的压缩量。减小复合地基加固区下卧层部分的压缩量最有效 的办法是增加加固区的厚度，减小加固区下卧层中软弱土层的厚度。 桩体复合地基承载力的计算思路通常是先分别确定桩体的承载力和桩间土的承载 力，然后根据一定的原则叠加这两部分承载力得到复合地基的承载力。 复合地基沉降量分为两部分，复合地基加固区压缩量和下卧层压缩量，对于前者的 计算方法主要有复合模量法、应力修正法和桩身压缩量法三种，其中复合模量法应用较 多。在复合模量法中，将加固区中增强体和基体两部分视为一复合土体，采用复合压缩 模量e 。来评价复合土体的压缩性，并采用分层总和法计算加固区土层的压缩量。加固区 下卧层土层压缩量的计算常采用分层总和法计算。在工程应用上，作用在下卧层上的荷 载常采用下述三种方法计算：压力扩散法、等效实体法和改进g e d d e s 法，也可采用有限 元法。 5 南京水利科学研究院博士学位论文 1 4 长短桩复合地基研究现状 长短桩复合地基技术是近几年才发展起来的一种新型地基处理方式，多用于民用建 筑地基处理，而应用于软土地区高等级公路建设当中，还无资料报道，刚柔性长短桩复 合桩基的理论研究工作至今还很少。刚柔性复合地基技术集合了刚性桩复合地基和柔性 桩复合地基的特点，为使长短桩复合地基技术更好地服务于软土地区高等级公路的建 设，有必要更深入地研究长短桩复合地基的性状，特别是其沉降规律的研究。 目前，复合地基沉降变形理论是以桩土变形一致为前提条件嘲建立的，适用于钢筋 混凝土承台基础( 刚性基础) 下的复合地基；在应用于桩土变形不一致的柔性基础( 如公 路路基) 下的复合地基时，计算值与实测值往往有很大的差异。沉降变形性状的研究已 成为地基处理领域的一个重要课题。 1 4 1 减沉桩概念的产生 按沉降控制原则设计地基基础更为合理的认识在学术界和工程界早就有之， l c o n a r d o z e e v a e r t 等【1 0 】曾提出过这方面的概念，按沉降变形设计将比按承载力设计更为 经济的概念是由英国教授b u r l a n d 1 1 l ( 1 9 7 7 ) 等人提出的。b u r l a n d 教授根据桩土共同作 用理论的研究指出，在许多情况下采用桩基础的主要原因并不是因为邻近地表的土层强 度不足，而是由于较深处软弱土层产生过大沉降的缘故。这时，采用桩基础的目的是为 了减少基础的沉降变形，减少沉降量桩基( 后简称为减沉桩基) 具有桩间距大、用桩数 量少的特点。p a d f i e l d 和s h a r o c k 12 】教授也认为在许多情况下，桩的主要作用应该是控制 基础的沉降。h o o p e r 【1 3 】教授用有限元模拟指出，为建立竖向刚度较大的桩土混合地基 所需要的桩数并不多，但是沉降却可大大减少，当桩数达到一定程度后，继续增加桩数 对沉降减少的作用就不再显著。上世纪八十年代初，瑞典进行了大量有关减沉桩基理论 和实验的系统研究，提出了c r e e pp i l e 的设计概念和方法，并得到了应用。p o u l o s d a v i s 1 4 】将弹性理论有关单桩沉降分析的方法扩展于群桩，提出了减沉桩基础的沉降计 算公式。b i n g u e r t j ，& l e e k l 【”】采用p o u l o s 的桩弹性理论及理想弹塑性模型，用 l o a d - c u t - o f f 方法，考虑桩一筏一土之间的共同作用。英国w c o o k c 【1 6 】等指出在桩基础 纯粹用来减少基础沉降的地方，在一定范围内，桩数可以大量减少，而随着桩距的增加， 总沉降增加很少。