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刚性桩复合地基承载性状研究及优化设计摘要：本文在研究中以刚性桩复合地基为核心，分析刚性复合地基承载性状，了解刚性桩复合地基设计中的问题，优化设计，保证刚性桩复合地基的承载性，满足工程建设要求，并为相关研究人员提供一定的借鉴和帮助。
关键词：刚性桩；复合地基；承载性；优化设计复合地基作为一种有效的地基处理方式，主要通过天然地基自身承载力来设计和建设，降低工程造价成本，特别是针对刚性桩复合地基而言，设置在天然地基的基础上，加设刚性桩，利用刚性桩的自身应用优势，可以根据工程建设需求来控制沉降，保证施工质量和工程质量，被广泛的应用到工程建设领域中。
但是在工程实践中，根据“缺多少补多少”的原则，将天然地基承载力充分利用起来，一旦天然地基承载力不足，可以设置桩基的方式来补充与承担，形成较为理想的地基优化设计方式，在满足结构要求的同时，还有效降低了工程造价成本，进而实现工程项目的效益最大化。
在这样的环境背景下，探究刚性桩符合地基承载性状研究及优化设计具有非常重要的现实意义。
一、刚性桩复合地基设计问题刚性桩复合地基的经济性与工作性能较强，最大化利用天然地基与桩体自身的承载力，施工质量可靠，节省一部分地基处理费用，特别是针对软土地基而言，是一种十分有效的地基处理方式。
如图1所示，为刚性桩复合地基的常见形式，基础层和地基刚度是刚性桩复合地基承载力的主要因素，柔性基础与刚性基础所形成的刚性桩复合地基承载力会出现很大的差距，在刚性复合地基设计中，需要相关设计人员着重考虑。
图1 为刚性桩复合地基常见形式（一）发挥系数β确定问题在刚性桩复合地基设计中，承载力计算中强调强度控制，大多数设计人员可以综合考虑桩和土变形协调关系，发挥系数β的取值完全依靠经验，理论依据不足，其公式为：（1），代表单桩复合基地承载力特征值，m代表复合地基置换率，Ra代表单桩竖向承载力特征值，Ap代表桩面积，β代表发挥系数，一般取值范围为0.6-0.9。
第30卷 第4期岩石力学与工程学报 V ol.30 No.42011年4月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering April ，2011收稿日期：2010–07–30；修回日期：2011–03–13作者简介：杨光华(1962–)，男，博士，1982年毕业于武汉水利电力学院电厂结构工程专业，现任教授级高级工程师、博士生导师，主要从事土的本刚性桩复合地基优化设计杨光华1，2，李德吉1，官大庶3(1. 广东省水利水电科学研究院，广东 广州 510610；2. 华南理工大学 土木工程系，广东 广州 510641；3. 珠江水利科学研究院，广东 广州 510610)摘要：采用原状土切线模量法分别计算地基土和桩基的非线性P -S (荷载–沉降)曲线。
假设两者为相对独立的体系，在桩和土的位移相等的条件下，根据桩和土的P -S 曲线确定桩和土分担的荷载。
通过控制沉降量和调整垫层的厚度，协调桩、土的相对刚度，使天然地基和桩基的承载力充分发挥；通过优化设计，使土和桩分担的荷载及沉降都达到要求的目标，从而使刚性桩复合地基的设计达到比较理想的优化状态。
最后，通过工程案例说明该方法的实施过程。
关键词：桩基工程；刚性桩复合地基；优化设计；原状土切线模量法中图分类号：TU 47 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2011)04–0818–08OPTIMIZATION DESIGN OF RIGID PILE COMPOSITE FOUNDATIONYANG Guanghua 1，2，LI Deji 1，GUAN Dashu 3(1. Guangdong Research Institute of Water Resources and Hydropower ，Guangzhou ，Guangdong 510610，China ；2. Department of Civil Engineering ，South China University of Technology ，Guangzhou ，Guangdong 510641，China ；3. Pearl River Hydraulic ResearchInstitute ，Guangzhou ，Guangdong 510610，China )Abstract ：The tangent modulus method of undisturbed soil is used to calculate the nonlinear settlements of soil foundation and pile foundation separately ；and the nonlinear relation P -S (load-settlement) curves of the soil foundation and pile foundation are obtained. Supposing that the soil foundation and pile foundation are acted independently ，simultaneously considering that the settlements of soil foundation and pile foundation are equal ，then