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摘 要：复合地基作为一种简便、快速、可控的地基处理方法，在工程实践中得到广泛的应用。目前存在最普遍的地基病害是沉降问题，所以复合地基变形控制设计越来越重要，在此基础上提出了一种刚性桩复合地基。但是对刚性桩复合地基的理论研究还落后于工程实践，其承载特性和沉降机理还不完全清楚，因此要加强对刚性桩复合地基的相关研究。
关键词：刚性桩复合地基；承载特性；沉降影响
引言
最早的复合地基技术起源于十九世纪30年代，其概念出现在二十世纪60年代，一开始称为附加摩擦桩的补偿基础、减少沉降量桩基础以及桩筏体系等[1]。1992年中国建筑科学研究院地基基础研究所幵发的CFG桩复合地基是最早的刚性桩复合地基[2]，刚性桩复合地基施工方便，造价经济，随着刚性桩复合地基在工程中得到广泛的使用，研究其工作特性显得日益重要，诸多学者在这方面做了许多工作。但是刚性桩复合地基中桩-土相互作用、荷载传递涉及黏弹性问题研究不深入，而且基础的刚度等条件也会对刚性桩复合地基的工作特性产生影响。由此可见，刚性桩复合地基的工作特性极其复杂。
1 刚性桩复合地基概念
土体使用刚性桩进行加固，刚性桩-土共同承担荷载的基础为刚性柱复合地基。刚性桩的变形模量远远大于土体的变形模量，在荷载作用下，荷载将集中在刚性桩上。因此，如果将建筑物的基础直接放置在刚性桩上，考虑到桩顶的冲切作用，必须使用厚度较大的基础底板。此外，刚性桩之间的土体变形较小将导致其承载能力的发挥有限。为解决上述问题，中国建筑科学研究院黄熙龄院士提出了在刚性桩顶部设置褥垫层[1]。
2 刚性桩复合地基的承载特性
复合地基要求桩和土共同承担上部荷载，使这两种不同的材料发挥各自的承载性能、协调变形能力，其变形要求必須满足工程建设。
（1）在刚性桩复合地基荷载传递时，如果没有设置褥垫层，土最先发挥其承载能力，随着荷载增加，桩的承载能力逐渐发挥。由于桩间土的固结，土分担的荷载在逐渐往桩上传递，最终趋于稳定。如果设置了褥垫层，褥垫层首先承受基础传递下来的荷载，压缩变形后，将荷载分别传递给刚性桩与桩间土这两部分，最后下卧土层承受刚性桩与桩间土一起传递的荷载。（2）上部结构对刚性桩复合地基承载特性的影响是一个重要且有难度的课题，因为其中涉及结构物与褥垫层、褥垫层与刚性桩及桩间土等之间的相互作用。目前对这方面的研究大多是采用现场试验与数值模拟完成。（3）桩-土相互作用的直接结果是桩土荷载分担，即上部荷载分配到桩和土体，桩土荷载分担比或桩土应力比定义为桩土分配指标[3]。一般来说，刚性桩刚度大，承受大部分的荷载，但是，如果桩土荷载分担比过大，意味着没有很好的利用桩间土，工程造价将会增加；相反，如果桩土荷载分担比太小，复合地基的沉降量就会随之增大。（4）在刚性桩复合地基工作时，桩间土顶部的褥垫层会向下移动，桩间土对刚性桩形成竖向向下的摩阻力，即负摩阻力。在桩身一定深度处，刚性桩与桩间土的相对位移为零，该深度的水平面称为中性面；而中性面以下刚性桩会相对于桩间土向下位移其原因是承受了较大的荷载。相反，桩间土对刚性桩也会形成竖直向上的摩阻力，为正摩阻力。摩阻力对刚性桩复合地基的荷载传递有着重要影响，因此考虑摩阻力是对刚性桩复合地基相关研究的完善。（5）现有的刚性桩复合地基的研究大多针对竖向荷载，而一些高层建筑也承受水平荷载如风荷载等，在地震荷载作用下，刚性桩复合地基也受水平荷载作用。所以了解其水平荷载作用下的工作特性很有必要。（6）地震反应对于刚性桩复合地基有一定影响，随着刚性桩复合地基在地基处理工程中的广泛应用，对其地震反应研究显得越来越重要。目前，对刚性桩复合地基在地震荷载作用下的响应研究尚处于初步阶段，研究手段仅限于小模型振动台试验、拟静力简化分析、有限元分析等。