h o r i k o s h i 和r a n d o l p h 1 7 培一些学者用数值模拟技术和离心模型试验、 6 路堤荷载下长短桩复合地基加固深厚软土路基的试验与研究 室内模型试验对减少沉降量桩进行了分析研究 在我国，童诩湘基于群桩基础工作机理的分析，提出了让桩一土一台共同参与作用， 用桩来控制基础沉降的设计方法，并形成了疏桩控制沉降理论。黄绍铭嗍( 1 9 9 1 ) 等人认 为：复合桩基实质上是变形控制为原则，是介于天然地基上的浅基础和桩基之间的一种 基础形式。此后，许多学者与工程技术人员如宰金珉【搠、赵锡宏，董建国等1 2 0 1 、董建国， 王约翰等1 2 1 】、杨敏【篮刎、应永法嘲、张忠苗等嘲等对减沉桩基的理论与实践进行了 探讨。 工程中一般将大桩距( 一般在5 巧倍桩径以上) 稀疏布置的摩擦桩基称为疏桩基础， 以减少沉降为目的桩基称为减沉桩。由于考虑了土体的承载性能，不论是复合桩基础、 疏桩基础，还是减沉桩基础，均具有较好的经济效益，不管是桩基设计还是复合桩基设 计，由按承载力控制设计转向按沉降控制设计是必然的趋势，因此，用复合地基技术按 沉降控制设计来处理深厚软土地基也就越来越普遍，按控制沉降的方法设计复合地基形 式具有广阔的应用前景。 1 4 2 长短桩复合地基的研究现状 复合地基控制沉降，其基本原理是：通过桩对上部结构荷载的传递，来改变土体中 的应力分布，减小上部较软弱土层中的附加应力，并将其传递至较深土层。桩长的大小 直接影响荷载的传递，影响土中的附加应力分布。对于刚性桩复合地基来说，桩端持力 层一般为相对硬质土，其压缩模量较大，通过刚性桩体将应力转移到硬质土层上，产生 的地基沉降可大大减小；对于柔性桩复合地基来说，它主要能够使应力扩散于桩身范围 内及桩端持力层等各土层中，由各个土层共同承担上部荷载，减少局部软弱土层中的附 加应力，从而达到减少地基沉降的目的。究竟采用何种桩型的复合地基形式，以及什么 样的桩长，才能经济而有效达到这一目的，这是当前岩土工程界普遍关心的问题。 以控制地基的沉降量为原则、让桩间土体主动承载、发挥桩土共同作用的设计方法。 其核心就是基础正常工作的情况下( 满足地基土承载力的要求) ，让地基实际沉降量小 于允许沉降量( 减少地基沉降量) ，按照这种设计方法，根据不同的容许沉降量要求， 与常规设计相比，用桩量应有不同幅度的减少，在保证沉降量满足设计要求的前提下， 工程造价更为经济。岩土学者和工程界对减沉桩基理论的研究深入和实践经验的积累， 丰富和完善了桩复合地基的实践与理论，围绕着这个思路，中外学者与工程技术人员提 7 南京水利科学研究院博士学位论文 出了许多不同的桩型，如七十年代，苏联学者对不同锥角的钢筋砼预制型锥型桩进行过 系列的研究叨，我国许多工程应用的变截面桩网，这些桩型的采用主要还是从桩土相互 作用的机理方面考虑，即，提高浅部土层桩的置换率，以提高地基的承载力，同时，又把上 部荷载通过桩传至地基深外，减少深部土层的地基沉降量。 这种竖向变刚度的复合地基形式，为长短桩复合地基的产生提供了理论依据。在长 短桩复合地基中，长桩与短桩问隔设置，通过长桩不仅能够提高地基承载力，更重要的 是可将荷载通过桩身向地基深处传递，减少压缩层变形，因此对长桩桩体强度要求较高， 多采用刚性桩( 如c f g 桩、钢筋砼桩、钢桩、预应力管桩等) 。