we can obtain the load acting on the soil and pile by the P -S curves. Then ，by controlling the settlement value and adjusting the thickness of cushion ，the relative stiffnesses of soil and piles can be matched to make the best use of the bearing capacities of soil and pile foundation ；and the settlement of the composite foundation can reach the desired aim. Consequently ，the design of combination foundation can reach the perfect optimized condition. Finally ，the implementation process of the method is explained by the case study.Key words ：pile foundation engineering ；rigid pile composite foundation ；optimization design ；tangent modulus method of undisturbed soil1 引 言复合地基是一种较理想的地基处理方法，其利用天然地基的承载力以达到减少造价的目的，尤其是刚性桩复合地基，如CFG 桩(水泥粉煤灰碎石桩)复合地基[1]、混凝土桩复合地基[2]、甚至刚柔性桩结合或长短桩结合的三维复合地基(如CM 桩复合地基)[3]等，由于刚性桩施工质量较可靠，沉降可控，将会被越来越广泛地应用。
1工程概况该小区位于扬州市广陵区产业园,项目总建筑面积12.97万m2,地上由多栋9F~18F住宅楼组成,地下1层,采用剪力墙结构。
拟建场地属长江漫滩相地貌单元,场地土层分布较复杂,为对建筑抗震不利地段,覆盖层厚度大于50m,场地类别为Ⅲ类,根据《中国地震动参数区划图》(GB18306—2015),该区域属于0.40g区,内插取值,特征周期值为0.62s。
场区地面以下20m深度范围内分布的2-1层粉土夹粉质粘土、2-2层粉土、粉砂互层、2-3层粉砂、2-4a层粉砂、2-4层粉砂,液化指数为6.69~17.26,属中等液化等级,表1为土层主要物理力学指标。
该项目5#楼为一期设计,采用预应力管桩基础,17#为二期设计,基础采用复合地基筏板基础,此两栋楼地上结构相同,均为18层剪力墙结构,结构高度52.40m。
图1为平面总图,图中阴影示意为5#、17#楼。
2基础设计2.15#楼基础设计根据建筑物的层高、结构类型和对变形的要求,地勘报告建议5#楼采用预制桩基础,以2-9层粉细砂作为桩端持力层,2-4层、2-6层粉砂为中密、局部密实,对预制桩沉桩会产生一定的影响。
图2为典型地质剖面图。
扬州某小区桩基础与刚性桩复合地基设计研究曹光荣,江韩(南京长江都市建筑设计股份有限公司,江苏南京210006)[摘要]该小区位于扬州市广陵区,项目总建筑面积12.97万m2,地上由多栋9F~18F住宅楼组成,地下1层,采用剪力墙结构。
本区域抗震设防烈度7度(0.15g),设计分组第二组,场地类别Ⅲ类,特征周期为0.62s。
5#、17#楼分别为一、二期设计,地上结构完全相同,基础分别采用了预应力管桩基础和管桩复合地基,文章对这2种不同的基础形式从承载力设计、沉降验算、经济性等方面进行了比较分析,2种基础形式均能满足规范设计要求,但经济性差别较大。
文章对刚性桩复合地基与复合桩基承载力计算也进行了探讨分析。
[关键词]特征周期;桩基;刚性桩复合地基;复合桩基[中图分类号]TU473[文献标志码]A[文章编号]1005-6270(2019)03-0090-04Research&Design of Rigid-pile Composite Foundation and Pile Foundation on aResidential Area in YangzhouCAO Guang-rong JIANG Han(Nanjing Yangtze Urban Architectural Design Co.,Ltd,Nanjing Jiangsu210006China) Abstract:The community is located in Guangling District,Yangzhou City,with a total construction area of 129,700square meters.It consists of a number of9-18F residential buildings on the ground,one floor underground and adopts a shear wall structure.The seismic fortification intensity of this area is7degrees( 0.15g),the design is the second group,site category III,and the characteristic period is0.62s.The5#and17 #buildings