3 刚性桩复合地基的沉降影响
复合地基的沉降通常是由加固区的沉降及下卧层的沉降两部分组成的。下面是几种刚性桩复合地基沉降变形的影响因素：
① 桩长：复合地基中，长桩是主要的控制桩，它可以将荷载传递到地基深处承载力很好的持力层，从而降低土体的压缩变形，提高地基承载力，减小沉降。虽然短桩具有相同的效果，但长桩在地基沉降变形控制中发挥了较大的作用。长桩的长度选择也直接影响地基的安全性和造价，长桩长度的增加对复合地基沉降有明显的控制作用。随着深度的增加，复合地基的沉降随着桩长的增加而减小，特别是在长桩和短桩的联合加固区域中，长桩长度变化对沉降的影响更为突出。对于只有长桩的加固区，随着深度的增加，桩长的变化对于地基沉降差异不大。
② 桩径：桩径的选择也是地基基础设计中需要考虑的关键问题。刚性桩复合地基的沉降随桩径的增大而减小。沉降量在长、短刚性桩联合加固范围内衰减较快，在短桩桩端与地基交接平面处，地基沉降随桩径变化，沉降量变化范围比较小。
③ 桩距：随着桩间距增大复合地基沉降量而增大，主要原因是桩间距增大，导致单桩加固范围增大。沉降量沿深度方向逐渐减小，在长短桩共同加固区衰减较快，但在只有长桩的加固区衰减差异不大。桩间距是控制刚性桩复合地基整体沉降量的主要因素之一，随着桩间距的减小，复合地基的沉降逐渐减小。但在桩间距较小的情况下，沉降量并不明显，即较密的布桩对减少刚性桩复合地基的整体沉降量作用不明显。
④ 桩间土模量：加固层压缩沉降是刚性桩复合地基整体沉降的主要部分。桩间土模量的变化对刚性桩复合地基的整体沉降有显著影响。随着土体模量的增加，复合地基的整体沉降逐渐减小。
⑤ 褥垫层：褥垫层模量的变化对沉降有一定影响，随着褥垫层模量的增加，复合地基整体沉降量随之减小[2]。
4 结语
目前，在软土地基工程中，刚性桩以其优异的特性可以进行处理沉降严重及承载力要求不足的地基。国内外学者对刚性桩复合地基的研究主要集中在两个方面，即承载力与变形问题，而复合地基的变形问题一直是工程界的一个难题。由于试验难度和精度等原因，对于复合地基深部的应力场、变形场、应力水平等特性的研究不足。因此，深入研究刚性桩复合地基的承载特性和沉降影响具有重要的理论和现实意义。
参考文献
[1] 袁晓波.饱和软土刚性桩复合地基桩长对桩体受力及沉降影响的研究[D].成都：西南交通大学，2014.
[2] 李春灵.有边载条件下CFG桩复合地基性状研究[D].北京：中国建筑科学研究院，1999.
[3] 池跃君，宋二祥，陈肇元.刚性桩复合地基在不同荷载下的桩土分担特性[J].天津大学学报，2003，36（3）：359-363.
[4] 郑俊杰.地基处理技术（第二版）[M].武汉：华中科技大学出版社，2009.
[5] 刘杰，张可能.路堤荷载下复合地基变形及荷载传递规律研究[J].铁道学报.2003，25（3）：107-111.