设置短桩的目的主要有以 下两方面：可提高基底软弱土层的承载力，消除软弱土层引起的不均匀沉降，短桩可采 用柔性桩( 如水泥土搅拌桩、碎石桩) 与长桩间隔设置形成长短桩复合地基；当基底以下 存在上下两层较为理想的桩端持力层时，采用长桩和短桩相结合的方案，将长桩、短桩 桩端分别落在上、下两层桩端持力层上，充分发挥上、下两层桩端持力层的特性，利用 短桩提高复合地基的承载力，通过长桩减小变形。以此达到设计要求，既节省工作量， 又提高了经济效益。上世纪八、九十年代以后一批学者和工程技术人员对这一技术进行 了卓有成效的工作。 一、在长短桩复合地基的现场试验方面 用柔性短桩处理浅层软弱土、刚性长桩控制沉降、褥垫层调整和改善桩土应力分担 比的带褥垫层刚柔性桩复合地基形式，为研究这种新型复合地基的工程性状，陈龙珠。 梁发云等1 2 9 。川在杭州采用该种地基的某七层住宅楼和l 瞳1 4 层小高层建筑的基底埋设压 力盒进行现场观测，在建造和使用过程中观测了长桩、短桩和地基土的受力状况以及基 础沉降的变化，并由此分析了长短桩复合地基中的桩土荷载分担特性、桩土共同作用 机理和荷载沉降特性，实测数据表明，在垫层的作用下，桩土荷载分担在加载初期的 弹性阶段近似按各自的相对刚度分配，随着上部荷载的增加，浅层地基土和柔性桩逐渐 进入非线性状态，新增荷载主要由刚性桩来承担，柔性短桩不仅提高了浅部土层的承载 力，所采用的刚性长桩有效地减少了柔性短桩下卧土层的压缩量，达到控制基础沉降的 目的。刘奋勇，杨晓斌等【3 1 】通过混合桩型复合地基载荷试验，测定了刚性基础下不同桩 型及桩间土上的应力，分析了这种新型复合地基的桩土应力比的变化规律及破坏模式。 通过与邻近的桩问土及单桩静载试验结果进行对比，对混合桩型复合地基中各类桩及桩 8 堕墨蔓墨! 篓丝苎壅全壁垫垦堡壁墼圭堕薹塑塑皇堕壅 问土的承载力折减系数及其影响因素进行了分析。周德泉，张可能等 3 2 1 采用在承压板下 埋设压力盒( 计) 和传感器的方法，对三元( 两种不罚桩长与材料) 和四元( 三种不同桩 长与材料) 复合地基中桩、土垂直受力特性试验数据进行对比和综合分析，讨论了其性 状的影响因素王明山，王广驰等嗍通过一个具体工程的试验研究。分析了多桩型复合 地基桩土应力比、荷载分担比、桩与土承载力发挥等桩土承载性状，并据此提出了桩、 桩间土承载力特征值发挥系数丫与p 的取值，并指出天然地基承载力特征值厶，试验测 得桩间土承载力特征值屈与复合地基实际工作状态下桩间土承载力特征值厶是不同 的，一般情况下有厶勺幺 1 0 应属正常现象。朱小军，杨敏等p 4 】通过室内模型试验，对长短桩组合桩复合地基的 荷载与沉降的关系、桩身侧摩阻力分布、桩身内力以及长短桩组合桩基础中长桩和短桩 承载性状等问题进行了分析。刘海涛，谢新宇等【5 l 对五桩承台下的刚柔性长短桩复合 地基进行了大型现场静载试验，根据现场数据分析了长短桩的桩土应力比以及荷载分担 比的发展规律。朱奎，徐日庆闭分别对有无褥垫层刚柔性长短桩复合地基进行了静载 试验，发现两种情况下的荷载沉降关系、土反力分布、桩身应力分布、荷载传递机理 均有较大的差别，有褥垫层刚柔性桩复合地基的桩土共同作用情况优于无褥垫层刚- 柔 性桩复合地基。 上述试验主要是基于刚性基础( 或刚性承压板) 下进行的，其结果与刚性荷载下假 设较接近，但对于象路堤、坝基等柔性荷载下复合地基，其荷载传递、桩土应力等力学 性状与刚性基础的桩土性状是有一定的差异。 