are designed for phase I and phase II respectively.The ground structure is identical.Prestressed concrete pipe pile foundation and rigid-pile composite foundation are used for the foundation respectively. This paper makes a comparative analysis of the two different foundation from the aspects of bearing capacity design,settlement checking calculation,economy and so on.The two foundation can meet the design requirements of the code,but the economy is quite different.It also discusses and analyzes the calculation of bearing capacity of rigid pile composite foundation and composite pile foundation.Key words:characteristic period;pile foundation;rigid-pile composite foundation;composite pile foundation[收稿日期]2019⁃01⁃07[作者简介]曹光荣,南京长江都市建筑设计股份有限公司,硕士,高级工程师,一级注册结构工程师。
价值工程溶洞顶板坍塌是岩溶地区常见的地质灾害之一，相对于不均匀沉降、地基失稳等病害，因其具有隐蔽性、突发性等特点，一旦发生，往往出现严重后果，给人民生命财产带来巨大损失。
近年来，随着社会经济的高速发展，刚性桩复合地基由于经济可靠，应用越来越广泛[1]，包括在岩溶区的应用也越来越受到工程师和科研工作者的重视，并得到大力推广。
刚性桩近年来被广泛应用于上覆土层较厚的岩溶地区，尤其是当岩溶区溶洞顶板问题与刚性桩复合地基相结合时，复合地基下伏孔洞的稳定性问题仍然存在且突出。
首先，岩溶区复合地基下伏孔洞的稳定性问题至今尚未见到任何研究。
现有的经验性定量方法是按照《工程地质手册（第5版）》中的方法，利用抗弯抗剪验算结果，对溶洞顶板稳定性进行验算[2]。
该方法评价的是天然场地条件下溶洞顶板稳定性，并且仅考虑了荷载大小的变化，基础尺寸及大小、孔洞形状、基岩起伏面状况以及桩长、是否有地下水等因素均未涉及。
该方法是科研工作者在评价溶洞顶板稳定性时的常规方法，在没有更好的替代方法出现之前，将会一直使用，取得了较好的效果。
然而，该方法的局限性是显而易见的。
但要想改进该方法却较为困难。
这是由岩土工程地质条件的复杂性和不均匀性所导致的。
如何在这种复杂性和不均匀性的条件下，提出一种简便易行且可靠的评价方法，是科研工作者所面临的难题之一。
其次，复合地基的核心要素是桩土共担，也就是上部荷载需要桩和桩间土来共同分担。
桩和土的分担比例由桩土应力比来描述。
在普通条件下（即非岩溶区非孔洞区），桩土应力比根据桩型有所不同。
如振冲碎石桩的桩土应力比大约在2.5-4之间，刚性桩需要按计算或者现场实测才能确定桩土应力比。
因此，当桩底存在孔洞时，桩土应力比会不会发生变化，或者说怎么样变化，也是需要广大科研工作者认真研究的问题。
因此，上述评价方法并不适合于复合地基，更不适合于刚性桩复合地基。
现行有关岩溶地基的规范仅有广西和广东两本《岩溶地区建筑地基基础技术规范》[3、4]；另一本关于岩溶地基的规范虽为国标，其实施时间为2019年4月1日[5]。
扬州某高层住宅刚性桩复合地基设计分析根据扬州当地工程地质条件，结合工程结构特点和当地施工技术水平，高层建筑软弱地基采用刚性桩和褥垫层处理，形成复合地基，是一种安全、经济的方法，施工难度小，能充分发挥桩和桩间土的承载力。
本文分析了刚性桩桩顶设置粒状材料褥垫层后的桩土变形协调原理，桩和桩间土共同承载荷载的受力机制，复合地基的承载力设计和变形计算方法，并提出了复合地基的桩和褥垫层施工质量要求。
标签高层建筑；刚性桩；复合地基1. 工程概况和昌·运河东郡公馆三期位于扬州市，由7栋16～18层高层住宅及地下车库组成。
本文以7#楼为例浅析刚性桩复合地基的设计理念和方法。
7#楼地下二层，地上十八层，建筑总高度54.30m，采用现浇钢筋混凝土剪力墙结构，主要开间为4.2m和3.6m，剪力墙平面布置见图1。
3. 基础方案选型本建筑物规范（GB5007-2002）要求的变形容许值为：沉降量≤200 mm，整体倾≤0.003。
按照当地的做法，可采用钻孔灌注桩、预应力混凝土管桩。
按照桩筏基础设计，要满足承载力要求，桩端持力层应落在⑥层粉砂夹粉土上。
但是以层⑥作持力层，需穿越④层粉砂夹粉土，该层Ps值较大，土层厚度较厚，预应力管桩沉桩较为困难，其施工质量难以保证；采用钻孔灌注桩施工周期较长，工程造价较高。
因此，选择预应力混凝土管桩桩加固④层粉砂夹粉土，使之成为复合地基，筏板尺寸为51.0 m×14.7 m，厚度为0.90 m。
4. 刚性桩复合地基受力原理4.1 桩与桩间土共同承担荷载在外荷载作用下，复合地基中桩与土是在等变形条件下工作的，其关键问题是桩土变形协调。