作者简介
袁其梦（1992-），男，汉族，河南开封市人，工学硕士，单位：河南大学土木建筑学院土木工程专业，研究方向：结构工程。
（作者单位：河南大学）
关键词：刚性桩复合地基；承载特性；沉降影响
引言
最早的复合地基技术起源于十九世纪30年代，其概念出现在二十世纪60年代，一开始称为附加摩擦桩的补偿基础、减少沉降量桩基础以及桩筏体系等[1]。1992年中国建筑科学研究院地基基础研究所幵发的CFG桩复合地基是最早的刚性桩复合地基[2]，刚性桩复合地基施工方便，造价经济，随着刚性桩复合地基在工程中得到广泛的使用，研究其工作特性显得日益重要，诸多学者在这方面做了许多工作。但是刚性桩复合地基中桩-土相互作用、荷载传递涉及黏弹性问题研究不深入，而且基础的刚度等条件也会对刚性桩复合地基的工作特性产生影响。由此可见，刚性桩复合地基的工作特性极其复杂。
1 刚性桩复合地基概念
土体使用刚性桩进行加固，刚性桩-土共同承担荷载的基础为刚性柱复合地基。刚性桩的变形模量远远大于土体的变形模量，在荷载作用下，荷载将集中在刚性桩上。因此，如果将建筑物的基础直接放置在刚性桩上，考虑到桩顶的冲切作用，必须使用厚度较大的基础底板。此外，刚性桩之间的土体变形较小将导致其承载能力的发挥有限。为解决上述问题，中国建筑科学研究院黄熙龄院士提出了在刚性桩顶部设置褥垫层[1]。
2 刚性桩复合地基的承载特性
复合地基要求桩和土共同承担上部荷载，使这两种不同的材料发挥各自的承载性能、协调变形能力，其变形要求必須满足工程建设。
（1）在刚性桩复合地基荷载传递时，如果没有设置褥垫层，土最先发挥其承载能力，随着荷载增加，桩的承载能力逐渐发挥。由于桩间土的固结，土分担的荷载在逐渐往桩上传递，最终趋于稳定。如果设置了褥垫层，褥垫层首先承受基础传递下来的荷载，压缩变形后，将荷载分别传递给刚性桩与桩间土这两部分，最后下卧土层承受刚性桩与桩间土一起传递的荷载。（2）上部结构对刚性桩复合地基承载特性的影响是一个重要且有难度的课题，因为其中涉及结构物与褥垫层、褥垫层与刚性桩及桩间土等之间的相互作用。目前对这方面的研究大多是采用现场试验与数值模拟完成。（3）桩-土相互作用的直接结果是桩土荷载分担，即上部荷载分配到桩和土体，桩土荷载分担比或桩土应力比定义为桩土分配指标[3]。一般来说，刚性桩刚度大，承受大部分的荷载，但是，如果桩土荷载分担比过大，意味着没有很好的利用桩间土，工程造价将会增加；相反，如果桩土荷载分担比太小，复合地基的沉降量就会随之增大。（4）在刚性桩复合地基工作时，桩间土顶部的褥垫层会向下移动，桩间土对刚性桩形成竖向向下的摩阻力，即负摩阻力。在桩身一定深度处，刚性桩与桩间土的相对位移为零，该深度的水平面称为中性面；而中性面以下刚性桩会相对于桩间土向下位移其原因是承受了较大的荷载。相反，桩间土对刚性桩也会形成竖直向上的摩阻力，为正摩阻力。摩阻力对刚性桩复合地基的荷载传递有着重要影响，因此考虑摩阻力是对刚性桩复合地基相关研究的完善。（5）现有的刚性桩复合地基的研究大多针对竖向荷载，而一些高层建筑也承受水平荷载如风荷载等，在地震荷载作用下，刚性桩复合地基也受水平荷载作用。所以了解其水平荷载作用下的工作特性很有必要。（6）地震反应对于刚性桩复合地基有一定影响，随着刚性桩复合地基在地基处理工程中的广泛应用，对其地震反应研究显得越来越重要。目前，对刚性桩复合地基在地震荷载作用下的响应研究尚处于初步阶段，研究手段仅限于小模型振动台试验、拟静力简化分析、有限元分析等。