二、在长短桩复合地基的理论计算方面 梁发云，陈龙珠等【3 7 】基于虚拟桩模型，采用积分方程法对混合桩型复合地基( 长短 桩复合地基) 进行分析，以w i n k l e r 分布弹簧模拟垫层的作用，建立求解所需的第一类 f r c d h o l m 积分方程组，通过数值计算得到包括垫层压缩量、桩土的荷载分担、沿桩身的 荷载传递特性以及地基土应力分布等主要性状。闰明礼，王明山等p 3 】讨论了多桩型复合 地基及其复合模量的基本概念，介绍了多桩型复合地基承载力和变形的计算方法。周德 泉，张可能等p 卵以单一桩型复合地基计算方法为基础，给出了其承载力和沉降量计算方 法，提出了静载试验结果的尺寸修正方法。陈磊、闫明礼1 4 0 1 利用c f g 桩与碎石桩组合成 的刚柔性长短桩加固地基，并阐明了其加固机理，发现地基承载力提高幅度可达到2 4 9 堕塞查型登堂塑塑堕堡主兰垡堡苎 倍，可消除粉土地基的轻微中等液化。马骥，张东刚等【4 l 】阐述了长短桩复合地基的设计 思想，介绍了长短桩复合地基承载力和变形的计算方法，并对设计中有关设计参数的确 定进行了分析。陈善雄【4 2 】对长、短桩相结合的水泥粉喷桩复合地基设计计算方法进行了 探讨，提出了水泥粉喷桩复合地基承载力计算公式、作用在下卧层桩问土层顶面附加应 力的计算公式以及复合地基沉降的计算公式，指出单桩竖向承载力标准值计算必须考虑 粉喷桩的有效桩长问题。葛忻声，温育琳，龚晓南等f 4 3 疑出了长短桩这种新型复合地基 承载力计算、沉降计算的设计计算方法，并用实测数据与理论计算值对比。王伟，杨敏 等m 运用幂函数有限项级数的表达式表示群桩中单桩的桩侧摩阻力分布函数，推导了长 短桩群桩基础中联系桩顶荷载和桩顶位移之问的刚度矩阵，分析长短桩桩基础中桩侧摩 阻力和桩端阻力的分布。孙艳林【4 5 】通过对长短桩复合地基承载力计算的不同公式进行对 比分析，提出比较适宜的设计方法，并提出其沉降计算公式和加固效果检测方式。朱奎 脚】分析了不同型式长短桩复合地基的适用性，提出了具体的设计步骤及刚柔性桩复合 地基优化设计的建议。赵明华，张玲等【4 7 j 根据长短桩复合地基的桩土承台整体相互作 用特点，通过一定的简化假定，建立起长短桩复合地基的沉降计算模型，提出一种综合 考虑桩土垫层体系共同作用的长短桩复合地基沉降计算方法。梁发云，陈龙珠等【船】在 均质地基中混合桩型复合地基积分方程求解方法的基础上，引入弹性层状理论，推导出 层状地基中混合桩型复合地基的积分方程解答，可求得垫层作用下桩身各点处的轴力、 剪力和位移等主要工程性状。邓超，龚晓南 4 9 l 根据长桩作用形式的不同提出了长短桩复 合地基的承载力和沉降计算模式。王伟，杨敏等【5 0 】提出一个竖向荷载作用下长短桩群桩 基础中单桩的桩侧摩阻力分布函数表达式，基于变形协调关系、桩体的物理方程和力的 平衡关系，推导出长短桩群桩基础中联系桩顶荷载和桩顶位移的刚度矩阵。该刚度矩阵 可用以分析竖向受荷长短桩群桩基础的位移。应用该方法时，桩体不需要划分单元，而 且对于不同长度的桩组成的群桩基础具有分析过程的不变性和最终刚度矩阵大小的不 变性，并将本方法与边界单元方法、有限单元方法进行了比较。 上述研究多是着重于复合地基设计理论方面的研究，对复合地基的承载力、沉降等 方面的研究偏重于经验公式，以及把桩基( 或群桩) 工程方面的经典理论延伸至复合地 基的研究领域。 三、在长短桩复合地基的数值分析方面 路堤荷载下长短桩复合地基加固深厚软土路基的试验与研究 由于数值模拟方法的相对于试验及理论研究方面，更具有可操作性，故这方面的研 究成果相对较多，尤其用有限元理论对长短桩复合地基的分析 葛忻声，龚晓南等【5 1 1 利用有限元方法，对同等地质条件下的长短桩、全长桩、全短 桩和天然地基的情况进行了应力、变形的对比分析后看出，长短桩复合地基在有效减小 建筑物沉降量的同时，可降低基础沉降差，使基础受力更均匀；另外，由于长桩的存在， 可使浅层土应力减少，深层土的沉降值降低。