由于桩土刚度差异较大，桩身压缩变形量小于土的压缩变形量，两者差距需由桩与土的相对位移来完成，若是柔性桩复合地基，桩土应力比及压缩模量比相对较小，桩土变形协调相对易于达到，而刚性桩复地基桩土应力比及压缩模量比远大于柔性桩复合地基，特别是刚性桩端一般为较好土层，桩较长，难于以向下刺入满足变形协调，因此刚性桩复合地基通常在桩顶部放置一定厚度粒状材料的褥垫层，为桩向上刺入提供条件，满足变形协调，实践证明，效果比较理想。
第30卷 第4期岩石力学与工程学报 V ol.30 No.42011年4月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering April ，2011收稿日期：2010–07–30；修回日期：2011–03–13作者简介：杨光华(1962–)，男，博士，1982年毕业于武汉水利电力学院电厂结构工程专业，现任教授级高级工程师、博士生导师，主要从事土的本刚性桩复合地基优化设计杨光华1，2，李德吉1，官大庶3(1. 广东省水利水电科学研究院，广东 广州 510610；2. 华南理工大学 土木工程系，广东 广州 510641；3. 珠江水利科学研究院，广东 广州 510610)摘要：采用原状土切线模量法分别计算地基土和桩基的非线性P -S (荷载–沉降)曲线。
假设两者为相对独立的体系，在桩和土的位移相等的条件下，根据桩和土的P -S 曲线确定桩和土分担的荷载。
通过控制沉降量和调整垫层的厚度，协调桩、土的相对刚度，使天然地基和桩基的承载力充分发挥；通过优化设计，使土和桩分担的荷载及沉降都达到要求的目标，从而使刚性桩复合地基的设计达到比较理想的优化状态。
最后，通过工程案例说明该方法的实施过程。
关键词：桩基工程；刚性桩复合地基；优化设计；原状土切线模量法中图分类号：TU 47 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2011)04–0818–08OPTIMIZATION DESIGN OF RIGID PILE COMPOSITE FOUNDATIONYANG Guanghua 1，2，LI Deji 1，GUAN Dashu 3(1. Guangdong Research Institute of Water Resources and Hydropower ，Guangzhou ，Guangdong 510610，China ；2. Department of Civil Engineering ，South China University of Technology ，Guangzhou ，Guangdong 510641，China ；3. Pearl River Hydraulic ResearchInstitute ，Guangzhou ，Guangdong 510610，China )Abstract ：The tangent modulus method of undisturbed soil is used to calculate the nonlinear settlements of soil foundation and pile foundation separately ；and the nonlinear relation P -S (load-settlement) curves of the soil foundation and pile foundation are obtained. Supposing that the soil foundation and pile foundation are acted independently ，simultaneously considering that the settlements of soil foundation and pile foundation are equal ，then we can obtain the load acting on the soil and pile by the P -S curves. Then ，by controlling the settlement value and adjusting the thickness of cushion ，the relative stiffnesses of soil and piles can be matched to make the best use of the bearing capacities of soil and pile foundation ；and the settlement of the composite foundation can reach the desired aim. Consequently ，the design of combination foundation can reach the perfect optimized condition. Finally ，the implementation process of the method is explained by the case study.Key words ：pile foundation engineering ；rigid pile composite foundation ；optimization design ；tangent modulus method of undisturbed soil1 引 言复合地基是一种较理想的地基处理方法，其利用天然地基的承载力以达到减少造价的目的，尤其是刚性桩复合地基，如CFG 桩(水泥粉煤灰碎石桩)复合地基[1]、混凝土桩复合地基[2]、甚至刚柔性桩结合或长短桩结合的三维复合地基(如CM 桩复合地基)[3]等，由于刚性桩施工质量较可靠，沉降可控，将会被越来越广泛地应用。