3 刚性桩复合地基的沉降影响
复合地基的沉降通常是由加固区的沉降及下卧层的沉降两部分组成的。下面是几种刚性桩复合地基沉降变形的影响因素：
① 桩长：复合地基中，长桩是主要的控制桩，它可以将荷载传递到地基深处承载力很好的持力层，从而降低土体的压缩变形，提高地基承载力，减小沉降。虽然短桩具有相同的效果，但长桩在地基沉降变形控制中发挥了较大的作用。长桩的长度选择也直接影响地基的安全性和造价，长桩长度的增加对复合地基沉降有明显的控制作用。随着深度的增加，复合地基的沉降随着桩长的增加而减小，特别是在长桩和短桩的联合加固区域中，长桩长度变化对沉降的影响更为突出。对于只有长桩的加固区，随着深度的增加，桩长的变化对于地基沉降差异不大。
② 桩径：桩径的选择也是地基基础设计中需要考虑的关键问题。刚性桩复合地基的沉降随桩径的增大而减小。沉降量在长、短刚性桩联合加固范围内衰减较快，在短桩桩端与地基交接平面处，地基沉降随桩径变化，沉降量变化范围比较小。
③ 桩距：随着桩间距增大复合地基沉降量而增大，主要原因是桩间距增大，导致单桩加固范围增大。沉降量沿深度方向逐渐减小，在长短桩共同加固区衰减较快，但在只有长桩的加固区衰减差异不大。桩间距是控制刚性桩复合地基整体沉降量的主要因素之一，随着桩间距的减小，复合地基的沉降逐渐减小。但在桩间距较小的情况下，沉降量并不明显，即较密的布桩对减少刚性桩复合地基的整体沉降量作用不明显。
④ 桩间土模量：加固层压缩沉降是刚性桩复合地基整体沉降的主要部分。桩间土模量的变化对刚性桩复合地基的整体沉降有显著影响。随着土体模量的增加，复合地基的整体沉降逐渐减小。
⑤ 褥垫层：褥垫层模量的变化对沉降有一定影响，随着褥垫层模量的增加，复合地基整体沉降量随之减小[2]。
4 结语
目前，在软土地基工程中，刚性桩以其优异的特性可以进行处理沉降严重及承载力要求不足的地基。国内外学者对刚性桩复合地基的研究主要集中在两个方面，即承载力与变形问题，而复合地基的变形问题一直是工程界的一个难题。由于试验难度和精度等原因，对于复合地基深部的应力场、变形场、应力水平等特性的研究不足。因此，深入研究刚性桩复合地基的承载特性和沉降影响具有重要的理论和现实意义。
参考文献
[1] 袁晓波.饱和软土刚性桩复合地基桩长对桩体受力及沉降影响的研究[D].成都：西南交通大学，2014.
[2] 李春灵.有边载条件下CFG桩复合地基性状研究[D].北京：中国建筑科学研究院，1999.
[3] 池跃君，宋二祥，陈肇元.刚性桩复合地基在不同荷载下的桩土分担特性[J].天津大学学报，2003，36（3）：359-363.
[4] 郑俊杰.地基处理技术（第二版）[M].武汉：华中科技大学出版社，2009.
[5] 刘杰，张可能.路堤荷载下复合地基变形及荷载传递规律研究[J].铁道学报.2003，25（3）：107-111.
作者简介
袁其梦（1992-），男，汉族，河南开封市人，工学硕士，单位：河南大学土木建筑学院土木工程专业，研究方向：结构工程。
（作者单位：河南大学）