牛顺生。陈昌富等1 5 2 】在探讨长短桩复合地 基承载力和沉降计算方法的基础上，建立了长短桩复合地基优化设计数学模型，提出了 基于模拟退火算法的长短桩复合地基优化设计方法。王卫【5 3 】通过对长短桩复合地基的有 限元分析，探讨了长短桩的变形模量、桩长对桩身轴力和复合地基沉降的影响。杨敏， 杨桦等 2 2 - 2 3 针对土层中存在上下两层或多层可供利用的桩端持力层，且建筑物对沉降要 求较高的情况，基于减沉桩原理，根据长桩控制变形、短桩提供承载力的基本思路，提 出长短组合桩基础设计思想并结合某一实际工程桩基设计，采用长短组合桩基础方案进 行了三维有限元分析。结果表明，长短桩组合桩基础不仅可以大量减少长桩用量，而且 可有效地控制基础整体沉降和差异沉降。陈强等【5 4 】对组合型复合地基进行了数值模拟实 验研究，石旭光【5 5 1 ，杨军龙【蚓等在弹塑性基础上利用有限元分析了长短桩复合地基中的 长桩、短桩和桩间土的荷载分担情况以及复合地基变形特性受长短桩的桩长、模量和垫 层的厚度、模量等因素的影响情况。 上述的复合地基有限单元分析，在几何模型处理上一般把单元分为增强体单元和土 体单元两类，并根据需要在增强体单元和土体单元之间设置或不设置界面单元，虽然在 复杂的模型计算中，有限元分析有着巨大的优越性，但计算的复杂以及各岩土参数取值 的不确定性，也给实际应有带来了许多问题。 此外，在工程应用方面，许多工程技术人员进行了一系列的实践与尝试，如王步云、 赵秀芹 5 7 4 9 采用碎石桩、c f g 桩组合进行地基处理；郑俊杰、袁内镇1 5 9 】采用了石灰桩与 深层搅拌桩联合加固深厚软土；吴建华等【删进行了素混凝土桩、水泥土桩及地基土共同 作用的复合地基设计；朱小友、尹华镰【6 l l 在某高层建筑中应用以钻孔桩为主、水泥土桩 为辅由协调变形而共同工作的二元复合地基，满足结构设计的要求并取得了可观的经济 效益；刘吉福、周正忠吲设计了沉管灌注桩一深层搅拌桩一褥垫层复合地基，工程中沉管 桩长1 4 m ，深层搅拌桩长7 m ，并在桩顶设置褥垫层，避免了刚性桩对承台的冲切作用， 南京水利科学研究院博士学位论文 利用垫层的流动性很好的调节了桩土的应力分配，使桩间土始终参与工作。 虽然近年来学术界和工程界对长短桩复合地基进行了一些理论和现场实验研究，并 取得了一些成果，但研究对象无一例外地都是针对刚性基础( 刚性荷载) 为前提，没有 考虑基础刚度的影响。与柔性桩和刚性桩等单一桩型、单一长度形式的复合地基相比， 刚柔性组合型长短桩复合地基在理论发展程度上，人们对长短桩复合地基的设计思想仍 停留在初始阶段的认识上，对其作用机理的认识还不够全面和深入，也未形成完善的设 计理论和设计方法，一般就是套用建筑地基处理技术规范( j b j 7 9 - 9 1 ) 中的方法，将 短桩等效为长桩的桩间土进行设计，按复合模量法计算沉降。显然这只是一种半经验半 理论的方法，不能反映刚柔性长短桩复合地基共同作用的特点，更不能反映褥垫层效应 对复合地基性状的影响。对其研究工作仍处于探索阶段，有许多问题有待于深入去研究 和解决。 1 4 3 路堤荷载下复合地基的研究现状 现有的复合地基理论中，大都以刚性基础为前提，没有考虑基础刚度的影响 2 1 ，即 复合地基的研究对