然而，工程实践中理想第30卷第4期杨光华等：刚性桩复合地基优化设计 • 819 •的复合地基设置思想是“缺多少补多少”，也即是应充分利用天然地基的承载力，当天然地基承载力不够时，超出天然地基承载力的部分采用桩基来承担，这是一种理想境界的地基优化设计，可以充分利用天然地基的承载力，以最节省的造价来满足上部结构的需求，是地基处理设计的一种最高境界的追求和努力的目标。
现有的复合地基优化设计主要有以下2大方向：(1) 一种是采用优化设计数学模型，建立非线性数学规划方程求解，如陈昌富等[4]提出了长、短桩复合地基优化设计数学模型，分别以长、短桩置换率，长、短桩桩长为设计变量，以桩体总费用为目标函数，以满足承载力和沉降等为约束条件，建立非线性数学规划方程，并利用复合形法求解；刘涛等[5-6]也采用类似方法求解最优设计模型，但此种方法只能达到满足承载力和沉降等条件，并不能保证此时的桩、土应力比最优，故其目标函数解不一定是最优值。
(2) 另一种是通过对影响复合地基承载力和沉降的各个参数进行定性研究，给出桩长、置换率、垫层参数等对承载力、沉降量的影响曲线，再按承载力或沉降控制来进行设计。
徐玉芬[7]分析了在不同平面布置方式，不同桩体模量，不同桩长，不同土体模量，不同垫层模量和厚度，不同基础刚度下长、短桩复合地基的应力、变形。
李宁和韩煊[8]通过对刚性桩复合地基褥垫作用效果的量化研究，得出褥垫模量和褥垫厚度对桩身应力及桩侧摩阻力的影响规律，进而提出通过改变褥垫模量和厚度来调整桩、土应力比，对复合地基承载力进行优化设计。
此类研究在一定程度上提供了可优化方向。
另一个比较有意义的工作是按单桩极限承载力设计复合地基的方法[2]，这是一种更高级的优化方向，但关健问题是单桩接近极限承载力时的沉降是非线性的，尤其是桩端会产生刺入式的非线性沉降，但缺乏有效的方法对这种非线性沉降进行较准确的计算，因而制约了该方法的发展。
目前，关于复合地基优化设计，不少学者做过较多的研究工作，也提出了较好的理念和思想，如减沉桩、塑性桩等，但很少学者能做到在满足沉降条件的同时，使桩和土的承载力都达到充分的发挥。
利用刚性桩进行优化设计在实际工程中应用的还不是很多，应用范围也不广，主要原因是计算理论还不够成熟，尤其是沉降计算的准确性还不够，沉降计算不准确则很难合理计算桩、土的共同作用以及优化桩和土的应力，因而，要做到很好地优化复合地基尚有难度。
例如，通常的刚性桩复合地基，确定其桩数n的计算公式为t p([])/([])n N A R Rξζ=−(1) 式中：N为作用于基础上的总荷载，A为基础面积，t[]R为地基土的承载力设计值，p[]R为桩的承载力设计值，ξ为地基土承载力的发挥系数，ζ为桩的承载力发挥系数。
当桩的承载力达到极限值时，p[]R采用单桩极限承载力，这就是按单桩极限承载力设计复合桩基的方法[2]。
这种方法的思想是合理的，存在的问题是土和桩的承载力发挥系数的确定目前还是以经验为主，缺乏量化方法，这一问题应从沉降变形协调方面寻找解决方法。
当然，也有采用有限元等数值方法进行研究的，但这种方法的可靠性取决于土的本构模型的合理性，同时计算复杂，难以在实际工程中应用。
目前，实际工作中，缺乏根据桩、土变形的条件合理确定其荷载分担的简便实用的复合地基设计方法。
本文在原状土切线模量法[9]基础上提出的刚性桩复合地基沉降计算方法[10]，可以较好地考虑桩、土沉降的非线性，从而可较好地计算桩、土共同作用下的荷载分担情况，并可通过调整桩、土的相对刚度和控制基础的沉降，使桩和土的承载力发挥系数可通过其变形确定，实现科学、合理的确定方法。
同时，可对桩、土分担的荷载进行调节，使桩、土的应力都达到要求的理想状态，使桩、土的承载力都得到较好地发挥，也使基础的沉降控制到合理的范围，从而达到了“缺多少补多少”的境界，为地基的优化设计提供一种较先进的思想方法。
2 地基优化设计方法设一基础长为a，宽为b，基础受力如图1所示。
图1 基础受力图Fig.1 Load acting on foundation• 820 • 岩石力学与工程学报 2011年为方便表达，设地基为均匀地基，土体的切线模量法参数为0E ，c ，ϕ，其中，0E 为地基土的初始切线模量，c ，ϕ分别为地基土的黏聚力和内摩擦角。
本文所提出的优化设计方法是基于地基的P -S (荷载–沉降)曲线和桩基的P -S 曲线，根据沉降变形协调来确定桩、土分担荷载的新方法，为简便，地基和桩基的沉降单独计算。
具体步骤为：(1) 计算地基的P -S 曲线。
按原状土切线模量法计算出该基础在天然地基时的非线性P -S 曲线，如图2所示，其中P u 为桩所发挥的极限承载力。
图2 基础P -S 曲线 Fig.2 P -S curve of foundation(2) 根据地基的P -S 曲线，确定地基承载力为[R ]时对应的基础地基沉降[S ]。
(3)设该基础实际承担的上部荷载为N ，基础面积为A ，则基础底部应力为P = N /A ，当P ＞[R ]时，显然可认为地基承载力不足，需进行地基处理。
(4) 采用刚性桩进行处理，通过试验确定或验证，计算刚性桩的单桩荷载p N 与沉降S 的非线性曲线，如图3所示。
